سیلیس چیست و از کاربردهای آن چه می دانید؟

سیلیس یا دی اکسید سیلیسیم ترکیب طبیعی از اکسیژن و سیلیس است که بیشتر در ماسه یافت می شود. سیلیس که به عنوان سیلیکا یا دی اکسید سیلیکون نیز نامیده می شود دارای فرمول شیمیایی SiO2 است. اشکال مختلفی از سیلیس وجود دارد که همگی از نظر ترکیب شیمیایی یکسان هستند اما آرایش اتمی متفاوتی دارند.

سیلیس دارای سه نوع کریستالی اولیه ، کوارتز ، تریدیمیت و کریستوبالیت است.  پودر سیلیس از ذرات ریز سنگ کوارتز به دست می آید و باعث صدمه پیشرونده طولانی مدت ریه ، سیلیکوز می شود.

تمام اشکال سیلیس جامداتی بی بو هستند که از اتم های سیلیکون و اکسیژن تشکیل شده اند که به شکل پودری، کریستالی یا بی شکل به رنگ خاکستری شفاف وجود دارند. ذرات سیلیس در هوا معلق شده و گرد و غبار غیر قابل انفجار ایجاد می کنند. سیلیس را می توان با اکسیدها و سایر عناصر فلزی برای تشکیل سیلیکات ترکیب کرد. برای کسب اطلاعات بیشتر در این رابطه در ادامه مقاله با ما در نشریه جهان شیمی فیزیک همراه باشید.

خواص فیزیکی و شیمیایی سیلیس

سیلیس که دی اکسید سیلیکون (IV) نامیده می شود ساختاری مشابه الماس دارد. یعنی هر اتم سیلیکون توسط یک اتم اکسیژن به اتم های همسایه خود متصل می شود. به یاد داشته باشید که این بخش کوچکی از یک ساختار عظیم SiO2 است که در هر سه بعد امتداد دارد.

خواص فیزیکی

دی اکسید سیلیکون به رنگ خاکستری ، کریستالی ، بی بو یا یک جامد بی شکل شفاف است. نقطه ذوب و جوش آن به ترتیب ۱۷۱۳ درجه سانتی گراد و ۲۹۵۰ درجه سانتی گراد است. چگالی آن حدود ۲.۶۴۸ گرم در سانتی متر مکعب است. این ترکیب هم در اسید و هم در آب نامحلول و در اسید هیدروفلوریک محلول است. وزن مولکولی آن حدود ۶۰.۰۸ گرم در مول است.

خواص شیمیایی

دی اکسید سیلیکون یک ترکیب واکنش پذیر نیست زیرا قطبیت مولکول آن صفر است زیرا سیلیس دو پیوند دوگانه با اکسیژن ایجاد می کند. بنابراین یک مولکول بسیار پایدار است. علاوه بر این از قدرت دی الکتریک بالایی برخوردار است به طوری که از آن به عنوان عایق و نیمه هادی استفاده می شود.

انواع سیلیس

اگرچه ممکن است کریستال های ماسه و کوارتز متفاوت به نظر برسند ، اما هر دو در درجه اول از دی اکسید سیلیکون ساخته شده اند. ترکیب شیمیایی این نوع ها دقیقاً یکسان است و خواص آن عموماً یکسان است ، اما تحت شرایط متفاوتی شکل گرفته اند. ذرات شن بسیار کوچک اما سفت و سخت هستند.

برخی از بلورهای کوارتز ظاهری سفید شیری دارند. به اصطلاح کوارتز شیری بسیار فراوان است ، بنابراین یافتن سنگ های بزرگ از این نوع کوارتز معمول است. ناخالصی های معدنی می توانند به رنگ بنفش ، صورتی روشن یا سایر رنگ ها درآیند و در نتیجه سنگ های قیمتی یا نیمه قیمتی زیر را تولید می کنند:

• آمتیست
• سیترین
• کوارتز رز
• کوارتز دودی

دی اکسید سیلیکون تقریباً در همه جای دنیا یافت می شود ، زیرا رایج ترین ماده معدنی در پوسته زمین است. در سطح زمین ، در مناطق صخره ای یا کوهستانی به فور می توان این ماده معدنی را یافت. همچنین در بیابان ها و سواحل جهان به شکل ماسه وجود دارد.

