最終更新日：日曜日、08-Nov-2009 04:44:32CET

文書の状態：完了

石英は、一部のケイ素と酸素、二酸化ケイ素、Sio2の二つの部 その化学組成（および元素シリコン、Si）は、1823年にスウェーデンの化学者Jöns Jakob Berzeliusによって発見されました。 二酸化ケイ素は一般に無水ケイ酸と呼ばれます。

IUPACによると、次の二つの名前が正しいです：二酸化ケイ素、およびジオキソシラン。

10mm
1040×800 193kb-2080×1600 684kb

これは工業的に製造された純粋なシリコンの小片です。 それは軽い（密度2.328g/cm3）、強い金属光沢の灰色の結晶の物質です。 それは非常に硬い（石英と同じくらい硬く、ほとんどの金属よりもはるかに硬い）が、金属のように脆くて可鍛性ではない。 シリコンは半導体産業の基礎です: 純粋なシリコンは電気の弱い導体に過ぎませんが、微量の適切な元素を添加する（シリコンをドープする）と、その導電率は金属の導電率に近づき、微量元素

反応

室温では、すべての修飾におけるSio2はほとんど不活性であり、他のほとんどの物質と反応しません。 適度に高温で無水ケイ酸は化学的に非常に安定しています。 そのため、石英ガラス（シリカガラス）は、特に通常のガラス中の金属カチオンの触媒反応を避ける必要がある場合に、化学装置に広く使用されている。 シリカの反応性が低い理由は、非常に強いSi-O結合だけでなく、その高分子構造でもあります。 酸自体の無水物（オルトケイ酸、H4Sio4）であるため、石英は一般的に酸に攻撃されません。 顕著な例外はフッ化水素酸、最初フッ化ケイ素Sif4を形作るために水晶を分解するhf、そしてhydrofluorosilicic酸です:Sio2+6HF→H2Sif6+2H2O

Sio2はアルカリ物質（水酸化カリウム、KOHなど）によっても攻撃されます。 反応の速度は、修飾および結晶サイズに依存する：結晶性石英は、高温の水様アルカリ溶液中で非常にゆっくりと溶解し、非晶質Sio2は室温で容易に溶解:

アルカリ溶液と洗剤が鉱物試料から苔や地衣類を除去するために使用されることがあるため、反応はコレクターにとって関連性がある。 水晶は通常問題ではありませんが、cryptocrystalline品種を掃除するときは非常に注意してください。

同様の反応は、コンクリートのアルカリ化合物、典型的にはCa（OH）2が非晶質シリカおよびクリプト結晶石英（すなわち、オパールおよびカルセドニー）と反応 ケイ酸ゲルは水を引き付け、数十年以内のコンクリートを膨潤させ、そして裂く。

すべての形態のシリカは、溶融ナトロン（Na2Co3）またはカリ（K2CO3）に溶解してケイ酸塩を形成する：

多くの地質環境の高温では、石英は酸として作用し、多くのアルカリ鉱物と反応する。 よく知られている例は、約600℃以上の温度での接触変成過程における石英および方解石からの鉱物wollastonite Ca3Si3O9の形成である:

反対の反応は、ケイ酸塩岩の風化で起こり、ここでは、例えば、流星水に存在する炭酸H2CO3は、ケイ酸を放出し、炭酸塩を形成する。 石英はシリコンの”鉱石”です。

石英はシリコンの”鉱石”です。

シリコンは、次の吸熱（エネルギー消費）反応で約2000℃の温度で回収される:

Si-O結合はC-O結合よりもはるかに強く、一酸化炭素COがガスとしてシステムから逃げるので反応 二酸化炭素CO2の代わりに一酸化炭素の生成は、高温での炭素との還元反応に典型的である。 このプロセスで形成されたシリコンは、チップ製造のために十分に純粋ではなく、かなり複雑な手順で精製する必要があります。 そのため、鉱石が豊富であるにもかかわらず、純粋なシリコンは比較的高価です。

水への溶解度

水への二酸化ケイ素の溶解度は、温度、圧力、その表面構造、およびその構造修飾に依存する。 次の表は、室温および常圧での溶解度の概要を示しています。

からのデータ：
-➛Hollemann&Wiberg、1985
-➛Rykart、1995

室温では、石英は水に実質的に不溶性である。 水道水は通常、溶解したシリカ（石英に対して）でほぼ飽和しており、溶解プロセスは非常に遅いので、繰り返し洗浄によって水晶が損傷する心配はあ

