Piidioksidi

Piidioksidi
Kenraali
Systemaattinen nimi	piioksidi (IV).
Perinteiset nimet	piidioksidi; piidioksidi
Chem. kaava	SiO2_ _
Ulkomuoto	E551 - pallomaisten nanohiukkasten muodossa, kooltaan 20–60 nm
Fyysiset ominaisuudet
Moolimassa	60,0843 g/ mol
Tiheys	1,96 - 2,6 g/cm³
Erityinen sähkövastus	10¹¹ - 10¹3 ohm m
Lämpöominaisuudet
Lämpötila
•  sulaminen	1600 °C
•  kiehuva	2950 °C
Höyryn paine	0 ± 1 mmHg
Luokitus
Reg. CAS-numero	7631-86-9
PubChem	24261
Reg. EINECS-numero	231-545-4
Hymyilee	O=[Si]=O
InChI	InChI = 1S/02Si/cl-3-2VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N
Codex Alimentarius	E551
RTECS	VV7565000
CHEBI	30563
ChemSpider	22683
Turvallisuus
Rajoita keskittymistä	3 mg/m³
LD 50	3500 mg/kg
Myrkyllisyys	myrkyllinen nanohiukkasten muodossa (E551, aerosiili), päivää annos ihmisille - 1 mg/kg
EKP:n kuvakkeet
NFPA 704	0 0 0
Tiedot perustuvat standardiolosuhteisiin (25 °C, 100 kPa), ellei toisin mainita.
Mediatiedostot Wikimedia Commonsissa

Piidioksidi ( piidioksidi , SiO 2 ; lat.  piidioksidi ) - piidioksidi ( IV). Värittömiä kiteitä , käytännöllisesti katsoen veteen liukenemattomia, korkea kovuus ja lujuus .

Piidioksidi on pääkomponentti lähes kaikissa maanpäällisissä kivissä , erityisesti piimaassa . Piidioksidi ja silikaatit muodostavat 87 % litosfäärin massasta . Ihmisen veressä ja plasmassa piidioksidin pitoisuus on 0,001 painoprosenttia [1] .

Ominaisuudet

• Kuuluu happooksidien ryhmään .
• Kuumennettaessa se on vuorovaikutuksessa emäksisten oksidien ja alkalien kanssa.
• Moolimassa: 60,084 g/mol
• Reagoi fluorivetyhapon kanssa .
• SiO 2 kuuluu lasia muodostavien oksidien ryhmään, eli se on altis alijäähtyneen lasisulan muodostumiselle .
• Dielektrinen ( sähkövirta ei johda, jos siinä ei ole epäpuhtauksia eikä se kuumene).

Polymorfismi

Piidioksidilla on useita polymorfeja .

Niistä yleisin maan pinnalla - α - kvartsi  - kiteytyy trigonaalisessa syngoniassa . Normaaleissa olosuhteissa piidioksidia esiintyy useimmiten α-kvartsin polymorfisessa muunnelmassa, joka yli +573 °C:n lämpötiloissa muuttuu palautuvasti β-kvartsiksi. Lämpötilan noustessa edelleen kvartsi muuttuu tridymiitiksi ja kristobaliitiksi . Nämä polymorfit ovat stabiileja korkeissa lämpötiloissa ja matalissa paineissa.

Luonnosta löytyy myös muotoja - opaali , kalsedoni , kvartsiini , lutekiitti , autenttinen kvartsi , jotka kuuluvat piidioksidiryhmään. Ohuessa poikkileikkauksessa oleva opaali (SiO 2 · n H 2 O) on väritöntä, isotrooppista , sen kohokuvio on negatiivinen, se on kerrostunut meren altaisiin ja on osa monia piipitoisia kiviä. Kalsedoni, kvartsiini, lutekiitti - SiO 2  - ovat kryptokiteisiä kvartsin muotoja. Ne muodostavat kuituaggregaatteja, ruusukkeita, sferuliitteja, värittömiä, sinertäviä, kellertäviä. Ne eroavat toisistaan ​​joissakin ominaisuuksissa - kalsedonille ja kvartsiinille - suora sukupuuttoon, lutesiitille - vino, kalsedonille - negatiivinen venymä.