روش تولید سیلیس

بیشتر ، دی اکسید سیلیکون از طریق فعالیت های معدنی شامل استخراج ماسه و تصفیه کوارتز به دست می آید. کوارتز برای اهداف زیادی مناسب است ، در حالی که پردازش شیمیایی آن برای خالص تر شدن محصول دیگر (به عنوان مثال واکنش پذیرتر یا دانه ریز) مورد نیاز است. بخار سیلیس از فرآیندهای داغ مانند پردازش فروسیلیس به عنوان یک محصول جانبی مشتق می شود.

علاوه بر این اسیدی کردن محلول های سیلیکات سدیم، رسوب سیلیس یا سیلیس آمورف را تشکیل می دهد. ژل آن شسته و آبگیری می شود تا سیلیس ریز بی رنگ تولید شود. واکنش مربوط به تری سیلیکات همراه با اسید سولفوریک در زیر ارائه شده است.

Na2Si3O7 + H2SO4 → ۳SiO2 + Na2SO4 + H2O

واکنش های سیلیس

سیلیس با کاهش کربن به سیلیکون تبدیل می شود. هنگامی که فلورین با دی اکسید سیلیکون واکنش نشان می دهد  O2  و SiF4 تولید می کند.  دی اکسید سیلیکون همچنین با اسید هیدروفلوریک واکنش داده و اسید هگزافلوروسیلیس (H2SiF6) را ایجاد می کند.

SiO2 + 6HF → H2SiF6 + 2H2O

روش تهیه سیلیس

سیلیکا بیشتر از معدن کوارتز استخراج می شود ، همچنین می توان آن را با استفاده از خنثی سازی اسید یک محلول آبی قلیایی – سیلیکات تهیه کرد. این روش به عنوان یک فرآیند مرطوب شناخته می شود و ذرات بی شکل SiO2 را تشکیل می دهد.

Na2Si3O7 + H2SO4 -> 3 SiO2 + Na2SO4 + H2O

روش های دیگر ، سیلیس پیروژنیک را تشکیل می دهند که حاوی احتراق سیلانی مانند تتراکلراید سیلیکون در مشعل اکسیژن-هیدروژن است. محصول این واکنش ذرات ریز سیلیکا  به قطر ۱۰۰ – ۴۰۰ نانومتر هستند.

SiCl4 + 2H2 + O2-> SiO2 + 4 HCl

مزایای کاربردی سیلیس

سیلیس به صورت پودرهای کرکی و سفید از طریق یک فرآیند مرطوب تولید می شود که سیلیس یا ژل سیلیکا و یک سیلیس پیروژنیک (دودی) تولید می کند.در غذاهای پودری سیلیکا به ذرات غذا می چسبد و از تجمع آنها جلوگیری می کند. انجام این کار به محصولات پودری اجازه می دهد تا جریان آزاد داشته باشند و سایر ترکیبات را به راحتی جدا کنند.

همچنین ، دی اکسید سیلیکون به عنوان یک عامل ضد کف ، عامل تهویه ، حامل ، عامل تثبیت کننده سرما در نوشیدنی های مالت مانند آبجو و فیلتر عمل می کند. علاوه بر این ، در ساخت موادی مانند کاغذ و چسب برای مواد بسته بندی مواد غذایی استفاده می شود.

طبق مقررات FDA ایالات متحده این ماده افزودنی مستقیم نمی تواند بیش از ۲ درصد وزن غذا را تشکیل دهد و به عنوان یک افزودنی غیر مستقیم ، می توان آن را فقط در مقدار مورد نیاز برای ایجاد اثر عملکردی مورد نظر استفاده کرد.

موارد استفاده سیلیس

استفاده از دی اکسید سیلیکون در صنایع الکترونیکی ، شیمیایی و دارویی بسیار زیاد است. در صنایع شیمیایی ، در تولید چسب و سیلانت ، جاذب ، سرامیک ، پرسلن ، بازدارنده های خوردگی ، ضد چسب ها ، رنگ ها و افزودنی های رنگ استفاده می شود.

علاوه بر این ، تولید دی اکسید سیلیکون در حین ساخت مواد شیمیایی کشاورزی اتفاق می افتد. با ورود به صنایع داروسازی ، به عنوان افزودنی مواد غذایی و داروها به جذب آب کمک می کند. برای مخابرات ، SiO2  جزء اصلی فیبرهای نوری است. دی اکسید سیلیکون به طور گسترده ای به عنوان پیش ماده ای برای بدست آوردن شیشه و سیلیکون با واکنش زیر استفاده می شود.