それにもかかわらず、岩盤や土壌中のシリカの溶解は、高温多湿の気候において重要な役割を果たしています。 ラテライト土壌の形成は、シリカが表面層から徐々に洗い流され、少なくともそれらの気候条件の下では、鉄や酸化アルミニウムのような水に溶けにくい化合物が濃縮されることに関連している。

100℃以上の温度および高圧では、石英の溶解度は急速に増加する。 300°Cでそれは圧力によって700そして1200のmg/lの間に、ある。

Sio2は、オルトケイ酸、H4Sio4を形成することによって水に溶解します：

オルトケイ酸は、例えば、炭酸 それは9のpk1と解離します。51によると

水様溶液中にはSio2分子またはSio4四面体の凝集体は存在しない。 逆反応は水晶が成長する方法ですが、H4Sio4分子は単に水の2分子を処分することはできません、それは別のH4Sio4分子またはヒドロキシル（-OH） オルトケイ酸の最も興味深い特性は、最初にゾルを形成するために水っぽい溶液中で重合する傾向であり、後にポリケイ酸のゲル：オルトケイ酸分子は反応に応じて大きな分子に凝縮する。 H4Sio4溶液の濃縮を開始するとすぐに、分子は重合します。 実験室条件下での室温では、このプロセスの終点は非晶質シリカの形成である。 重合されたケイ酸のゲルは、おそらく自然界のオパールおよびクリプトクリスタル石英品種（より広い意味でのカルセドニー）の前身でもある。

シリカの基本構造

Sio2は、13以上の異なる構造修飾で発生します。 それらの結晶構造（存在する場合）は異なるかもしれませんが、それらはすべていくつかの基本的な特性を共有しています。 以下は、記載されている場合を除き、すべてのシリカ改質に適用されます。 石英に特有の分子構造は、章構造でカバーされています。

シリカ中の化学結合は共有結合である: それらは、2つの電子が原子間で共有される分子軌道に基づいている（蛍石または食塩としての塩に見られるイオン結合とは対照的に、ここで電子はある元素から別の元素に移動して反対の電荷のイオンを形成し、結晶中ではこれらのイオンは静電引力によって一緒に保持される）。

図。1:Sio4-四面体

図。2

図。3: Sio4-イオン結合モデル

シリカのほぼすべての変更における基本的なビルディングブロック（例外は非常に高い圧力の変更である）は、中央のシリ

 . |O| - | - .O-Si-O. - | - |O| .

このユニットのジオメトリは、図のボールアンドスティックレンダリングに示されています。1、ケイ素は象牙色で象徴され、酸素は赤い球で、化学結合はそれらの間の灰色のパイプで象徴されています。 原子の大きさはスケールするものではありません。 酸素原子はケイ素原子の周りの位置を占め、それらを互いに可能な限り最大の距離に保つので、半透明の灰色のピラミッドに象徴される四面体の四隅を形成する。 酸素原子は互いに接続されておらず、それらの間の灰色の線は四面体幾何学を視覚化するために描かれているだけであることに注意してください。 中心O-Si-O結合の角度は、理想的な四面体の値に非常に近い（109.5°、図中の灰青色の円弧。1)、ケイ素の酸素の間隔のおよそ0。すべての酸素原子に対して161nmなので、個々の四面体はほぼ立方体の対称性を持っています。

Si-O結合は非常に極性が高く、電子は酸素によってより引き付けられ、四面体の電荷の不均一な分布につながります。O=Si=O（二酸化炭素CO2のような線形構造を持つ）のように構築された個々の分子は、2500℃以上の温度でSio2ガス中にのみ見つけることができます。

多くの教科書は、図に示すように、異なるイオンの相対的なサイズによって決定されるSio4-四面体および他の鉱物構造の幾何学を説明しています。2:中心イオンの相対的なサイズが大きいほど、それを囲むために反対の電荷のより多くのイオンが必要である。 したがって、Sio4-四面体は、多くの場合、四つの大きなO2-アニオンで囲まれた小さなSi4+カチオンとして描かれています（図。3). これは不正確であると主張することができます: ケイ素と酸素は結合した電子軌道の極性共有結合によって接続されているので、それらは単位を形成し、塩中のイオンと同じように分離され、自由に動 Si4+イオンを持つ化合物は実際には存在しません。 実験結果の解釈にはいくつかの変化があり、一部の著者はSi-O結合を主に共有結合と見なしているが、他の著者は結合のイオン特性を強調している。 総説については、Ｇｉｂｂｓ ｅ ｔ ａ ｌ． 1994年およびCohen、1994年。

 | | O O | | -O-Si-O-Si-O- | | | | O O O O | | | |-O-Si-O-Si-O-Si-O-Si-O- | | | | O O O O | | | | -O-Si-O- | O |

