二氧化硅（硅 dioxide），是一種無色至灰色透明的固體，除了少數屬石英晶體外，大多數均屬無定形二氧化硅或稱二氧化硅玻璃。二氧化硅的最簡式是SiO?，但它并不代表一個簡單分子，僅表示二氧化硅晶體中硅和氧的原子個數之比，硅原子和氧原子長程有序排列形成晶態二氧化硅，短程有序或長程無序排列形成非晶態二氧化硅。結晶態二氧化硅熔點是1713℃，沸點2590℃，無定形二氧化硅沒有固定的熔點；晶體的軟化溫度為1500℃；二氧化硅的化學性質很不活潑，常溫下很難與其它物質反應。
SiO2的同質多晶變體很多，其中最常見的在地球上分布最廣的是低溫石英（α–石英）。而高溫石英（β–石英）則少見，SiO2的高溫變體（鱗石英、方石英等）在自然界少見，而多存在于人造硅酸鹽制品中。在地殼中石英成分占12%，僅次于長石。盡管二氧化硅的溶解度很差，但二氧化硅也存在于許多動植物中。
二氧化硅的應用廣泛，在半導體領域，二氧化硅可作為掩模、芯片的鈍化和保護膜、電隔離膜、元器件的組成部分等在現代硅基微電子芯片制造中起著十分關鍵的作用；在造紙工業中，二氧化硅作為填料能提高紙張的白度、使紙張質量輕化，適合高速印刷，還是彩噴紙涂料的首選顏料；在建筑領域，二氧化硅作為基本材料應用的典型例子就是建筑玻璃；在醫藥領域，是良好的藥物輔料；在食品領域，可制作干燥劑；在阻燃領域，二氧化硅納米顆粒可以層層“組裝”在紡織品上，以延長著火時間，降低織物的熱釋放率峰值；在化妝品領域，把它配在化妝用化妝品中時,可得到柔軟延展性良好的化妝品；在農業領域，對害蟲和螨形總目均有較高的殺傷效力。
發現歷史
在古代，二氧化硅對人類就十分重要，如石英的一種形態叫燧石，在舊石器時代和新石器時代被用作工具和武器，后來被用作陶器。由硅酸鹽制備的玻璃可以追溯到公元前12000年。中國在商周時期，隨著青銅冶煉業的興盛發達，孕育了玻璃的誕生。戰國以后，手工業的專業化發展，使玻璃制造成為獨立部門。
為了制SiO2，1979年德國加工了約1000萬噸石英原料，從石英原料中提取二氧化硅。后續SiO2的生產方法逐漸更新，出現了碳分法、沉淀法、氣相法等生產二氧化硅的方法。
物質結構
二氧化硅晶體是通過Si原子sp3雜化結合四個O原子形成的SiO4四面體組成的三維網絡立體結構，屬于原子晶體。它有多種變體，差異表現在SiO4四面體的排列方式不同。方石英的結構與金剛石相似，如下圖所示。
SiO2的存在形式有很多，是同一物質在自然界中以多種形式存在的典型代表。天然SiO2的主要存在形式如下：
晶態：二氧化硅根據晶型的不同，在自然界存在著三種不同的形態：α石英、鱗石英、方石英（白硅石）。若含有微量雜質，則為巖晶、紫水晶、煙水晶、美晶石。天然石英是花崗石、砂巖的主要成分。這幾種不同形態的二氧化硅又各有高溫型和低溫型兩種變體。結晶態二氧化硅不同的晶型（詳情見下表），各種不同晶型的存在范圍、轉化情況如下圖所示。
無定形態：蛋白石、硅藻土等。無定形態是二氧化硅含水的膠體凝固后形成的。
隱晶態：瑪瑙、碧玉等。隱晶態是晶體礦物與非晶質礦物的過渡，是二氧化硅晶體膠化脫水后形成的。