SiO2 + 2C → Si + 2CO

علاوه بر این ، دی اکسید سیلیکون همچنین در صنعت ساختمان برای تولید بتن استفاده می شود. شکل کریستالی آن در فرکینگ هیدرولیکی ، در تولید شیشه ، به عنوان یک آرام بخش ، برای تولید سیلیسیم عنصری ، به عنوان آنتی کیک در غذاهای پودری مانند ادویه جات ترشی جات ، به عنوان عامل رقیق کننده در آبجو ، آب میوه و شراب استفاده می شود. در قرص های دارویی  و در خمیر دندان برای از بین بردن پلاک های دندانی از سیلیکا مورد استفاده قرار می گیرد.

کاربردهای تغذیه ای سیلیس

دی اکسید سیلیکون یا سیلیس ، به عنوان یک ماده معدنی در نظر گرفته می شود و فرض بر این است که می تواند معدنی شدن استخوان ها ، دندان ها و کلاژن را امکان پذیر کند. دی اکسید سیلیکون به طور گسترده مورد مطالعه قرار نگرفته است ، بنابراین میزان مصرف روزانه مورد نیاز تعیین نمی شود.

با این حال ، تحقیقات اولیه گزارش شده در سال گذشته در مورد پوکی استخوان نشان می دهد که آینده سلامت استخوان ها ممکن است در دست دی اکسید سیلیکون باشد. دی اکسید سیلیکون افزودنی نسبت به منابع موجود در غلات ، گیاهان یا اشکال آبی دسترس پذیری زیستی کمتری دارد اما با توجه به نگرانی در مورد سلامت استخوان در جمعیت سالخورده ، دی اکسید سیلیکون همچنان مورد تحقیق قرار می گیرد.

سیلیکا به دلایل زیادی به طور گسترده به عنوان یک افزودنی غذایی در محصولات پودر شده یا گرانول استفاده می شود و تولید کنندگان را قادر می سازد تا پودرهایی تولید کنند که با سرعت بیشتری در تجهیزات پردازشی جریان می یابند.

این ماده مخلوط های خشکی ایجاد می کند که در حین ذخیره سازی قبل از بسته بندی نهایی به صورت آزاد جریان می یابند. اجازه می دهد تا مواد خشک در مایعات پراکنده شوند و از تجمع مواد خشک جلوگیری کنند. این تریکب امکان استفاده از طعم دهنده های مایع فرار را برای کاربردهای خشک فراهم می کند و از چسبندگی در خشک کن های اسپری جلوگیری می کند تا به کارایی بهتر برسید.

کاربردهای اختصاصی سیلیس

استفاده ساختاری

حدود ۹۵ از استفاده تجاری دی اکسید سیلیکون (ماسه) در صنعت ساختمان رخ می دهد ، به عنوان مثال برای تولید بتن (بتن سیمان پرتلند).

رسوبات معینی از ماسه سیلیس ، با اندازه و شکل ذرات مطلوب و خاک رس مطلوب و سایر مواد معدنی ، برای ریخته گری ماسه ای محصولات فلزی استفاده می شود.  نقطه ذوب بالای سیلیس باعث می شود بتوان از آن در مواردی مانند ریخته گری آهن استفاده کرد. ریخته گری مدرن گاهی اوقات از مواد معدنی دیگر نیز استفاده می کند. سیلیس کریستالی در فرکینگ هیدرولیکی سازه های حاوی نفت و گاز شیل استفاده می شود.

پیش ساز شیشه و سیلیکون

سیلیس اولین عنصر مورد استفاده در تولید بیشتر شیشه ها است. همانطور که مواد معدنی دیگر با سیلیس ذوب می شوند، نقطه انجماد و نقطه ذوب مخلوط را کاهش داده و سیالیت را افزایش می دهد. دمای انتقال شیشه SiO2 خالص حدود ۱۴۷۵ درجه سانتی گراد است. هنگامی که دی اکسید سیلیکون مذاب SiO2 به سرعت سرد می شود ، متبلور نمی شود ، بلکه به صورت یک شیشه جامد می شود. به همین دلیل ، اکثر لعاب های سرامیکی، سیلیس را به عنوان عنصر اصلی مورد استفاده قرار می دهند.