Korkeassa lämpötilassa ja paineessa piidioksidi muuttuu ensin koesiitiksi (jonka amerikkalainen kemisti Loring Coes syntetisoi vuonna 1953) ja sitten stishoviitiksi (jonka syntetisoi vuonna 1961 S. M. Stishov , ja vuonna 1962 se löydettiin Barringerin kraatterista ( Arizonan meteoriitin kraatteri) [2] [3] .Joidenkin tutkimusten mukaan[ mitä? ] , stisoviitti muodostaa merkittävän osan vaipasta , joten kysymykseen siitä, mikä SiO 2 on yleisin maapallolla, ei ole vielä selkeää vastausta.

Siinä on myös amorfinen modifikaatio - kvartsilasi .

Kemialliset ominaisuudet

Piidioksidi SiO 2  on hapan oksidi, joka ei reagoi veden kanssa.

Kemiallisesti kestävä happoja vastaan, mutta reagoi fluorivetykaasun kanssa :

ja fluorivetyhappo :

Näitä kahta reaktiota käytetään laajasti lasin sulattamiseen.

Kun SiO 2 fuusioidaan alkalien ja emäksisten oksidien sekä aktiivisten metallien karbonaattien kanssa , muodostuu silikaatteja - yleiskaavan xH 2 O ySiO 2 mukaisten erittäin heikkojen, veteen liukenemattomien piihappojen suoloja, joilla ei ole vakiokoostumusta. (kirjallisuudessa mainitaan melko usein ei-piihapot, mutta piihappo, vaikka itse asiassa puhumme samasta aineesta).

Esimerkiksi natriumortosilikaattia voidaan valmistaa :

kalsiummetasilikaatti :

tai sekoitettu kalsium- ja natriumsilikaatti:

Ikkunalasi on valmistettu Na 2 CaSi 6 O 14 -silikaatista (Na 2 O CaO 6SiO 2 ) .

Useimmilla silikaateilla ei ole pysyvää koostumusta. Kaikista silikaateista vain natrium- ja kaliumsilikaatit liukenevat veteen. Näiden silikaattien vesiliuoksia kutsutaan nestemäiseksi lasiksi. Hydrolyysin vuoksi näille liuoksille on ominaista voimakkaasti emäksinen ympäristö. Hydrolysoiduille silikaateille on ominaista ei todellisten, vaan kolloidisten liuosten muodostuminen. Natrium- tai kaliumsilikaattiliuoksia hapotettaessa saostuu hydratoituneiden piihappojen hyytelömäinen valkoinen sakka.

Sekä kiinteän piidioksidin että kaikkien silikaattien päärakenneelementti on [SiO 4/2 ]-ryhmä, jossa piiatomia Si ympäröi neljän O-happiatomin tetraedri, joista jokainen on kytketty kahteen piiatomiin. [SiO 4/2 ] -fragmentit voidaan liittää toisiinsa eri tavoin. Silikaateista erotetaan niissä olevien [SiO 4/2 ] -fragmenttien sitoutumisen luonteen mukaan saari, ketju, nauha, kerros, runko ja muut.

Erityisolosuhteissa vuorovaikutuksessa veden kanssa.

Hapettavat ominaisuudet eivät ole tyypillisiä ja näkyvät vain reaktioissa vahvojen pelkistysaineiden kanssa: kivihiili, alumiini, magnesium, kalsium.

Haetaan

Synteettinen piidioksidi saadaan kuumentamalla piitä +400...+500 °C lämpötilaan happiatmosfäärissä , kun taas pii hapetetaan SiO 2 -dioksidiksi . Sekä lämpöhapetus korkeissa lämpötiloissa.

Laboratorio-olosuhteissa synteettistä piidioksidia voidaan valmistaa happojen, jopa miedon etikkahapon vaikutuksesta liukoisiin silikaatteihin. Esimerkiksi:

piihappo hajoaa välittömästi vedeksi ja SiO 2 :ksi , joka saostuu .

Luonnollista piidioksidia hiekan muodossa käytetään silloin, kun materiaalin korkeaa puhtautta ei vaadita.

