Лаб-3 Изделия из редких металлов

Диоксид кремния существует в нескольких полиморфных модификациях.

Температуры перехода при нормальном давлении:

α-тридимит → β-тридимит 115°; β-тридимит → γ-тридимит 160°;  α-кристобалит → β-кристобалит 270 °С;

α-кварц→ β-кварц 575 °С; кварц → γ-тридимит 867 °С; кварц → кристобалит 927 °С; γ-тридимит → β-кристобалит 1470 °С

Т. пл. кварца 1610°С, γ-тридимита 1680 °С, β-кристобалита 1723°С.

    Полиморфные превращения кварца, тридимита и кристобалита сопровождаются изменением объема.
    Диоксид кремния - диэлектрик ρ 10¹² Ом.м (20°С), 9.10^-1 Oм.м (1600°C).

  Монокристаллы α-кварца обладают хиральной структурой, что обусловливает их оптическую активность и пьезоэлектрические свойства. Кварц прозрачен для УФ и частично ИК лучей.

    Растворимость α-кварца в воде 10^-3% по массе (25°C), аморфных форм кремнезема 0,007-0,015% .

   Диоксид кремния не растворим в большинстве органических растворителей. Реагирует с фтористоводородной кислотой, образуя кремнефтористоводородную кислоту. При 250-400 °С взаимод. с газообразным HF, F₂ (давая SiF₄), при 200-250°С - с NH₄HF₂. В смеси с углем реагирует с Сl₂ при нагр., образуя SiCl₄.

    Аморфный кремнезем медленно растворим в водных растворах щелочей, Na₂CO₃ (давая силикаты) и NH₄F (образуя фторосиликаты), скорость растворения увеличивается при повышении давления и т-ры.

    При нагревании смесей порошкообразного диоксида кремния с различными оксидами образуются силикаты, при сплавлении с Na₂CO₃ и Na₂SO₄ - водорастворимый силикат натрия.

   В производстве используемых в технике материалов на основе диоксида кремния применяют следующие процессы:
    - химическое осаждение из газовой фазы при высокотемпературном сжигании SiCl₄, предварительно очищенного ректификацией. Частицы диоксида кремния, образующиеся в кислородно-водородном пламени или плазме, осаждаются давая массивные кварцевые стекла или слои заготовок волоконных световодов;
  - окисление поверхности монокристаллического кремния с образованием гетероструктур (в произ-ве интегральных схем);
      - спекание мелкодисперсного диоксида кремния в кварцевую керамику;
   - золь-гель процесс, включающий гидролиз органических соединений кремния, медленную дегидратацию образовавшегося геля и умеренное нагревание. Используется для получения кварцевых и высококремнеземистых стекол;
    - получение особо чистого диоксида кремния и пористых стекол (типа "викор") путем термической обработки лидирующего боросиликатного стекла, выщелачивания кислотой и отмывки кремнеземистого каркаса.
Природный кремнезем используют в производстве силикатных стекол, изделий из фарфора и фаянса, абразивов, бетона, силикатного кирпича, динаса, керамики. Синтетический диоксид кремния ("белая сажа") - наполнитель в производстве резин (до 70% производимого диоксида кремния). Преимущественно используют осажденные гидратиратируемые кремнеземы (содержащие 85-95% SiO₂) с удельной поверхностью 60-300 м²/г, в меньшей степени - безводные кремнеземы типа аэросила. Аэросил - также адсорбент в хроматографии, загуститель смазочных материалов, клеев, красок.

    Монокристаллы кварца применяют в радиотехнике (пьезоэлектрич. стабилизаторы частоты, фильтры, резонаторы и др.), в акустооптике и акустоэлекронике, в оптическом приборостроении (призмы для спектрографов, монохроматоров, линзы для УФ оптики и др.), в ювелирном деле (прозрачные, красиво окрашенные разновидности - полудрагоценные камни). Силикагели с эффективным диаметром пор 2-15 нм используют как пром. сорбенты и носители катализаторов.

    Синтетический диоксид кремния и горный хрусталь являются сырьем для производства монокристаллов кварца, кварцевого стекла, керамики и кварцевых волокон.

Кварцевое стекло и керамика - конструкционный материал в авиационной промышленности (напр., для обтекателей окон и иллюминаторов летательных аппаратов), в оптике (для входных окон оптических приборов УФ и И К диапазонов), в электронике (линии задержки) и др.

     Кварцевая ткань -теплозащитный материал. Кварцевые волокна используют для создания волоконно-оптических (световодных) линий связи и систем передачи информации. 

   При попадании диоксида кремния в живые ткани медленно развиваются гранулемы. Кремнеземная пыль вызывает раздражение верх. дыхательных путей и бронхов, заболевание желудочно-кишечного тракта, при длительном вдыхании - тяжелое заболевание - силикоз легких.

    ПДК при содержании SiO₂ в пыли св. 70% - 1 мг/м³, 10-70% - 2 мг/м³, 2-10% - 4 мг/м³.