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Quartz is a compound of one part silicon and two parts of oxygen, silicon dioxide, SiO2. Sua composição química (e o elemento silício, Si) foi descoberto pelo químico sueco Jöns Jakob Berzelius em 1823. Dióxido de silício é comumente chamado de sílica.

de acordo com a IUPAC, os dois nomes seguintes estão corretos: dióxido de silício, e dioxosilano.

10mm
1040×800 193kb – 2080×1600 684kb

Este é um pequeno pedaço de produção industrial de silício puro. É uma luz (densidade 2.328 g/cm3), substância cristalina cinza com forte brilho metálico. É muito duro (quase tão duro quanto quartzo e muito mais duro do que a maioria dos metais), mas frágil e não maleável como metais. O silício é a base da indústria de semicondutores: o silício puro é apenas um fraco condutor de eletricidade, mas quando são adicionados traços de elementos apropriados (o silício é dopado), sua condutividade se aproxima de um metal, e ao escolher o tipo e quantidade de oligoelementos, as propriedades elétricas do Silício dopado podem ser controladas.

Reações

Em temperatura ambiente, SiO2 em todas as modificações é praticamente inerte, não reage com a maioria das outras substâncias. Mesmo a temperaturas moderadamente altas, a sílica é quimicamente muito estável. Por essa razão, o quartzo fundido (vidro de sílica) é amplamente utilizado para aparelhos químicos, especialmente quando as reações catalíticas dos catiões metálicos em vidro comum precisam ser evitadas. A razão para a baixa reactividade da sílica é a muito forte ligação Si-O, mas também a sua estrutura macromolecular. sendo a anidrite de um ácido propriamente dito (ácido ortossilicico, H4SiO4), o quartzo não será atacado por ácidos. A excepção proeminente é o ácido fluorídrico, HF, que decompõe o quartzo para formar o primeiro fluoreto de silício SiF4, depois o ácido fluorossilícico.:

SiO2 é também atacado por substâncias alcalinas (como o hidróxido de potássio, KOH). A velocidade da reacção depende da modificação e do tamanho do cristal: o quartzo cristalino dissolve-se apenas muito lentamente em soluções alcalinas aquosas quentes, enquanto o SiO2 amorfo será rapidamente dissolvido a temperaturas ambientes:

A reação é de relevância para o coletor, como soluções alcalinas e detergentes são por vezes usados para remover musgo e líquenes de minerais amostra. Cristais de quartzo geralmente não são um problema, mas eu teria muito cuidado ao limpar variedades criptocristalinas.uma reação similar leva à formação de géis de sílica em concreto, quando os compostos alcalinos do concreto, tipicamente Ca(OH)2, reagem com sílica amorfa e quartzo criptocristalina (isto é, opal e calcedônia). O sílica-gel atrai água, incha e racha o concreto em poucas décadas.

Todas as formas de sílica dissolver na fundição natron (Na2CO3) ou cloreto de potássio (K2CO3) para formar silicatos:

Em altas temperaturas, de muitos ambientes geológicos de quartzo atua como um ácido e reage com muitos minerais alcalinas. Um exemplo bem conhecido é a formação do mineral wollastonita Ca3Si3O9 a partir de quartzo e calcite em processos metamórficos de contato a temperaturas de cerca de 600°C para cima.:

A reação oposta ocorre no intemperismo das rochas de silicato de, aqui, o ácido carbônico, H2CO3 presente, por exemplo, no meteórica águas libera ácido silícico e formas de carbonatos. o quartzo é o” minério ” de silício. O silício é obtido a uma temperatura de cerca de 2000 ° C na seguinte reacção endotérmica (consumidora de energia) :

O Si-O vínculo é muito mais forte do que a C-O bond, e a reação só funciona porque o monóxido de carbono CO escapa do sistema como um gás, de modo que o sistema de equilíbrio é deslocado para o lado direito. A formação de monóxido de carbono em vez de dióxido de carbono CO2 é típica para reações redutivas com carbono a altas temperaturas. O silício formado neste processo não é puro o suficiente para a produção de chips e precisa ser purificado em um procedimento bastante complexo. Assim, apesar da abundância de seu minério, o silício puro é relativamente caro.

solubilidade em água

A solubilidade do dióxido de silício na água depende da temperatura, da pressão, da sua estrutura superficial e da sua modificação estrutural. O quadro seguinte apresenta uma panorâmica da solubilidade à temperatura ambiente e à pressão normal.