Sovellus

Amorfista ei-huokoista piidioksidia käytetään elintarviketeollisuudessa apuaineena E551 , joka estää paakkuuntumista ja paakkuuntumista, parafarmaseutioissa ( hammastahnat ), lääketeollisuudessa apuaineena (sisältyy useimpiin farmakopeoihin ) suspensioiden ja linimenttien stabiloimiseen. , voiteena sakeuttamispohjana, tablettien ja peräpuikkojen täyteaineina. Se on osa täytemateriaalien koostumusta, vähentää kuivauutteiden hygroskooppisuutta, hidastaa biologisesti aktiivisten aineiden vapautumista erilaisista annosmuodoista; elintarvikelisäaineina ja sorbentteina sekä matriiseina haluttujen ominaisuuksien omaavien annosmuotojen luomiseen - koska siinä ei ole kiderakennetta (amorfeeni) [4] , sekä elintarvikelisäaine tai lääke enterosorbenttina Polysorb MP, jolla on laaja valikoima sovelluksia , ottaen huomioon korkea ominaissorptiopinta (välillä 300-400 m²) per 1 g perusainetta.

Piidioksidia käytetään lasin , keramiikan , hioma -aineiden , betonituotteiden valmistuksessa , piin valmistuksessa , täyteaineena kumin valmistuksessa, piidioksidin tulenkestävien aineiden valmistuksessa , kromatografiassa ja muissa. Kvartsikiteillä
on pietsosähköisiä ominaisuuksia, ja siksi niitä käytetään radiotekniikassa , ultraäänilaitteissa , sytyttimissä ja orgoniittien valmistuksessa .

Käytetään myös valokuitukaapeleiden valmistukseen . Puhdasta sulatettua piidioksidia käytetään lisättynä joitain erityisiä ainesosia.

Silikafilamenttia käytetään myös sähkösavukkeiden lämmityselementeissä, koska se imee nestettä hyvin eikä luhistu käämin kuumennettaessa.

Lisäksi piidioksidi on löytänyt laajimman sovelluksen rengasteollisuudessa, kumi- ja muovituotannossa, kemianteollisuudessa, konepajateollisuudessa ja useissa erityistoiminnoissa:

• katalyyttien ja kasvinsuojelukemikaalien kantajana;
• sorbentteina ja suodatinjauheina öljytuotteiden regenerointiin;
• korkealaatuisena juoksutena ei-rautametallien metallurgian prosesseissa;
• raaka-aineena ympäristöystävällisen lasin, lasisäiliöiden ja kristallin valmistukseen;
• paperin ja kartongin täyteaineena hygieenisesti puhtaiden pakkausmateriaalien saamiseksi elintarviketeollisuudelle;
• oluen suodatusjauheet, öljyt, mehut, lakkojen ja maalien mattapinnat;
• hankkia piikarbidia koneenrakennuksessa - keraamiset moottorit, osat lentokoneen rakennuskompleksiin;
• kiteisen piin saamiseksi elektroniikka- ja sähköteollisuudessa, keraamiset sähköeristeet, lasikuidut, kuituoptiikka, superohut kuitu;
• keinotekoisten zeoliittien synteesiin petrokemiassa - öljykrakkaus ja niin edelleen.

Puolijalokivinä käytetään suuria läpinäkyviä kvartsikiteitä ; värittömiä kiteitä kutsutaan vuorikristalliksi , violetiksi ametisteiksi , keltaiseksi sitriiniksi .

Mikroelektroniikassa piidioksidi on yksi tärkeimmistä materiaaleista. Sitä käytetään eristävänä kerroksena (esimerkiksi hiladielektrisenä kenttätransistoreissa ) sekä suojapinnoitteena. Saatu ohuiden kalvojen muodossa piin lämpöhapetuksella, kemiallisella höyrypinnoituksella , magnetronisputteroinnilla .

Huokoinen piidioksidi

Huokoisia piidioksidia saadaan eri menetelmillä.

Silokromi saadaan aggregoimalla aerosiilia , joka puolestaan ​​saadaan polttamalla silaania ( Si H 4 ). Silokromille on ominaista korkea puhtaus, alhainen mekaaninen lujuus. Ominaispinta-alan tyypillinen koko on 60–120 m2/g. Sitä käytetään sorbenttina kromatografiassa , kumin täyteaineena, katalyysissä .