図11に示すように、

図11に示すように、

図11に示すように、

図11に示すように、

図11に示すように、

図11に示すように4: シリカネットワーク

酸素は二価であり、四面体の角にある酸素原子は、それぞれ隣接する四面体の別のケイ素原子にリンクされています。 したがって、石英、およびシリカは、一般に、相互接続されたSio4四面体の三次元ネットワークとして記述することができます。 化学記号でのその構造の模式図を図１に示す。4. 石英の分子構造のより精巧な図は、構造の章で見つけることができます。

図。5 480×640 29kb 図。6

二つの四面体を結ぶSi-O-Si結合は直線（180°）ではなく、石英で144°の角度を形成する（図。5). その結果、石英の全体的な結晶構造は非常に複雑である。 他のシリカ修飾では、この角度は異なりますが、Sio4四面体（O-Si-O結合によって定義される）の内部の角度は基本的に同じままです。 次の表は、いくつかのシリカ修正の角度と距離を示しています。

からのデータ:
unit Hollemann&Wiberg,1985
unit Rykart,1995
単位セル座標に基づいてJMolを用いた測定。

酸素は、元素の周期系におけるその近傍と同様に、角X-O-X結合を形成する固有の傾向を有する。 図6は、水（H2O）、メタン（CH4）、アンモニア（NH3）、シラン（Sih4）の4つの水素化合物のモデルを示しています。 原子間距離とC、N、O、およびSiの相対的なサイズはスケールすることですが、水素原子は読みやすくするために特大です。 CH4およびSih4分子は明らかに四面体である。 NH3とH2Oは、h-O-H角が104.5°、H-N-H角が106.8°で、水素原子が1個または2個除去されたメタン分子のような形をしています。 この類似性の理由は、四面体を形成する4つのいわゆるsp3ハイブリッド軌道である結合電子軌道の幾何学的形状である。 四つのsp3ハイブリッド軌道の四面体配置は、シリコン中にも見られ、シリカおよびケイ酸塩中のSio4単位の四面体形状および剛性の主な理由である。 このことから、Si-O-Si角が小さくなると予想されるので、なぜそれがより開いているのですか？ 一方、Si-O結合は極性が高く、酸素原子は負に分極しているため、Sio4基の間に反発力があり、まっすぐなSi-O-Siは酸素原子をより遠くに保つでしょう。 さらに、Si-O結合の長さは単結合の計算よりも短く、値は0.181nmでなければならないが、実際には石英では0.161nm前後であり、他のシリカ修飾でも同様の値を有する。 これは、この結合の部分的な二重結合特性の指標であり（Hollemann&Wiberg、1985）、これもその大きな強さを説明するでしょう。 この二重結合は、予想よりも大きいSi-O-Si角（109.5°ではなく144°）に従っています。 なお、Ｓｉ−ｏ距離はβ−トリジマイトでは最短であり、この変形はＳｉ−Ｏ−Ｓｉ角が１ ８ ０°であることに留意されたい。 部分的な二重結合特性の背後にある理論はかなり複雑であり、私はそれにさらに進むことはありません。

シリカおよびケイ酸塩

化学的に話されているシリカは酸化物であるが、英米の鉱物学的文献では、石英および他のすべてのシリカ修飾は、通常、（Danaによって確立された分類体系に基づいて）ケイ酸塩として分類される。 石英をケイ酸塩と呼ぶ理由は、それがSio4四面体のネットワークによって構築されるということです。 ケイ酸塩は、Sio4四面体が結晶構造に組み込まれている方法と、四面体が互いにリンクされているかどうか、どのように分類され、その石英によれば、テクトケイ酸塩（”ネットワークケイ酸塩”または”フレームワークケイ酸塩”）と呼ばれている。

ケイ酸塩は、ケイ酸と1つまたはいくつかの金属の塩です。 オルトケイ酸、H4Sio4は、ちょうど最も単純な形であり、他のケイ酸は、接続された水素といくつかのリンクされたSio4単位で作られています。