玻璃態：科石英、黑耀石等。玻璃態就是一種非晶體，組成原子不存在結構上的長程有序或平移對稱性，可以看成是保持類玻璃特性的固體狀態。科石英和黑曜石被認為是在大塊隕石撞擊地面的超高壓環境下形成的高密度物質。
此外，還有人工合成的凱石英、W-硅石等。
SiO2的主要晶態是石英。純石英是二氧化硅的完美結晶，為無色晶體。大而透明的棱柱狀的石英叫作水晶。
理化性質
物理性質
二氧化硅是一種無色透明至灰色的固體，除了少數屬石英晶體外，大多數均屬無定形二氧化硅或稱二氧化硅玻璃。難溶于水，晶態二氧化硅熔點是1723℃，沸點2230℃，不溶于水，無定形二氧化硅沒有固定的熔點；晶體的軟化溫度為1500℃，密度一般在2.0～2.3之間；密度越大，折射率也越大；二氧化硅的電阻率，因制備方法不同而存在差異，如熱生長的二氧化硅薄膜的電阻率可達1015～1016Ω·cm，但采用陽極氧化和熱分解淀積生成的二氧化硅膜的電阻率卻只有107~108Ω·cm；二氧化硅也是一種良好的電介質，其介電強度可以高達106～107V/m，介電常數約3.9。二氧化硅其他的一些物理性質數據如下表所示。
化學性質
二氧化硅的化學性質很不活潑，常溫下很難與其它物質反應。它不溶于水，也不溶于大多數的酸，但能與氫氟酸（HF）反應，形成揮發的四氟化硅：
如果氫氟[fú]酸過量，生成的四氟化硅能進一步與氫氟酸反應，生成可溶于水的配位化合物一六氟硅酸：
即
因為玻璃的主要成分是二氧化硅，因此當玻璃與氫氟酸接觸時，表面上的二氧化硅被溶解，利用此性質可在玻璃上刻字。氫氟酸也不能存放在玻璃容器中。
二氧化硅在高溫下與元素硅反應可制得SiO，也能和氟化鈣CaF2（螢石的主要成分）發生反應生成揮發的四氟化硅，其方程式為：
在高溫下二氧化硅還能與少數活潑金屬反應而被還原。
二氧化硅在高溫下能與碳反應生成硅，其反應式為：
這是制備冶金級硅的方法。在高溫下，二氧化硅與焦炭反應，生成液相的硅沉入電弧爐底部，此時用鐵做催化劑可有效阻止碳化硅的形成。在電弧爐底部開孔可將液相硅收集，凝固后可得冶金級硅。
二氧化硅是酸性氧化物，在一定條件下能與堿性氧化物共熔，生成硅酸鹽。當二氧化硅中的Si-O-Si鍵相繼斷裂時形成硅酸鹽和玻璃。二氧化硅跟熱的濃強堿溶液或熔融的堿反應生成硅酸鹽和水。例如，氧化鈉和 SiO2的反應可以產生原硅酸鈉、硅酸鈉和玻璃。
二氧化硅在焦炭存在下與氯氣可以發生反應，生產氯化硅和一氧化碳，方程式如下：
應用領域
半導體領域
二氧化硅薄膜在現代硅基微電子芯片制造中起著十分關鍵的作用。二氧化硅能阻擋硼、磷等雜質向硅中擴散，利用這一性質與光刻技術結合可實現制造硅芯片的平面工藝。二氧化硅在微電子工藝中的重要的作用，主要體現在4個方面：作為掩模、作為芯片的鈍化和保護膜、作為電隔離膜、元器件的組成部分。
造紙領域
在造紙工業中，二氧化硅作為填料能提高紙張的白度、使紙張質量輕化，適合高速印刷。添加二氧化硅的紙張其耐磨、手感、不透明性和光澤等性能優于不加二氧化硅的紙張。其次，二氧化硅因其粒徑小、比表面積大、吸油量高、多孔的特點也是彩噴紙涂料的首選顏料，當彩色噴墨打印時，二氧化硅和氧化鋁顏料在涂層中形成含有大量微孔的網絡，對墨滴起吸住并固著作用。
