ثاني أكسيد السيليكون

يُعدّ الكوارتز ألفا الشكل الأكثر استقرارًا لثاني أكسيد السيليكون الصلب (SiO₂ ₎ عند درجة حرارة الغرفة. أما المعادن التي تنمو في درجات الحرارة العالية، مثل الكريستوباليت والتريديميت ، فتتميز بكثافة ومعامل انكسار أقل من الكوارتز. ويحدث التحول من الكوارتز ألفا إلى الكوارتز بيتا فجأة عند 573 درجة مئوية. ونظرًا لأن هذا التحول مصحوب بتغير كبير في الحجم، فإنه يُمكن أن يُسبب بسهولة تكسر السيراميك أو الصخور التي تتجاوز هذه الدرجة الحرارية. ^{[ 13 ]} في المقابل، تتميز المعادن التي تنمو تحت الضغط العالي، مثل السيفرتيت والستيشوفيت والكوسيت ، بكثافة ومعامل انكسار أعلى من الكوارتز. ^{[ 14 ]} يتميز الستيشوفيت ببنية شبيهة بالروتيل ، حيث يكون السيليكون سداسي التناسق. تبلغ كثافة الستيشوفيت 4.287 غ/سم³ ^، مقارنةً بالكوارتز ألفا، وهو أكثر أشكال المعادن كثافةً عند الضغط المنخفض، والذي تبلغ كثافته 2.648 غ/سم³ ^. [ ^{15 ] يُعزى} هذا الاختلاف في الكثافة إلى زيادة التناسق، حيث إن أطوال روابط Si–O الستة الأقصر في الستيشوفيت (أربع روابط بطول 176 بيكومتر ورابطتان بطول 181 بيكومتر) أكبر من طول رابطة Si–O (161 بيكومتر) في الكوارتز ألفا. ^{[ 16 ]} يؤدي هذا التغير في التناسق إلى زيادة أيونية رابطة Si–O. ^{[ 17 ]}   

تُستخلص سيليكا الفوجاسيت ، وهي شكل متعدد آخر، من خلال إزالة الألومنيوم من زوليت Y منخفض الصوديوم فائق الاستقرار، وذلك بمعالجة حمضية وحرارية مُدمجة. يحتوي المنتج الناتج على أكثر من 99% من السيليكا، ويتميز بدرجة عالية من التبلور ومساحة سطحية نوعية كبيرة (أكثر من 800 م² ^/ غ). تتمتع سيليكا الفوجاسيت بثبات حراري وحمضي عالٍ للغاية. فعلى سبيل المثال، تحافظ على درجة عالية من الترتيب الجزيئي بعيد المدى أو التبلور حتى بعد غليها في حمض الهيدروكلوريك المركز . ^{[ 18 ]}

تُظهر السيليكا المنصهرة عدة خصائص فيزيائية مميزة تُشبه تلك الموجودة في الماء السائل : تمدد حراري سلبي، وكثافة قصوى عند درجات حرارة تقارب 5000  درجة مئوية، وسعة حرارية دنيا. ^{[ 19 ]} تنخفض كثافتها من 2.08  غ/سم³ ^عند 1950  درجة مئوية إلى 2.03  غ/سم³ ^عند 2200  درجة مئوية. ^{[ 20 ]}

يتميز جزيء ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂ ₎ ببنية خطية مشابهة لثاني أكسيد الكربون (CO₂ ₎ . وقد تم إنتاجه بدمج أحادي أكسيد السيليكون (SiO) مع الأكسجين في مصفوفة من الأرجون . أما ثنائي أكسيد السيليكون (SiO₂ ₎ ₂ _، فقد تم الحصول عليه بتفاعل الأكسجين (O₂ ₎ مع أحادي أكسيد السيليكون (Si₂O₂) المعزول في مصفوفة _{. يحتوي} ثنائي أكسيد السيليكون على ذرتي أكسجين تربطان ذرتي السيليكون بزاوية Si–O–Si مقدارها 94° وطول رابطة 164.6 بيكومتر، بينما يبلغ طول رابطة Si–O الطرفية 150.2 بيكومتر. يبلغ طول رابطة Si–O 148.3  بيكومتر، وهو ما يُقارن بطولها البالغ 161  بيكومتر في الكوارتز ألفا. وتُقدّر طاقة الرابطة بـ 621.7 كيلوجول/مول. ^{[ 21 ]}