金属水酸化物とオルトケイ酸が反応するとケイ酸塩が形成されると考えることができます。

しかし、これはケイ酸塩が通常自然界で形成される方法ではありません。 ケイ酸塩は、金属酸化物または炭酸塩がシリカと反応するときに形成することができます,のような

同様の反応 しかし、ケイ酸塩の形成の通常の方法は、変換のそれです：ケイ酸塩は、新しいケイ酸塩を形成するために互いに反応します。 Sio4四面体が形成されると、それは容易に分解されず、新しい環、鎖、シート、または四面体のネットワークを形成するための反応にのみ使用することがで 非常にまれに、非常に特殊な環境でのみ、非ケイ酸塩鉱物中のケイ素を見つけることができます。

水晶の純度

ほとんどの鉱物とは異なり、透明な水晶は常に化学的に純粋であり、Sio2含有量は99.5％に近づき、しばしばより多くなります。 これには基本的に2つの理由があります。

まず、石英は高分子構造を持っています。 それは容易に別の要素によって取り替えることができる要素の隔離されたイオンを含んでいません。 例えば、塩（静電気力によって一緒に保持された単離されたイオンからなる化合物）が水っぽい溶液中で成長する場合、そのイオンは、置換イオンの大きさと電荷が同一の値を有する限り、ほぼ任意に置換することができる。 石英が水っぽい溶液から成長するとき、溶液中の他のイオンに対して成長する表面に文字通り”魅力的”なものはありません。 例えば、Sio4単位の代わりに-基単位が組み込まれている場合にのみ、構造は電気的に不均衡になり、追加の小さな一価陽イオン（主にH+、Na+またはLi+）を含 少数の要素だけアルミニウムのようなSio4単位のケイ素の取り替えとして、-、+のリン、または鉄の-機能し、それ以上のイオンの包含を誘発するために規 興味深いことに、式O2として解釈することができるミネラルベルリナイト、Alpo4は、ほぼ同一の構造と対称性の特性を示す、石英の構造異性体であり、非常に類似した物理的性質である：

第二に、Sio4四面体の三次元ネットワークは非常に剛性です。 多くの鉱物は、物理的性質に大きな偏差を示すことなく、結晶格子中の特定の他の原子および/またはイオンを比較的大量に許容することができる。 色は完全に変わるかもしれませんが、結晶格子は幾分柔軟で広々としており、全体として元の構造を維持しているため、結晶は明確で均一に見えます。 しかし、石英の結晶格子は堅く、非常に柔軟性がなく（硬くても脆くなる）、格子の構造を歪ませることなく成長中に小さな陽イオン（通常はLi、Na、H）を持つ他の多くの元素を非常に少量しか組み込むことができない。 そして、実際には石英中に見られる一価カチオンの量は、アルミニウムの量にほぼ比例しています。 水晶が囲まれた鉱物の周りに成長し、光が異なる材料の境界に散乱するため、より多くの量の他の物質を含む石英は半透明から不透明であり、しばしば

これは、シリカの他の修飾については一般的に真実ではなく、そのうちのいくつかについては、微量元素の存在が実際にその構造に安定化効果を有

しかし、透明な水晶の全体的な組成は（少なくとも他のほとんどの鉱物と比較した場合）非常に純粋ですが、不純物は通常、結晶内に均一に分布していません。

個々の元素の濃度は、数マイクロメートルの距離内で大きさのオーダーによって変化する可能性があります。 例えば、アルミニウムの濃度は、単結晶内で５ｐｐｍａ未満（１ ０ ０ ０ ０ｐｐｍａ）から１ ０ ０ ０ ０ｐｐｍａの間で変化し得る（μ Ｐｅｒｎｙ ｅ ｔ ａ ｌ． 1992). 微量元素分布のパターンは、陰極線ルミネセンスと呼ばれる技術で見えるようにすることができます: 高エネルギー電子ビーム（”陰極線”）は、通常のフィルム上で捕捉することができる短寿命の発光効果を誘導する。 結晶の薄いスライスの得られた写真は、微細な層流パターンを示す。 層はすべてファントムに似た結晶面に平行であるため、この微量元素分布のパターンは成長環境の急速な変化によって引き起こされます。

化学的に純粋な技術的な目的のために十分に純粋ではないことが多いです。 完全で均質な結晶は真空のように透明ですが、微量元素は結晶格子に歪みや欠陥を引き起こし、これが光学特性に影響を与えます。 石英に組み込まれている元素（H、Li、Al、Na、Ti、Fe）のほとんどは遍在しているため、シリカのさらなる精製は複雑で高価です。 そのため、微量元素含有量の低い石英の堆積物は依然として非常に求められている（例えば、Larsen et al.,1998,1999,1999,1999,1999を参照のこと）。 2000).