Silikageeliä saadaan kuivaamalla piihappogeeliä. Silokromiin verrattuna sen puhtausaste on alhaisempi, mutta pinta voi olla erittäin kehittynyt: yleensä 300 m² / g - 700 m² / g.

Pii - airgeelissä on noin 99,8 % ilmaa ja sen tiheys voi olla jopa 1,9 kg/m³ (vain 1,5 kertaa ilman tiheys).

Myrkyllisyys

Nanohiukkasten muodossa

Nanohiukkasten kyky tunkeutua biologisten esteiden läpi ja kertyä elimistöön, niiden korkea kemiallinen ja katalyyttinen aktiivisuus määräävät monien nanohiukkasten myrkyllisten ominaisuuksien esiintymisen, mikä on otettava huomioon arvioitaessa niiden ihmisille altistumisen mahdollisia riskejä. Nanohiukkasten pääasiallisina riskikriteereinä käytetään niiden tuotannon määrää ja kykyä liueta veteen ja biologisiin väliaineisiin. [5]

TR CU 021/20111 mukaan nanopartikkeleita sisältäviä tai nanoteknologialla valmistettuja ja ominaisuuksia omaavia elintarvikkeita pidetään "uuden tyyppisinä tuotteina", joiden vaatimustenmukaisuuden arviointi valtion rekisteröinnin muodossa on pakollista. [5]

Vuoteen 2018 mennessä Venäjällä ja tulliliitossa noin 60 nanoteollisuuden tuotetta on läpäissyt valtion rekisteröinnin uutena elintarviketyyppinä. Nämä ovat pääasiassa biologisesti aktiivisia ravintolisät (BAA), jotka sisältävät elintarvikeaineita nanomuodossa, monimutkaisia ​​elintarvikelisäaineita - emulgointiaineita ja tietyntyyppisiä teknologisia apuaineita sekä nanosavua käyttäviä komposiittipakkausmateriaaleja. Markkinoilla olevien elintarvikkeiden valikoiman analyysi sekä sen koostumukselle ja turvallisuudelle asettavat vaatimukset osoittavat kuitenkin, että nanohiukkasten ja nanomateriaalien muodossa olevien elintarvikelisäaineiden käytön laajuutta elintarviketuotannossa voidaan aliarvioida, koska hiukkanen kokoa ei säännellä, eikä sitä säännellä venäläinen tai kansainvälinen sääntelykehys, etenkään amorfinen piidioksidi ja titaanidioksidi. [5]

Piidioksidia E551:n muodossa käytetään paakkuuntumisenestoaineena ja kantajana. TR CU 029/20122 määrää sen sallitut pitoisuudet mausteissa (enintään 30 g/kg), tiiviisti folioon käärityissä tuotteissa (30 g/kg), tomusokerissa (10 g/kg), suolassa ja sen korvikkeissa ( 10 g/kg). kg), juustot ja juustotuotteet (10 g/kg), aromit (50 g/kg). E551:tä sisältävien elintarvikeraaka-aineiden käyttö on sallittua lapsille tarkoitettujen elintarvikkeiden valmistuksessa. Tabletetuissa elintarvikkeissa, ravintolisissä, sokeripitoisissa makeisissa (paitsi suklaassa) E551-pitoisuutta ei säännellä. Edellä mainittujen elintarviketuotteiden lisäksi amorfisen SiO2:n saanti on mahdollista lääkkeillä ja kosmeettisilla tuotteilla (hammastahnat jne.). [5] E551:n kokonaistilavuudesta merkittävä osa on sen muotoa, kuten erittäin dispergoitunutta pyrogeenistä SiO2:ta (Aerosil), jonka ominaispinta-ala on 300–380 m2/g, pallomaisten nanohiukkasten muodossa, kooltaan noin 20–60 nm, jotka muodostuvat ultrarakenteen tasolla, heikosti sitoutuneita (agglomeroituneita). [5]