يُعدّ ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂ ₎ أكثر المعادن شيوعًا في الطبيعة على شكل كوارتز ، الذي يُشكّل أكثر من 10% من كتلة قشرة الأرض. ^{[ 22 ]} الكوارتز هو الشكل البلوري الوحيد للسيليكا المستقر على سطح الأرض. وقد وُجدت تراكيب شبه مستقرة من الكوسيت والستيشوفيت ، وهما شكلان ناتجان عن الضغط العالي، حول هياكل ناتجة عن اصطدامات نيزكية ، ومرتبطان بالإكلوجيت المتكون أثناء التحول عالي الضغط . كما تُعرف أشكال الترايديميت والكريستوباليت ، وهما شكلان ناتجان عن درجات حرارة عالية، من الصخور البركانية الغنية بالسيليكا . وفي أجزاء كثيرة من العالم، تُشكّل السيليكا المكون الرئيسي للرمال . ^{[ 23 ]}

على الرغم من قلة ذوبانها، توجد السيليكا في العديد من النباتات مثل الأرز . ويبدو أن المواد النباتية الغنية بالسيليكا ذات أهمية للحيوانات الرعوية، بدءًا من الحشرات القارضة وصولًا إلى ذوات الحوافر . تُسرّع السيليكا من تآكل الأسنان، وقد تكون المستويات العالية من السيليكا في النباتات التي تتغذى عليها الحشرات بكثرة قد تطورت كآلية دفاعية ضد الافتراس. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

كما أن السيليكا هي المكون الأساسي لرماد قشور الأرز ، والذي يستخدم، على سبيل المثال، في الترشيح وكمادة إسمنتية تكميلية في صناعة الإسمنت والخرسانة . ^{[ 26 ]}

يُعدّ التسيليكات داخل الخلايا وبواسطتها ظاهرة شائعة في العالم البيولوجي، ويحدث في البكتيريا، والطلائعيات، والنباتات، والحيوانات (اللافقاريات والفقاريات). ^{[ 27 ]}

ومن الأمثلة البارزة ما يلي:

• [ 6 ]​​​​​​​^​​​
• توجد السيليكا النباتية في خلايا العديد من النباتات ^{[ 28 ]} بما في ذلك الفصيلة ذيل الحصان ^{[ 29 ]} والعديد من الأعشاب ، ومجموعة واسعة من ذوات الفلقتين . ^{[ 30 ] [ 31 ]}
• الشويكات التي تشكل الهيكل العظمي للعديد من الإسفنج . ^{[ 32 ]}

يُستخدم حوالي 95% من ثاني أكسيد السيليكون (الرمل) تجارياً في صناعة البناء، على سبيل المثال في إنتاج الخرسانة ( خرسانة أسمنت بورتلاند ). ^{[ 22 ]}

تُعدّ بعض رواسب رمال السيليكا، ذات الحجم والشكل المناسبين للجزيئات والمحتوى الطيني والمعادن الأخرى المرغوبة، ذات أهمية بالغة في صبّ المنتجات المعدنية بالرمل. ^{[ 33 ]} تسمح درجة انصهار السيليكا العالية باستخدامها في تطبيقات مثل صبّ الحديد؛ بينما تستخدم تقنيات صبّ الرمل الحديثة أحيانًا معادن أخرى لأسباب مختلفة.