醫藥領域
二氧化硅是一種常用的藥物輔料，可作為潤滑劑、崩解劑、微型膠囊材料或干燥劑使用。
潤滑劑：二氧化硅是一種優良的流動促進劑，主要作潤滑劑、抗黏劑、助流劑。特別適宜油類、浸膏類藥物的制粒，制成的顆粒具有很好的流動性和可壓性。還可以在直接壓片中用作助流劑。
崩解劑：二氧化硅可大大改善顆粒流動性，提高松密度，使制得的片劑硬度增加，縮短崩解時限，提高藥物溶出速度。
微囊材料：二氧化硅也是微囊材料之一，在囊中加入二氧化硅，能使微囊的密度和比表面積增加，流動性增強。
提取脫氧核糖核酸和核糖核酸：用含有促溶劑如GuSCN或GuHCl的裂解緩沖液裂解細胞，使DNA和RNA釋放出來，結合至二氧化硅上，可以提純DNA和RNA。
其他應用：二氧化硅在顆粒劑制造中可作內干燥劑，以增強藥物的穩定性。還可以作助濾劑、澄清劑、消泡劑以及液體制劑的助懸劑、增稠劑。
建筑領域
在建筑領域中，二氧化硅作為基本材料應用的典型例子就是建筑玻璃（通常稱平板玻璃），利用二氧化硅特有的光學透過特性和網絡微結構特性，以二氧化硅為基材（占平板玻璃成分的71%~73%），形成玻璃的“骨架”，加入Na、K、Mg和Al等氧化物，以及對應的輔助原料，通過控制各種配料成分及工藝參數，就能夠生產不同特性的平板玻璃，主要用于窗玻璃、建筑玻璃及車玻璃等。氣相二氧化硅納米粒子可以成功地用作橡膠、瀝青粘合劑中的抗老化劑。
石油鉆探領域
以無機化合物納米二氧化硅粒子為聯接基制造的納米復合材料做鉆井液降濾濕處理劑在鉆井技術中得到廣泛應用，一項對其在鉆井液中的降濾失性能研究表明，該材料在鉆井液中的黏度效應小，熱穩定性好，抗鹽抗鈣能力強， 用該材料處理的鉆井液最高在220℃高溫老化后其濾失量仍然較低。
光學領域
在光學技術領域中，二氧化硅作為基本材料應用的典型例子就是各種光學玻璃，基本工藝流程類似于平板玻璃，只是對原材料、工藝流程和參數要求更加嚴格、細致，代表性產品為K9光學玻璃。在整個可見光及近紅外光譜范圍內，呈現極高的透光特性和穩定性。
食品領域
供食品用的二氧化硅是無定形物質，依制法不同分膠體硅和濕法硅兩種。膠體硅為白色、蓬松、無砂的精細粉末。濕法硅為白色、蓬松粉末或白色微孔珠或顆粒。用于防止粉狀或結晶狀食品聚焦、板結，以保持其流質狀。常用作抗結劑、懸浮劑、消泡劑等
二氧化硅用于抗結劑，屬食品添加劑范圍，主要用于粉狀食品的流動劑或防結塊劑，或制成片劑的粉劑。GB2760—2014《食品添加劑使用標準》規定：二氧化硅可用于香辛料、固體復合調味料、奶粉、奶油粉及其調制品、可可制品、脫水蛋制品、固體飲料類、速溶咖啡等產品，最大添加量為20g/kg。美國食品藥品監督管理局規定二氧化硅在食品中的用量不得超過2%。FAO/WHO（2001）規定最大使用量為15g/kg。
阻燃領域
納米技術是一種新興技術，是合成阻燃劑的一個重要的途徑，阻燃劑已廣泛應用于阻燃紡織品。納米顆粒可以作為屏障來限制熱量、燃料和氧氣。阻燃性也可以通過納米結構的應用來實現。二氧化硅納米顆粒可以層層“組裝”在紡織品上，以延長著火時間，降低織物的熱釋放率峰值。
化妝品領域