さらなる情報、文献、リンク

石英の特性の表は、で見つけることができますmindat.org:

別のテーブルでwww.webmineral.com:

Footnotes

1IUPACは、化学命名法からKnallsäure（ドイツ語で”banging acid”、fulminic acid）のようなあいまいさと面白い、しかしおなじみの名前を排除することを目的とした組織である。 古い名前は、あいまいでない限り有効です。

2あなたのいくつかは、フッ化水素でいくつかの実験をするのが魅力的かもしれません。 フッ化水素は非常に危険な物質です。 講義の後、あなたはポールでもそれに触れたくないでしょう。 水っぽい解決は強い酸ではないです（純粋なHFはあります）、およびundissociated小さいHFの分子は容易に皮を突き通し、不溶解性の螢石、Caf2を形作るために細胞のカ カルシウムはすべての体細胞の生きている機能のために必要である。 それはすぐに傷つけることはありませんように見過ごされて行く指の小さなドロップは、いくつかの遅延の後に-実質的な損傷と大きな痛みを引き20％溶液の滴（約50μ l）には、0.00005l x（200g/l）=0.01gが含まれています。10mg、それはあまり聞こえません。
1Mol Ca=40gおよび1Mol F=19g.1Caは2Fを結合するため、40G Caは40g HFから38g Fを結合する。 あなたの体組織の1mlには約0.1mgのCaが含まれており、0.1mgのHFはほぼ完全に沈殿させます。 理論的には、小さい低下の10mg HFはそれのすべての細胞を殺す100つのmlのティッシュのCaのほとんどを沈殿させることができます。
そして、いいえ、私は水のフッ素化に反対していません（ここでは皮肉ではありません）。

3″流星水”という用語は、隕石からではなく、大気からの起源を指します。 ギリシャ人は流れ星が雲と同じ球から来たと思った: 星や惑星は永遠の存在と考えられていましたが、雲や流れ星は明らかにそうではありません。 “気象学”を考えてみましょう。

4火山岩の石英は、多くの場合、方解石を伴う理由です。

5これはやや直感的ではありませんが、飽和溶液は結晶と熱力学的平衡にあります。 分子が結晶構造に組み込まれると、新しい結合が形成され、結晶構造の幾何学的形状に応じて、多かれ少なかれエネルギーが放出または消費される。 物質を溶解するためには、結合を分割するためにエネルギーが必要ですが、水分子が溶解した分子に向かって向きを変え、新しい静電結合を形成すると、エネルギーも放出されます（hydratisation energy）。 化合物のより安定な修飾は、結合を破壊するためにより多くのエネルギーが必要とされるので、一般に可溶性が低い。
これは反応の速さとは関係ない 特定の条件下では、より不安定な修正が最初に解決策から形成され、後で安定した修正に置き換えられます: クリプトクリスタル石英は典型的には水っぽい溶液から形成されるが、クリストバライトとオパールは中間段階であり、反応の速度論はオパール形成に有利である。 そして、室温で1リットルの純水に水晶を入れると、翌日にそれを取り出すと2.9mg以下の重さにならないことがかなり確信できます。 おそらく違いを測定するのは非常に難しいでしょう。 たぶん一ヶ月後、または一年後。

6石英中の四面体は、実際には理想的な四面体のように完全に等角ではありませんが、中心ケイ素原子までの距離は2つの酸素原子で0.16101nm、他の2つの酸素原子で0.16145nmであるため、わずかに歪んでいます。 しかし、理想的な形態からのこの偏差は、0.3％未満であるため、ほとんどの実用的な目的では無視できる。

7SiとOの酸化数は実際にはそれぞれ+4と-2です。 実際にSiから4つの電子を除去するのに必要なエネルギーは、安定な純粋にイオン結合を可能にするには高すぎます。 Sif4でさえ、フッ素の高い電気陰性度にもかかわらず、極性であるが共有結合を有する化合物である。 しかし、Si4-アニオン化合物は（Ca2Siのように）存在する。

8rykart(1995)は、α-石英とβ-石英のそれぞれ152.8°と143.5°の値を与えます。 これは誤植のようですが、値を切り替える必要があります。9しかし、”何も行く”ということは真実ではありません。 鉱物が形成されると、特定の電荷、大きさ、電気陰性度などの特定の基準を満たすと、元素とイオンが結晶格子に組み込まれ、すでに格子を形成しているP>プリンタフレンドリーバージョン