تُستخدم السيليكا البلورية في التكسير الهيدروليكي للتكوينات التي تحتوي على النفط الصخري والغاز الصخري . ^{[ 34 ]}

السيليكا هي المكون الأساسي في صناعة معظم أنواع الزجاج . عند صهر معادن أخرى مع السيليكا، يؤدي مبدأ انخفاض درجة التجمد إلى خفض درجة انصهار الخليط وزيادة سيولته. تبلغ درجة حرارة التحول الزجاجي لثاني أكسيد السيليكون النقي (SiO₂ ₎ حوالي 1475 كلفن. ^{[ 35 ]} عند تبريد ثاني أكسيد السيليكون المنصهر (SiO₂ ₎ بسرعة، فإنه لا يتبلور، بل يتصلب على شكل زجاج. ^{[ 36 ]} لهذا السبب، تحتوي معظم طلاءات السيراميك على السيليكا كمكون رئيسي. ^{[ 37 ]}

تتشابه البنية الهندسية للسيليكون والأكسجين في الزجاج مع تلك الموجودة في الكوارتز ومعظم الأشكال البلورية الأخرى للسيليكون والأكسجين، حيث يُحاط السيليكون برباعيات أوجه منتظمة من مراكز الأكسجين. ويكمن الاختلاف بين الشكلين الزجاجي والبلوري في ترابط الوحدات رباعية الأوجه: فعلى الرغم من عدم وجود دورية طويلة المدى في الشبكة الزجاجية، إلا أن الترتيب يبقى قائماً على أطوال تتجاوز بكثير طول رابطة SiO. ومن أمثلة هذا الترتيب تفضيل تكوين حلقات من سداسي رباعي الأوجه. ^{[ 38 ]}

تُصنع غالبية الألياف الضوئية المستخدمة في الاتصالات من السيليكا. وهي مادة خام أساسية للعديد من أنواع السيراميك مثل الفخار والخزف الحجري والبورسلين .

يُستخدم ثاني أكسيد السيليكون لإنتاج السيليكون العنصري . تتضمن العملية الاختزال الكربوني الحراري في فرن القوس الكهربائي : ^{[ 39 ]}

${\displaystyle {\ce {SiO2 + 2 C -> Si + 2 CO}}}$

يتم تحضير السيليكا المدخنة ، والمعروفة أيضًا باسم السيليكا الحرارية، عن طريق حرق SiCl ₄ في لهب الهيدروجين الغني بالأكسجين لإنتاج "دخان" من SiO _2. ^{[ 15 ]}

${\displaystyle {\ce {SiCl4 + 2 H2 + O2 -> SiO2 + 4 HCl}}}$

يمكن إنتاجه أيضًا عن طريق تبخير رمل الكوارتز في  قوس كهربائي عند درجة حرارة 3000 درجة مئوية. ينتج عن كلتا العمليتين قطرات مجهرية من السيليكا غير المتبلورة تندمج لتشكل جزيئات ثانوية ثلاثية الأبعاد متفرعة تشبه السلاسل، والتي تتكتل بدورها لتشكل جزيئات ثالثية، وهي عبارة عن مسحوق أبيض ذي كثافة منخفضة للغاية (0.03-0.15 جم/سم³ ⁾ وبالتالي مساحة سطحية عالية. ^{[ 40 ]} تعمل هذه الجزيئات كعامل مُكثِّف انسيابي ، أو كعامل مضاد للتكتل، ويمكن معالجتها لجعلها محبة للماء أو كارهة للماء، سواءً لتطبيقات الماء أو السوائل العضوية.

غبار السيليكا مسحوق فائق النعومة يُجمع كمنتج ثانوي لإنتاج السيليكون وسبائك الفيروسليكون . يتكون من جزيئات كروية غير متبلورة (غير بلورية) بقطر متوسط ​​يبلغ 150  نانومتر، دون تفرعات ناتجة عن عملية الاحتراق. يُستخدم بشكل أساسي كمادة بوزولانية للخرسانة عالية الأداء. ويمكن استخدام جزيئات السيليكا النانوية المدخنة بنجاح كعامل مضاد للشيخوخة في مواد ربط الأسفلت. ^{[ 41 ]}

السيليكا، سواء كانت غروانية أو مترسبة أو مُبخرة حرارياً، مادة مضافة شائعة في صناعة الأغذية. تُستخدم بشكل أساسي كعامل انسيابية أو مانع للتكتل في الأطعمة المسحوقة مثل التوابل ومبيضات القهوة غير الألبانية، أو في المساحيق التي تُصنع منها الأقراص الدوائية. ^{[ 40 ]} كما أنها قادرة على امتصاص الماء في التطبيقات المُستَرطِبة . تُستخدم السيليكا الغروانية كعامل ترويق للنبيذ والبيرة والعصائر، ويرمز لها بالرقم E551 . ^{[ 22 ]}