半球形二氧化硅可吸納適量油脂（控油作用），能為皮膚帶來爽滑、柔嫩的粉質觸感；可強化柔焦效果，視覺上改善皮膚皺紋，有效掩蓋細紋而不堵塞毛孔；耐高溫、穩定、不易遷移，效果持久；提高色彩飽和度，用在防曬品中，可有效提高防曬值并改善涂抹鋪展性。另外，它吸油量少, 把它配在化妝用化妝品中時, 可得到柔軟延展性良好的化妝品。
農業領域
沉淀二氧化硅和二氧化硅氣溶膠對害蟲和螨形總目均有較高的殺傷效力。二氧化硅與通常的害物防治劑的殺蟲脒效果是以 “擊倒時間”和害蟲死亡前的時間之比計算出來的相對數值作比較的。實驗時，用相同的方法將粉劑噴到蜚蠊目、實蠅科、家蠅和等翅目等各種害蟲上，用其他施藥方法代替噴粉時，效果較差 。合成二氧化硅 對家禽外寄生昆蟲和威脅爬行幼物的節肢動物門的殺滅效果也相當好，并已用Aerosil和沉淀二氧化硅進行了相應的實驗。對鳥身上的雞皮刺螨也有防治效果。
毒性
塵肺致病機理
游離二氧化硅以兩種形式存在，無定型和結晶型。無定型二氧化硅沒有明顯的致病性，只引起輕度纖維化和細胞反應。結晶型二氧化硅由于密度及分子構象的差別，它們的致纖維化能力不同，二氧化硅毒性和致病能力均有賴于粉塵顆粒物理（機械）的和化學的特征。
人體吸入二氧化硅后，肺組織病理學改變，慢性反應性細胞的情況、肺纖維化過程和實驗動物模型及體內的研究手段可以幫助我們了解砂肺發病機制中，AMs、支氣管肺泡上皮細胞、成纖維細胞及其它類型細胞的分子和功能改變情況。炎癥反應和纖維化，以及細胞增殖和抗氧化系統有關的基因表達，與粉塵的吸入呈良好的劑量關系模式。低強度的二氧化硅暴露引起可逆性炎癥損傷和塵細胞的焦點聚集，而無礙肺組織的正常結構；高強度的暴露，則可誘發強烈的、持續的炎癥改變，使肺部各部位細胞增殖，膠原蛋白及間質細胞產生的其它細胞外基質成份過度沉積。AMs被認為是肺纖維化發生過程中，肺防御機制以及生長因子和活性氧產生的關鍵性的細胞類型。另外，在二氧化硅暴露的實驗性大鼠肺中可以觀察到，免疫系統的各種類型的細胞，包括中性粒細胞、T-淋巴細胞和肥大細胞，在支氣管肺泡灌洗和/或肺間質中聚集，并對肺纖維化發生有一定作用。
二氧化硅吸入引起肺纖維化過程中，最先發生肺泡I型上皮細胞損傷，隨后是Ⅱ型上皮細胞代償性增生和肥大。肺泡上皮細胞增殖可能是肺修復和組織再生，甚至于肺纖維化發生和致癌作用的關鍵。
礦物質粉塵顆粒表面特征是動態變化、錯綜復雜的。如粉塵表面的電荷可以從陽性變成陰性，進而降低毒性。粉塵表面化學活性決定了二氧化硅粉塵的致病性。新破碎的石英比老化的石英對肺泡巨細胞毒性要大。這可能由于新斷裂的石英表面和（水或空氣中）氫、氧、碳或氮的反應性大大提高，增強了其還原氧化能力。
影響二氧化硅致病性的更深層次的一個問題是，其它礦物質，特別是粘土（Clay）成份，即附著在二氧化硅顆粒表面的物質或化學結合物。二氧化硅的粉塵極細，比表面積達到100m2/g以上可以懸浮在空氣中，當長期暴露于空氣中粉塵含量較高且相對較純的游離二氧化硅粉塵環境中（如采礦（金礦工人）、翻砂（鑄造工人）、噴砂、制陶瓷、制耐火材料等場所工作的人），肺內二氧化硅粉塵沉積量達1~3g，即可足以產生矽肺（因硅舊稱為矽，硅肺舊稱為矽肺）。