1. SiO2 là gì?
- SiO2, còn được biết đến như silic dioxit hay silica, là một hợp chất hóa học quan trọng trong nhiều lĩnh vực đời sống và nuôi trồng thủy sản.
- Đây là một oxit của silic và tồn tại chủ yếu ở dạng tinh thể và vô định hình. Trên bề mặt của silic, các phân tử SiO2 thường liên kết với nhau thành phân tử rất lớn, tạo ra một cấu trúc ổn định và bền vững trong tự nhiên.
2. SiO2 có những tính chất gì?
a. Tính chất vật lý
- Silica là chất tồn tại ở dạng tinh thể nguyên tử, không tan trong nước. Đây là một chất rắn, màu xám, có vẻ sáng của kim loại, khó nóng chảy . Ngoài ra, SiO2 dẫn điện kém, tinh thể silic tinh khiết là chất bán dẫn. Với khối lượng riêng khoảng 2,2 đến 2,7 g/cm3 tùy vào cấu trúc tinh thể, nhiệt độ nóng chảy là 1713 độ C.
b. Tính chất hóa học
- Tác dụng với oxit bazơ và kiềm tạo ra muối silicat ở nhiệt độ cao.
SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O
SiO2 + Na2CO3 → Na2SiO3 + CO2
- SiO2 không xảy ra phản ứng với nước.
- Phản ứng với axit flohidric.
SiO2 + 4HF → SiF4 + 2H2O
- Phản ứng này thường được dùng để khắc chữ trên thủy tinh. Chính vì vậy, không sử dụng bình thủy tinh để đựng axit HF.
SiO2 + 6HF(đặc) → H2SiF6 + 2H2O
3. Trạng thái tự nhiên
- Trong tự nhiên, silic dioxit tồn tại chủ yếu ở dạng tinh thể hoặc vi tinh thể như cát (thạch anh), tridimit, cristobalit, cancedoan hoặc đá mã não, trong đó, dạng phổ biến nhất là dạng cát. Nó chính là một khoáng vật của vỏ Trái Đất.
- Trong điều kiện áp suất thường, silic dioxit tinh thể có 3 dạng thù hình chính, đó là thạch anh, tridimit và cristobalit. Mỗi dạng lại có hai hoặc ba dạng thứ cấp với dạng thứ cấp α bền ở nhiệt độ thấp và dạng thứ cấp β bền nhiệt độ cao.
- Ba dạng tinh thể của SiO2 có cách sắp xếp khác nhau của các nhóm tứ diện SiO4 ở trong tinh thể. Ở dạng thạch anh α, góc liên kết Si-O-Si bằng 150° còn ở dạng tridimit và cristobalit thì góc liên kết Si-O-Si bằng 180°. Trong thạch anh, những nhóm tứ diện SiO4 được sắp xếp sao cho các nguyên tử Si nằm trên một đường xoắn ốc quay phải (α-thạch anh) hoặc quay trái (β-thạch anh). Để biến thạch anh thành cristobalit góc Si-O-Si cần chuyển từ 150° thành 180°, còn nếu muốn chuyển thành α-tridimit thì bên cạnh việc chuyển góc Si-O-Si từ 150° thành 180° còn phải xoay tứ diện SiO4 quanh trục đối xứng một góc bằng 180°.
4. Cách điều chế
- Điều chế Silic dioxit bằng cách cho silic tác dụng với oxi trong điều kiện nhiệt độ cao: Phương pháp này thường sẽ được sử dụng trong việc phủ một lớp Silic dioxit lên bề mặt của silic. Phản ứng hóa học có phương trình như sau:
Si(r) + O2(k) → SiO2 (r)
- Phương pháp điều chế Silic dioxit bằng phun khói: Đây thực chất là phương pháp thủy phân silic halogen với hidro và oxi ở nhiệt độ cao. Phản ứng hóa học có phương trình:
2H2 + O2 + SiCl4 → SiO2 + 4HCl
- Phương pháp sol-gel: Đây là phương pháp điều chế Silic đioxit bằng cách thủy phân một alkoxysilan với chất xúc tác là axit hoặc bazo. Phản ứng hóa học có phương trình:
Si(OR)4 + 2H2O → SiO2 + 4ROH
5. Ứng dụng
a. Ứng dụng trong xây dựng chuyên mục
- 95% Silic dioxit SiO2 được sử dụng trong xây dựng lớn. Hỗn hợp đá vôi và đất sét sau khi được nghiền nhỏ sẽ được trộn với cát và nước thành bùn, sau đó tiến hành nung ở nhiệt độ khoảng 1400 – 1500 °C ở trong lò nung xi măng để tạo ra clinke dạng rắn, để nguội. Tiếp theo nghiền clinke cùng với một số loại đá quý phụ gia, do đó được xi măng, nguyên liệu cần thiết trong xây dựng lớn.
b. Ứng dụng của Silic dioxit trong sản xuất đồ gốm
Trộn đều đất sét, fenpat và thạch anh với nước theo một tỷ lệ thích hợp sẽ tạo thành khối dẻo để tạo hình đồ.
Sau đó nung các đồ vật đã được tạo ra ở nhiệt độ phù hợp.
c. Ứng dụng để sản xuất thủy tinh
- Trộn đều đẳng nhiệt đá vôi, cát, soda theo tỷ lệ thích hợp, sau đó nung trong lò quay ở nhiệt độ 900 độ C để tạo thành thủy tinh dạng nhãn.
- Sau đó làm nguội thủy tinh dạng nhãn để thu được thủy tinh dạng dẻo.
- Move ép hoặc thổi thủy tinh thành những hình dạng mà người thợ mong muốn.
CaCO3 (t°) → CaO + CO2
CaO + SiO2 (t°) → CaSiO3
Na2CO3 + SiO2 (t°) → Na2SiO3 + CO2
d. Các ứng dụng khác của SiO2
- Thạch anh SiO2 được sử dụng trong hệ thống lọc nước và xử lý nước tinh khiết.
- SiO2 được sử dụng để sản xuất Natri silicat (Na2SiO3), đây chính là thành phần được sử dụng để tạo chất màu và xà phòng.
- Ở dạng cát, SiO2 được sử dụng là thành phần chính trong cát đúc để sản xuất các vật dụng, chi tiết kim loại vì có điểm nóng cao.