Dados de:
– ➛Hollemann & Wiberg, 1985
– ➛Rykart, 1995

o Em local com temperaturas de quartzo é praticamente insolúvel em água. A água da torneira é geralmente quase saturada com sílica dissolvida (em relação ao quartzo), e o processo de dissolução é muito lento, então não há necessidade de se preocupar com cristais de quartzo sendo danificados por limpeza repetida.

no entanto, a dissolução da sílica em rocha rochosa e solos desempenha um papel importante em climas húmidos quentes. A formação de solos laterite está ligada a sílica sendo gradualmente lavada para fora das camadas de superfície e um enriquecimento de compostos que – pelo menos nessas condições climáticas – são menos solúveis em água, como ferro e óxidos de alumínio. a solubilidade do quartzo aumenta rapidamente a temperaturas superiores a 100°C e a altas pressões. A 300°C, está entre 700 E 1200 mg/l, dependendo da pressão.

SiO2 dissolve-se na água, formando orthosilicic ácido, H4SiO4:

Orthosilicic ácido é um ácido fraco, mais fraco do que o ácido carbônico, por exemplo. Dissocia-se com um pK1 de 9.51 de acordo com

não Existem SiO2 moléculas ou agregados de tetraedros SiO4 presente em uma solução aquosa. A reação invertida é a forma como os cristais de quartzo crescem, mas uma molécula de H4SiO4 não pode simplesmente eliminar 2 moléculas de água, ela precisa de outra molécula de H4SiO4 ou uma molécula de sílica já presente com um final hidroxilo (-OH):

ácido Ortossilícico é apenas estável em uma solução diluída de água, não se pode extrair o ácido puro. O mais interessante propriedade de orthosilicic ácido é a sua tendência para polimerizar em soluções aquosas para formar primeiro um sol e, mais tarde, um gel de polysilicic ácidos: orthosilicic ácido moléculas de condensado para moléculas grandes, de acordo com as reações e . Assim que começar a concentrar uma solução H4SiO4, as moléculas Irão polimerizar-se. À temperatura ambiente em condições laboratoriais, o ponto final deste processo é a formação de sílica amorfa. Géis de ácido silícico polimerizado são provavelmente também os predecessores de variedades de quartzo opal e criptocristalino (calcedônia em um sentido mais amplo) na natureza.

estrutura básica da sílica

SiO2 ocorre em pelo menos 13 modificações estruturais diferentes. Suas estruturas de cristal (se presentes) podem diferir, mas todos eles compartilham algumas propriedades básicas. O seguinte aplica-se a todas as alterações de sílica, excepto quando indicado. A estrutura molecular específica do quartzo é coberta na estrutura do capítulo.as ligações químicas na sílica são covalentes: eles são baseados em orbitais moleculares em que 2 elétrons são compartilhados entre os átomos (como oposição a iônica títulos que são encontrados em sais, como o flúor ou o sal de mesa; aqui os elétrons são transferidos de um elemento para outro para formar íons de carga elétrica oposta, e em um cristal esses íons são mantidos juntos por atração eletrostática).

Fig.1: SiO4-Tetraedro

Fig.2

Fig.3: Modelo de ligação SiO4-iônica

O bloco básico de construção em quase todas as modificações da sílica (as exceções são modificações de pressão muito alta) é a unidade SiO4, na qual um átomo de silício central é cercado por quatro átomos de oxigênio.