في مجال مستحضرات التجميل، يُعد السيليكا مفيدًا لخصائصه في تشتيت الضوء ^{[ 42 ]} وقدرته الطبيعية على الامتصاص. ^{[ 43 ]}

يُستخدم التراب الدياتومي ، وهو منتج مستخرج من المناجم، في الأغذية ومستحضرات التجميل منذ قرون. ويتكون من قشور السيليكا للدياتومات المجهرية ؛ وفي شكل أقل معالجة، كان يُباع كمسحوق للأسنان . ^{[ 44 ] [ 45 ]} وتُستخدم السيليكا المائية، سواء المصنعة أو المستخرجة من المناجم، كمادة كاشطة صلبة في معجون الأسنان .

يُستخدم ثاني أكسيد السيليكون على نطاق واسع في تكنولوجيا أشباه الموصلات:

• للتخميل الأولي (مباشرة على سطح أشباه الموصلات)،
• كعازل بوابة أصلي في تقنية MOS . اليوم، ومع تقدم عملية تصغير الأبعاد (طول بوابة ترانزستور MOS) إلى أقل من 10  نانومتر، تم استبدال ثاني أكسيد السيليكون بمواد عازلة أخرى مثل أكسيد الهافنيوم أو مواد مشابهة ذات ثابت عزل كهربائي أعلى مقارنة بثاني أكسيد السيليكون.
• كطبقة عازلة بين طبقات المعدن (الأسلاك) (أحيانًا تصل إلى 8-10 طبقات) لتوصيل العناصر و
• كطبقة تخميل ثانية (لحماية عناصر أشباه الموصلات وطبقات التمعدن) يتم وضعها اليوم عادة مع بعض المواد العازلة الأخرى مثل نتريد السيليكون .

نظرًا لأن ثاني أكسيد السيليكون هو أكسيد طبيعي للسيليكون، فإنه يستخدم على نطاق أوسع مقارنة بأشباه الموصلات الأخرى مثل زرنيخيد الغاليوم أو فوسفيد الإنديوم .

يمكن تنمية ثاني أكسيد السيليكون على سطح أشباه الموصلات السيليكونية . ^{[ 46 ]} يمكن لطبقات أكسيد السيليكون حماية أسطح السيليكون أثناء عمليات الانتشار ، ويمكن استخدامها لحجب الانتشار. ^{[ 47 ] [ 48 ]}

التخميل السطحي هو عملية يتم من خلالها جعل سطح أشباه الموصلات خاملاً، فلا تتغير خصائصه نتيجة تفاعله مع الهواء أو المواد الأخرى الملامسة لسطح البلورة أو حافتها. ^{[ 49 ] [ 50 ]} يؤدي تكوين طبقة من ثاني أكسيد السيليكون المُنمّى حراريًا إلى تقليل تركيز الحالات الإلكترونية على سطح السيليكون بشكل كبير . ^{[ 50 ]} تحافظ أغشية _ثاني أكسيد السيليكون على الخصائص الكهربائية لوصلات p-n وتمنع تدهور هذه الخصائص بفعل البيئة الغازية المحيطة. ^{[ 48 ]} يمكن استخدام طبقات أكسيد السيليكون لتحقيق استقرار كهربائي لأسطح السيليكون. [ ^{47 ] تُعد} عملية التخميل السطحي طريقة مهمة في تصنيع أجهزة أشباه الموصلات ، وتتضمن تغطية رقاقة السيليكون بطبقة عازلة من أكسيد السيليكون، مما يسمح للكهرباء بالوصول إلى السيليكون الموصل الموجود أسفلها بشكل موثوق. يُمكّن نمو طبقة من ثاني أكسيد السيليكون فوق رقاقة السيليكون من التغلب على حالات السطح التي تمنع وصول الكهرباء إلى طبقة أشباه الموصلات. ^{[ 49 ] [ 51 ]}

تُعدّ عملية تخميل سطح السيليكون بالأكسدة الحرارية (ثاني أكسيد السيليكون) بالغة الأهمية لصناعة أشباه الموصلات . وتُستخدم هذه العملية بشكل شائع في تصنيع ترانزستورات تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة (MOSFETs) ورقائق الدوائر المتكاملة المصنوعة من السيليكون (باستخدام عملية التصنيع المستوية ). ^{[ 49 ] [ 51 ]}

تُستخدم السيليكا الكارهة للماء كمكون مضاد للرغوة .