هندسه ساختاری سیلیکون و اکسیژن در شیشه شبیه کوارتز و اکثر اشکال کریستالی دیگر است که توسط تتراهدرهای منظم مراکز اکسیژن احاطه شده است. تفاوت بین فرم های شیشه ای و کریستالی از اتصال واحدهای چهار ضلعی ناشی می شود. اکثر فیبرهای نوری برای مخابرات نیز از سیلیس ساخته شده اند. این ترکیب ماده اولیه بسیاری از سرامیک ها مانند ظروف سفالی ، ظروف سنگی و پرسلان است.

در صنایع الکترونیکی

دی اکسید سیلیکون به طور گسترده ای در فناوری نیمه هادی استفاده می شود و به عنوان یک ماده دی الکتریک با سایر مواد دی الکتریک مانند اکسید هافنیوم یا مشابه با ثابت دی الکتریک بالاتر مورد استفاده قرار می گیرد.

از آنجا که دی اکسید سیلیکون یک اکسید بومی سیلیکون است ، در مقایسه با سایر نیمه رساناها مانند گالیم آرسنید یا فسفید ایندیوم بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. دی اکسید سیلیکون را می توان در سطح نیمه رسانای سیلیکون استفاده کرد. لایه های اکسید سیلیکون می توانند از سطوح سیلیکون در طی فرآیندهای انتشار محافظت کنند و برای جلوگیری از انتشار استفاده شوند.

غیرفعال شدن سطحی فرایندی است که طی آن یک سطح نیمه هادی بی اثر می شود و در نتیجه تعامل با هوا یا سایر مواد در تماس با سطح یا لبه بلور ، خواص نیمه هادی را تغییر نمی دهد. تشکیل یک لایه دی اکسید سیلیکون میزان حالت های الکترونیکی بی اثر را در سطح سیلیکون بسیار کاهش می دهد. فیلم های  SiO2 ویژگی های الکتریکی اتصالات p -n را حفظ کرده و از خراب شدن این ویژگی های الکتریکی توسط محیط  گازی جلوگیری می کنند.

بهتر است بدانید:

از لایه های اکسید سیلیکون می توان برای تثبیت الکتریکی سطوح سیلیکون استفاده کرد. فرآیند غیرفعال سازی سطحی یک روش مهم در ساخت دستگاه های نیمه هادی است که شامل پوشاندن یک ویفر سیلیکونی با یک لایه عایق از اکسید سیلیکون است به طوری که برق می تواند با اطمینان به سیلیکون رسانای زیرین نفوذ کند. رشد حرارتی یک لایه دی اکسید سیلیکون بر روی یک ویفر سیلیکونی آن را قادر می سازد تا بر حالات سطحی که مانع رسیدن الکتریسیته به لایه نیمه رسانا جلوگیری کند.

فرآیند غیرفعال سازی سطح سیلیکون با اکسیداسیون حرارتی (دی اکسید سیلیکون) برای صنعت نیمه هادی بسیار مهم است. معمولاً برای تولید ترانزیستورهای فلزی-اکسیدی-نیمه هادی با اثر میدان (MOSFETs) و تراشه های مدار مجتمع سیلیکون استفاده می شود.

خطرات و عوارض جانبی سیلیس

سیلیکا به صورت خوراکی در صورت بلع غیر سمی است. بر اساس گزارش مطالعه انجام شده در سال ۲۰۰۸ ، میزان بالای سیلیس در آب احتمال زوال عقل را کاهش می دهد. بنابراین افزایش میزان دوز سیلیکا در آب آشامیدنی به ۱۰ میلی گرم در روز میزان ابتلا به زوال عقل را کاهش می دهد. ولی هنگامی که گرد و غبار سیلیکای کریستالی ریز استنشاق می شود ، ممکن است در ریه ها منجر به سرطان ریه ، برونشیت یا سیلیکوز شود. همچنین وقتی ذرات ریز سیلیس به مقدار زیاد استنشاق می شوند ، خطر لوپوس و آرتریت روماتوئید را افزایش می دهند. بنابراین هنگام کار با این ترکیب جوانب احتیاط را رعایت نمایید.