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

a geometria desta unidade é mostrada na figura.1, com silício simbolizado por uma cor de marfim, oxigênio por uma esfera vermelha, e ligações químicas por tubos cinzentos entre eles. Os tamanhos dos átomos não estão em escala. Os átomos de oxigênio ocupam posições em torno do átomo de silício que os mantém na maior distância possível um do outro, de modo que eles formam os quatro cantos de um tetraedro, simbolizado pela translúcida pirâmide cinzenta. Note que os átomos de oxigênio não estão conectados um ao outro, as linhas cinza entre eles só foram desenhadas para visualizar a geometria tetraédrica. O ângulo das ligações o-Si-o centrais é muito próximo do valor de um tetraedro ideal (109,5°, arco cinza-azul na Fig.1), com uma distância de oxigênio de silício de aproximadamente 0.161 nm para todos os átomos de oxigênio, então o tetraedro individual tem uma simetria quase cúbica.

O Si-O título é altamente polar, com elétrons sendo mais atraídos pelo oxigênio, levando a uma distribuição desigual de cargas elétricas no tetraedro: os cantos são mais negativamente, o centro é mais carregada positivamente.moléculas individuais construídas como o = Si = o (com uma estrutura linear como a do dióxido de carbono CO2) só podem ser encontradas em um gás SiO2 a temperaturas acima de 2500°C.

muitos livros explicam a geometria do SiO4-tetraedro e outras estruturas minerais determinadas pelos tamanhos relativos dos diferentes íons, como mostrado na Fig.2: Quanto maior o tamanho relativo do íon central, mais íons de carga oposta são necessários para cercá-lo. Consequentemente, o SiO4 – tetraedro é muitas vezes desenhado como uma pequena catião Si4+ fechada por quatro grandes O2-aniões (Fig.3). Pode-se argumentar que isso é impreciso: Silicon and oxygen are connected by polar covalent bonds of joined electron orbitals, so they form a unit, and are not in the same way separated and freely movable as the ions in a salt. Compostos com Si4+ ions não existem de fato. Há alguma variação na interpretação dos achados experimentais, e enquanto alguns autores vêem a ligação Si-O como primariamente covalente, outros enfatizam as características iônicas da ligação. Para uma revisão, veja Gibbs et al., 1994 and Cohen, 1994.,

 | | 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 |

Fig.4: A rede de sílica é bivalente, e os átomos de oxigênio nos cantos do tetraedro estão ligados a outro átomo de silício em um tetraedro vizinho. Assim, o quartzo e a sílica em geral podem ser descritos como uma rede tridimensional de tetraedra SiO4 interconectada. Uma visão esquemática de sua estrutura em símbolos químicos é mostrada na Fig.4. Figuras mais elaboradas da estrutura molecular de quartzo podem ser encontradas na estrutura do capítulo.

Fig.5 480×640 29kb Fig.6

a ligação Si-o-Si que liga dois tetraedros não é reta (180°), mas forma um ângulo de 144° em quartzo (Fig.5). Como resultado, a estrutura cristalina geral do quartzo é bastante complexa. Em outras modificações de sílica este ângulo é diferente, enquanto os ângulos dentro do tetraedra SiO4 (definido pela ligação O-Si-O) permanecem basicamente os mesmos. A tabela seguinte lista ângulos e distâncias para algumas modificações de sílica. dados de:
➛Hollemann & Wiberg, 1985
➛Rykart, 1995
Measurement with JMol based on unit cell coordinates.

oxigênio tem uma tendência inerente para formar uma ligação angular X-O-X, assim como seus vizinhos no sistema periódico de elementos. A figura 6 mostra modelos de quatro compostos de hidrogênio, água (H2O), metano (CH4),amônia (NH3) e silano (SiH4). As distâncias interatômicas e os tamanhos relativos de C, n, O e Si são de escala, mas os átomos de hidrogênio são de tamanho superior para a legibilidade. As moléculas CH4 e SiH4 são obviamente tetraédricas. NH3 and H2O are almost shaped like a methane molecule with 1 or 2 hydrogen atoms removed, with an H-O-H angle of 104.5° and an H-N-H angle of 106.8°. A razão para esta similaridade é a geometria dos orbitais de elétrons de ligação, os quatro orbitais híbridos sp3, que formam um tetraedro. Um arranjo tetraédrico de quatro orbitais híbridos sp3 também é encontrado no silício e é a principal razão para a forma tetraédrica e a rigidez da unidade SiO4 em sílica e silicatos.