另一方面，當和其它的致纖維化能力較弱的礦物粉塵同時暴露時，如煤礦工人、赤鐵礦工人，相同的二氧化硅粉塵沉積量只產生非常少的矽肺病變。可能原因是其它礦物粉塵或成份吸附于二氧化硅顆粒的表面，封閉二氧化硅顆粒表面化學活性，相應地降低二氧化硅粉塵毒性。這一現象給砂肺病的預防提供了一個重要的啟示，即采用其它無致纖維化能力的礦物粉塵以封閉游離二氧化硅表面化學活性，以降低二氧化硅粉塵的毒性，達到預防砂肺的目的。
塵肺癥狀
塵肺癥狀的輕重決定于肺部纖維化的程度。早期塵肺患者大多無癥狀，隨著病情的發展，出現氣短、胸疼、咳嗽等癥狀；晚期塵肺常伴有肺結核、感染、肺氣腫、肺心病、慢性氣管炎等并發癥。
塵肺診斷
診斷塵肺時，必須按照綜合診斷的原則，通過職業史、臨床癥狀、體格檢查、X線檢查和化驗檢查等資料，經省、市、地區塵肺診斷小組討論確診。對塵肺診斷最有決定作用的是職業史和胸部×線攝片檢查。具有詳細可靠的職業史、技術質量合格的后前位胸片，方可做出X線診斷和分期。
自然分布
地質分布
二氧化硅是制造冶金硅的主要原料之一，SiO2的同質多晶變體很多，其中最常見的在地球上分布最廣的是低溫石英，即α石英。而高溫石英（α-石英）則少見，SiO2的高溫變體（鱗石英、方石英等）在自然界少見，而多存在于人造硅酸鹽制品中。石英是分布很廣的礦物。在地殼中石英成分占12%，僅次于長石。純凈的石英又稱為水晶，是一種堅硬、脆性、不溶的無色透明固體，常用于制造光學儀器等。
生物分布
盡管二氧化硅的溶解度很差，但二氧化硅存在于許多植物中。 二氧化硅含量高的植物材料對放牧動物很重要，從咀嚼昆蟲到有蹄類動物都有。 二氧化硅會加速牙齒磨損，食草動物經常食用的植物中含有高濃度的二氧化硅，可能已成為一種抵御捕食的防御機制。
礦物分類
在巖石學上，巖石的結構是指組成巖石礦物的結晶程度、顆粒大小、晶體形態、自形程度和礦物之間（包括玻璃）的相互關系。根據礦物顆粒的結晶程度可分為全晶質結構、半晶質結構和玻璃質結構。根據礦物顆粒絕對大小可分為顯晶質結構和隱晶質結構兩大類，根據礦物顆粒的粒徑大小又可將其細分。基于巖石學結構的劃分，結合礦物顆粒大小、結晶程度及成因等因素，將二氧化硅質玉石分為四大類。
顯晶質二氧化硅質玉石
顯晶質二氧化硅質玉石的典型代表為石英巖。石英巖是主要成分為二氧化硅的顯晶質集合體，肉眼可見顆粒，其中可含方解石、鉻云母、鋰云母、赤鐵礦及氫氧化氧鐵等，多呈粒狀結構或塊狀結構。石英巖可有各種顏色，常見為白色、黃色、綠色、藍色等。
微晶質—隱晶質二氧化硅質玉石
微晶質—隱晶質二氧化硅質玉石的典型代表為玉髓。玉髓為二氧化硅的隱晶質集合體，常見隱晶質結構、塊狀構造等，肉眼觀察顆粒感不明顯。玉髓顏色分布均勻，按顏色和所含雜質，可分為白玉髓、紅玉髓、綠瑪瑙、黃蠟石、藍玉髓及紫玉髓等。
隱晶質—膠質二氧化硅質玉石
隱晶質—膠質二氧化硅質玉石的典型代表為瑪瑙。瑪瑙為二氧化硅的隱晶質集合體， 主要為同心圓狀、條帶狀構造等。瑪瑙按顏色可分為：紅瑪瑙、藍瑪瑙、紫瑪瑙、白瑪瑙、黑瑪瑙等；按條紋特點可分為：縞瑪瑙或纏絲瑪瑙等；按雜質或包體特征可分為： 苔紋瑪瑙、水草瑪瑙、風景瑪瑙、火瑪瑙及水膽瑪瑙等。