Tämän elintarvikelisäaineen JECFA-spesifikaatiossa ei kuitenkaan ole tietoa sen hiukkasten koosta, jota tuotteen valmistajat eivät pääsääntöisesti valvo ja ilmoita, minkä seurauksena merkittävä määrä liikkeessä olevia elintarvikkeita voi sisältävät tätä ainetta nanomateriaalin muodossa, ja joillekin Tietojen mukaan ihmisten elintarvikkeiden altistuminen SiO2-nanohiukkasille voi tällä hetkellä ylittää 1,8 mg/kg/vrk. Laboratorio-eläimillä tehdyissä tutkimuksissa SiO2-nanohiukkaset olivat biosaatavia, kun ne pääsivät maha-suolikanavaan, ja 3 kuukautta kestäneessä subakuutissa kokeessa Aerosil-tyyppisen nanokokoisen SiO2:n annoksella 100 mg/kg ruumiinpainoa, eläimillä havaittiin leukopeniaa, T-auttajien osuus väheni, sytotoksisten lymfosyyttien osuus kasvoi, immunosäätelyindeksi (CD4/CD8) pieneni, havaittiin pro- ja anti-inflammatoristen sytokiinien epätasapaino, mikä yhdessä tarkoittaa haitallista vaikutusta immuunijärjestelmään. Morfologinen tutkimus osoitti, että ruoan mukana toimitettujen SiO2-nanohiukkasten vaikutuskohteena on ohutsuolen limakalvo, jossa havaitaan massiivisia lymfomakrofageja ja villien eosinofiilistä tunkeutumista. [5]

Kun otetaan huomioon kahden 10-kertaisen turvallisuustekijän käyttöönotto in vivo -malleista saatujen tietojen siirtämisessä ihmisille, mahdollinen ruoasta peräisin olevien SiO2-nanohiukkasten vuorokausiannos on enintään 1 mg/kg. [5]

• Aikaisemmin uskottiin, että aineella on alhainen myrkyllisyys: MPC työalueella on 3 mg/m³. LD50 rotilla - 3500 mg / kg. (lähde?)
• Kun piidioksidi pääsee kehon kudoksiin, granuloomia ilmaantuu ja kehittyy vähitellen .
• Kun pölyä hengitetään, ilmenee hengitysteiden ärsytystä ja erilaisia ​​ruoansulatuskanavan sairauksia. Pitkäaikainen altistuminen pölylle voi aiheuttaa keuhkojen silikoosia [1] .

Muistiinpanot

1. ↑ 1 2 Saharov, 1990 .
2. ↑ Kemistin käsikirja 21 - Stishovite . Haettu 23. syyskuuta 2019. Arkistoitu alkuperäisestä 23. syyskuuta 2019. (määrätön)
3. ↑ Lisichkin G.V. Oksastettujen pintayhdisteiden kemia . Haettu 23. syyskuuta 2019. Arkistoitu alkuperäisestä 19. kesäkuuta 2017. (määrätön)
4. ↑ Lääketieteellinen kemia ja piidioksidin kliininen käyttö: monografia. / [MUTTA. A. Chuiko, V. A. Tertykh, V. V. Lobanov ja muut]; Ed. A. A. Chuiko; kansallinen akad. Ukrainan tieteet. Pintakemian instituutti. - Kiova: Naukova Dumka , 2003. - 414, [1] s. : ill., välilehti. - ISBN 966-00-0185-1 .
5. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Gmoshinsky I.V., Shipelin V.A., Khotimchenko S.A. Nanomateriaalit elintarvikkeissa ja niiden pakkauksissa: riskien ja hyötyjen vertaileva analyysi  Terveysriskianalyysi. - 2018. - Numero. 4 . — S. 134–142 . — ISSN 2308-1155 .

Kirjallisuus

• I. E. Neimark // Silikageeli, sen valmistus, ominaisuudet ja käyttö. 1973 - Kiova - 200 s.
• Sakharov V.V. Piidioksidi // Chemical Encyclopedia  : 5 tilavuudessa / Ch. toim. I. L. Knunyants . - M .: Neuvostoliiton tietosanakirja , 1990. - T. 2: Duff - Medi. - S. 517-518. — 671 s. - 100 000 kappaletta.  — ISBN 5-85270-035-5 .
• A. I. Vrublevsky // Kemian perusteet