二氧化硅（）

二氧化硅是制造冶金硅的主要原料之一，SiO2的同质多晶变体很多，其中最常见的、在地球上分布最广的是低温石英，即β－石英，一般称为石英。而高温石英（α－石英）则少见，SiO2的高温变体（鳞石英、方石英等）在自然界少见，而多存在于人造硅酸盐制品中。石英是分布很广的矿物。在地壳中石英成分占12%，仅次于长石。纯净的石英又称为水晶，是一种坚硬、脆性、难溶的无色透明固体。石英在不同温度下的几种同质异构转变如图2－4所示。

图2－4　石英在不同温度下的几种同质异构转变

石英为原子晶体，其中每个硅原子以SP3杂化形式同4个氧原子结合，形成SiO4四面体结构单元。SiO4四面体间通过共用顶角的氧原子而彼此相连，由此形成硅氧网格形式的二氧化硅晶体（图2－5）。二氧化硅的最简式是SiO2，但它不代表一个简单分子。

石英砂即二氧化硅在高温下能与碳反应生成硅，其反应式为

图2－5　SiO4四面体及SiO2的晶体结构示意图

这是制备冶金级硅的方法。在高温下，二氧化硅与焦炭反应，生成液相的硅沉入电弧炉底部，此时用铁做催化剂可有效阻止碳化硅的形成。在电弧炉底部开孔可将液相硅收集，凝固后可得冶金级硅。

制备冶金硅的石英要求纯度较高（98．5%以上）并且一定的粒度，所以适用的主要是脉石英和石英砂。脉石英是一种火成岩，是由酸性岩浆分异后，发育于其他岩石的缝隙之中而形成的矿脉。脉石英主要由SiO2结晶的集合体连生在一起而组成，具有平坦的或鳞纹状断口脉石英中有许多呈透明或乳白色，是制造硅的优良原料。我国的蕴藏量也相当丰富。石英砂，包括河砂、海砂、湖砂等，是一种沉积砂矿。它是由含石英的矿石经自然力破碎、冲击而成，如其中二氧化硅成分含量较高就可以作为冶炼硅的原料。石英砂的加工主要是用水洗掉黏土等杂质和进行筛分，一般不需进行破碎作业。所以，它的开采、加工成本较低，出矿价格只有脉石英加工砂的一半左右。我国广东省新会县就供应这种河砂。

二氧化硅能与HF反应：

二氧化硅是酸性氧化物，它是硅酸的酸酐，SiO2不溶于水，但能与热的浓碱溶液反应生成硅酸盐，反应较快。SiO2和熔融的碱反应更快。如：

二氧化硅也可以与某些碱性氧化物或某些含氧盐发生反应生成相应的硅酸盐。如：

二氧化硅除了石英外，还有其他的形态，如白炭黑是在特殊设计的炉子里在1 370K下用四氯化硅在氧气流经过气相氧化制得的。这种白烟状硅石聚集在旋转的冷滚筒上，被刮刀刮下，成为密度很小（64kg/m3）轻似绒毛的粉末。白炭黑通常是极纯的（99．8%）的二氧化硅，电子显微镜鉴定表示有极小硅石颗粒的链、环，这些极小颗粒的直径大约是10nm，并有150～500m3/g的有效面积。白炭黑就是利用它的这种非常细小颗粒和极大的表面积。白炭黑是硅氧烷橡胶里的主要增强填料，跟炭黑填料相比，它具有化学惰性，不会与硫化而引入的过氧化物反应。

石英1 600℃熔化成黏稠液体，其结构单元处于无规则状态，急剧冷却时，因不易结晶而形成石英玻璃。石英玻璃是无定形二氧化硅，原子排布是杂乱的。硅藻土和燧石也是无定形二氧化硅。