膠質二氧化硅質玉石
膠質（非晶質）二氧化硅質玉石的典型代表為瑪瑙蛋白石。蛋白石非晶質體，主要化學成分為二氧化硅；顏色分布均勻，可有各種顏色，常見有紫色、綠色、白色、褐色 等。貴蛋白石可呈變彩效應，稱為歐泊。蛋白石易與火山玻璃碎屑相混，但玻屑具特殊外形，其折光率不會低于1.490。蛋白石也容易和方沸石相混，但方沸石具有解理。與螢石的區別是，螢石有晶形且具解理。蛋白石是準穩定礦物，容易重結晶向玉髓轉變。因此，它僅存在于年輕地層中。
合成過程
沉淀法
沉淀法是將粉煤灰進行預處理，得到活化產物或硅酸鹽溶液，再經陳化、過濾、烘干后得到二氧化硅。沉淀法是較為傳統且研究較多的方法，此方法操作簡單，但是生產過程中使用大量的強酸強堿對設備防腐要求較高，多年來研究重點不僅致力于提高SiO2的產率，同時也對操作條件及藥劑的使用不斷進行優化。沉淀法根據預處理方式的不同，又分為堿煅燒活化法和氫氧化鈉浸出法。
堿煅燒活化法：就是將粉煤灰與堿性活化劑混勻，進行煅燒后，熱熔于濃酸，陳化后得到硅酸沉淀。
燒堿浸出法：就是對粉煤灰進行堿溶預處理，得到硅酸鹽溶液，通過控制pH值制備硅膠液，再經過陳化，過濾烘干得到二氧化硅產品。
碳分法
碳分法就是將粉煤灰與氫氧化鈉反應，硅以硅酸鈉形式溶出后，通入CO2氣體進行碳分，碳分后膠體經干燥得到二氧化硅產品。碳分法是在沉淀法的基礎上，對工藝條件進行優化，用CO2調節酸度，生成沉淀二氧化硅沉淀，反應條件溫和。而在工業生產過程中CO2絕大部分以廢氣形式排放，以CO2替代無機化合物強酸制備沉淀二氧化硅，不僅可以降低生產二氧化硅的成本，而且可以減少CO2排放造成的環境污染和資源浪費。分步碳分法是碳分法制備二氧化硅的一種發展趨勢，傳統的一次碳分工藝會導致雜質被產品吸附，降低產品純度，分步碳分法可以先除去雜質，再沉淀二氧化硅，大幅度提高了二氧化硅產品的純度。
氣相法
常規氣相二氧化硅一般由氯化硅在氧氣和氫氣混合氣流中經高溫水解反應，脫酸生成。而粉煤灰氣相法制備二氧化硅是通過一定反應將粉煤灰中的硅以氣體形式揮發出來，然后進行水解制備二氧化硅。氣相法制得的二氧化硅產品純度和分散性均較好，但是使用的原材料較貴，工藝能耗較大，增加了生產成本，阻礙了此方法的發展，研究人員需在傳統氣相法的基礎上繼續進行改進，不僅需要提高產品的純度，更要降低生產成本，實現氣相法的工業化。
微芯片生長
在基片溫度為300℃條件下，薄膜厚度4μm時，制備的二氧化硅薄膜呈非晶態，結構致密，無明顯針孔和缺陷，電學測試表明可以承受 500kV/cm 以上的電場強度，并通過了封接芯片的實際測試。
礦物提取
從礦物中提取SiO2最重要的石英原料是從沉積礦床開采的石英礫石、石英砂和石英粉。石英原料的加工主要是通過洗滌、分類、浮選和干燥諸步驟而實現。用硫酸和氫氟酸進行處理的化學純化步驟也常被采用。而表面很大的SiO2，是通過氯化硅燃燒制得的。
參考資料 >
二氧化硅.術語在線.2023-12-02
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