وباعتبارها مادة حرارية ، فهي مفيدة في شكل ألياف كنسيج واقٍ حراري عالي الحرارة . ^{[ 52 ]}

تُستخدم السيليكا في استخلاص الحمض النووي DNA والحمض النووي الريبي RNA نظرًا لقدرتها على الارتباط بالأحماض النووية في وجود المواد الفوضوية . ^{[ 53 ]}

استُخدم هلام السيليكا الهوائي في المركبة الفضائية ستارداست لجمع الجسيمات من خارج كوكب الأرض. ^{[ 54 ]}

يمكن استخدام السيليكا النقية (ثاني أكسيد السيليكون)، عند تبريدها على شكل كوارتز منصهر لتتحول إلى زجاج بدون نقطة انصهار حقيقية، كألياف زجاجية لصناعة الألياف الزجاجية. تحتوي الألياف الزجاجية على السيليكا، وهي عنصر أساسي في تركيبها، حيث تشكل عادةً حوالي 65% من المادة. تُدمج السيليكا مع مركبات أخرى لإنتاج الألياف الزجاجية المستخدمة في منتجات الألياف الزجاجية.

تُنتَج السيليكا المترسبة أو السيليكا غير المتبلورة عن طريق تحميض محاليل سيليكات الصوديوم . يُغسل الراسب الهلامي، أو هلام السيليكا ، أولًا ثم يُجفف لإنتاج سيليكا دقيقة المسام عديمة اللون. ^{[ 15 ]} المعادلة المثالية التي تتضمن ثلاثي السيليكات وحمض الكبريتيك هي:

${\displaystyle {\ce {Na2Si3O7 + H2SO4 -> 3 SiO2 + Na2SO4 + H2O}}}$

تم إنتاج ما يقرب من مليار كيلوغرام/سنة (1999) من السيليكا بهذه الطريقة، بشكل رئيسي لاستخدامها في مركبات البوليمر - الإطارات ونعال الأحذية. ^{[ 22 ]}

تنمو أغشية رقيقة من السيليكا تلقائيًا على رقائق السيليكون عبر الأكسدة الحرارية ، مُنتجةً طبقةً رقيقةً جدًا بسمك حوالي 1 نانومتر أو 10 أنغستروم مما يُسمى بالأكسيد الطبيعي. ^{[ 57 ]} تُستخدم درجات حرارة أعلى وبيئات بديلة لترسيب طبقات مُحكمة التحكم من ثاني أكسيد السيليكون على السيليكون، على سبيل المثال عند درجات حرارة تتراوح بين 600 و1200  درجة مئوية، باستخدام ما يُسمى بالأكسدة الجافة بالأكسجين _.

${\displaystyle {\ce {Si + O2 -> SiO2}}}$

أو الأكسدة الرطبة باستخدام _H2O . ^{[ 58 ] [ 59 ]}

${\displaystyle {\ce {Si + 2 H2O -> SiO2 + 2 H2}}}$

تُعد طبقة الأكسيد الطبيعية مفيدة في الإلكترونيات الدقيقة ، حيث تعمل كعازل كهربائي يتمتع بثبات كيميائي عالٍ. فهي تحمي السيليكون، وتخزن الشحنة، وتمنع مرور التيار، بل وتعمل كمسار مُتحكم فيه للحد من تدفق التيار. ^{[ 60 ]}

"تكون قابلية الذوبان معدومة تقريبًا عند درجات حرارة أقل من 200 درجة مئوية، وتزداد إلى حد أقصى قدره 0.20 جزء من السيليكا لكل 100 جزء من الماء عند 360 درجة مئوية." ^{[ 68 ]}

تعتمد ذوبانية ثاني أكسيد السيليكون في الماء بشكل كبير على شكله البلوري، وتكون أعلى بثلاث إلى أربع مرات في السيليكا غير المتبلورة مقارنةً بالكوارتز؛ وتصل ذروتها عند حوالي 340 درجة مئوية (644 درجة فهرنهايت) كدالة لدرجة الحرارة . ^{[ 69 ]} تُستغل هذه الخاصية لإنماء بلورات أحادية من الكوارتز في عملية حرارية مائية، حيث يُذاب الكوارتز الطبيعي في ماء فائق التسخين داخل وعاء ضغط يكون الجزء العلوي منه أبرد. ويمكن إنماء بلورات يتراوح وزنها بين 0.5 و1 كيلوغرام خلال شهر إلى شهرين. ^{[ 12 ]} تُعد هذه البلورات مصدرًا للكوارتز عالي النقاء للاستخدام في التطبيقات الإلكترونية. ^{[ 15 ]} عند تجاوز درجة الحرارة الحرجة للماء، وهي 647.096 كلفن (373.946 درجة مئوية؛ 705.103 درجة فهرنهايت) ، وضغط 22.064 ميجاباسكال (3200.1 رطل لكل بوصة مربعة) أو أعلى، يصبح الماء سائلًا فوق حرج ، وتكون الذوبانية أعلى مرة أخرى مما هي عليه عند درجات الحرارة المنخفضة. ^{[ 70 ]}       

يُعدّ السيليكا من المخاطر المهنية للعاملين في مجال السفع الرملي أو الذين يتعاملون مع منتجات السيليكا البلورية المسحوقة. قد يُسبب السيليكا غير المتبلور، مثل السيليكا المدخنة، تلفًا رئويًا لا رجعة فيه في بعض الحالات، ولكنه لا يرتبط بتطور داء السيليكا. ويمكن أن يتأثر الأطفال، ومرضى الربو من جميع الأعمار، والأشخاص الذين يعانون من الحساسية ، وكبار السن (الذين يعانون جميعًا من انخفاض سعة الرئة ) في وقت أقل. ^{[ 76 ]}

تُشكل السيليكا البلورية خطراً مهنياً على العاملين في مجال تركيب أسطح المطابخ الحجرية ، إذ تُنتج عملية قطعها وتركيبها كميات كبيرة من السيليكا المتطايرة في الهواء. ^{[ 77 ]} كما تُشكل السيليكا البلورية المستخدمة في التكسير الهيدروليكي خطراً صحياً على العمال. ^{[ 34 ]}

لا تذوب جزيئات السيليكا البلورية في الجسم خلال فترات زمنية ذات أهمية سريرية. يمكن لبلورات السيليكا داخل الرئتين أن تُنشّط مُركّب NLRP3 الالتهابي داخل الخلايا البلعمية والخلايا المتغصنة ، مما يؤدي إلى إنتاج الإنترلوكين ، وهو سيتوكين مُحفّز للالتهاب في الجهاز المناعي. ^{[ 78 ] [ 79 ] [ 80 ]}

تنص اللوائح التي تقيد التعرض للسيليكا "فيما يتعلق بخطر الإصابة بداء السيليكا" على أنها معنية فقط بالسيليكا، وهي مادة بلورية ومكونة للغبار. ^{[ 81 ] [ 82 ] [ 83 ] [ 84 ] [ 85 ] [ 86 ]}

في عام 2013، خفّضت إدارة السلامة والصحة المهنية الأمريكية (OSHA) حدّ التعرّض إلى 50 ميكروغرام /م³ ^من الهواء. قبل ذلك التاريخ، كانت تسمح بـ 100  ميكروغرام/م³، ^بل و250  ميكروغرام/م³ ^لدى عمال البناء . ^{[ 34 ]} وفي العام نفسه، اشترطت OSHA أيضًا "الإكمال الأخضر" لآبار التكسير الهيدروليكي للحدّ من التعرّض للسيليكا البلورية وتقييد حدّ التعرّض. ^{[ 34 ]}