a partir deste seria de esperar que o ângulo Si-o-Si fosse menor, então por que está mais aberto? Por um lado, porque a ligação Si-O é altamente polar e os átomos de oxigênio são negativamente polarizados, há forças repulsivas entre os grupos SiO4, e uma reta Si-o-Si manteria os átomos de oxigênio a uma distância maior. Além disso, o comprimento da ligação Si-O é mais curto do que o calculado para uma única ligação: o valor deve ser 0,181 nm, mas é de facto cerca de 0,161 nm em quartzo e tem valores semelhantes noutras modificações da sílica. Esta é uma indicação para um caráter parcial de ligação dupla desta ligação (Hollemann & Wiberg, 1985), que também explicaria a sua grande força . Esta dupla ligação está de acordo com o ângulo Si-o-Si superior ao esperado (144° em vez de 109,5°). Note que a distância Si-O é menor em β-tridimita, e esta modificação tem um ângulo Si-O-Si de 180°. A teoria por trás do carácter parcial de dupla ligação é bastante complexa e não vou mais longe.embora a sílica quimicamente falada seja um óxido, na literatura mineralógica Anglo-Americana quartzo e todas as outras modificações da sílica são geralmente classificadas como silicatos (com base num esquema de classificação estabelecido por Dana). O raciocínio por trás de chamar o quartzo de silicato é que ele é construído por uma rede de tetraedra SiO4. Os silicatos são classificados de acordo com a forma como os tetraedros SiO4 são integrados na estrutura cristalina e se e como os tetraedros estão ligados uns aos outros, e de acordo com esse quartzo é chamado de tectossilicato (“silicato de rede” ou “silicato de estrutura”). um silicato é um sal de ácidos silícicos e um ou vários metais. Ácido ortossilícico, H4SiO4, é apenas a forma mais simples, outros ácidos silícicos são feitos de várias unidades SiO4 ligadas com hidrogênio.

pode-se pensar que silicatos formam-se quando um hidróxido de metal e orthosilicic ácido reagem, como

mas essa não é a forma de silicatos normalmente formam-se na natureza. Os silicatos podem ser formadas quando um metal óxido ou carbonato reage com a sílica, como

reações Semelhantes de fato ocorrem na natureza, a formação de wollastonite durante metamórficas processos já foram mencionadas (reação ). Mas a forma normal de formação de silicato é a de uma transformação: os silicatos reagem uns com os outros para formar novos silicatos. Uma vez formado, o tetraedro SiO4 não é facilmente quebrado, e só pode ser usado em reações para formar novos anéis, cadeias, folhas ou redes de tetraedra. Somente muito raramente e em ambientes muito especiais pode-se encontrar silício em minerais não-silicatos.

pureza dos Cristais De Quartzo

ao contrário da maioria dos minerais, um cristal de quartzo claro é sempre quimicamente puro, com um teor de SiO2 próximo de 99,5%, muitas vezes mais. Existem basicamente duas razões para isso.em primeiro lugar, o quartzo tem uma estrutura macromolecular. Ele não contém íons isolados de algum elemento que poderia facilmente ser substituído por outro elemento. Se, por exemplo, um sal (um composto feito de íons isolados mantidos juntos por forças eletrostáticas) cresce em uma solução aquosa, seus íons poderiam ser quase arbitrariamente substituído, desde que o tamanho e o custo de substituição de iões de ter um valor idêntico. Quando o quartzo cresce a partir de uma solução aquosa, não há literalmente nada “atraente” na superfície de crescimento para outros íons na solução. Somente se, por exemplo, uma unidade de um grupo é construída em vez de uma unidade SiO4, a estrutura fica eletricamente desequilibrada e permite que um cátion monovalente adicional (principalmente H+, mas também na+ ou Li+) seja incluído. Apenas alguns elementos cumprem os critérios para atuar como uma substituição do Silício na unidade SiO4, como o alumínio em -, fósforo em +, ou ferro em – e desencadear a inclusão de outros íons. Curiosamente, o mineral berlinite, AlPO4, o que pode ser interpretado como a fórmula O2 é um estruturais isomorph de quartzo, mostrando quase idênticos estruturais e propriedades de simetria, e muito semelhante propriedades físicas:

segundo, a rede tridimensional de SiO4 tetrahedra é bastante rígida. Muitos minerais podem tolerar quantidades relativamente grandes de certos outros átomos e/ou íons em sua estrutura cristalina, sem mostrar grandes desvios em suas propriedades físicas. A cor pode mudar completamente, mas os cristais parecem claros e uniformes, como a estrutura de cristal é um pouco flexível ou espaçosa e mantém sua estrutura original como um todo. A cristalina de quartzo, no entanto, é apertado e muito inflexível (tornando-o rígido, mas frágil), e apenas quantidades muito pequenas de uma série de outros elementos com pequenos cátions (geralmente Li, Na, H) pode ser construída durante o crescimento, sem distorcer a estrutura do lattice. E de fato a quantidade de catiões monovalentes encontrada no quartzo é aproximadamente proporcional à quantidade de alumínio. O quartzo que contém grandes quantidades de outras substâncias é translúcido para opaco, e muitas vezes chato, porque o cristal “cresce em torno” dos minerais fechados, e a luz é espalhada nas fronteiras dos diferentes materiais.

isto não é geralmente verdadeiro para as outras modificações da sílica, e parece que para alguns deles a presença de oligoelementos tem de fato um efeito estabilizador em sua estrutura.

mas enquanto a composição global dos cristais de quartzo claros é notavelmente pura (pelo menos quando comparada com a maioria dos outros minerais), as impurezas normalmente não são uniformemente distribuídas dentro do cristal. As concentrações de elementos individuais podem variar por uma ordem de magnitude dentro de uma distância de poucos micrômetros. Por exemplo, a concentração de alumínio pode variar entre menos de 5 ppma (partes por milhão de átomos) a 10000 ppma dentro de um único cristal (➛Perny et al. 1992). O padrão da distribuição do oligoelemento pode ser visível com uma técnica chamada catodoluminescência: feixes de elétrons de alta energia (“raios catódicos”) induzem efeitos de luminescência de curta duração que podem ser capturados em filmes comuns. As fotografias resultantes de finas fatias de cristais mostram um padrão laminar fino. Todas as camadas estão paralelas às faces do cristal, semelhantes aos phantoms, de modo que este padrão de distribuição de oligoelementos é causado por rápidas mudanças no ambiente de crescimento. quimicamente pura ainda não é suficientemente pura para fins técnicos. Um cristal perfeito e homogêneo é tão transparente como um vácuo, mas os oligoelementos causam distorções e defeitos na estrutura do cristal, e isso, por sua vez, afeta as propriedades ópticas. A maioria dos elementos construídos em quartzo (h, Li, Al, na, Ti, Fe) são onipresentes e assim a purificação adicional da sílica é complicada e cara. Por essa razão, depósitos de quartzo com baixo teor de oligoelementos ainda são muito procurados (ver, por exemplo, ➛Larsen et al. 2000).

outras informações, literatura, ligações

uma tabela de propriedades do quartzo pode ser encontrada em mindat.org:

Outra tabela em www.webmineral.com:

Rodapé

1 A IUPAC é uma organização que visa eliminar ambiguidades e engraçado, mas nomes familiares como Knallsäure (do alemão, “batendo ácido”, fulminic ácido) da nomenclatura química. Os nomes antigos ainda são válidos desde que sejam inequívocos. alguns de vós poderão achar tentador fazer algumas experiências com fluoreto de hidrogénio. O fluoreto de hidrogénio é uma substância muito perigosa. Basta olhar para cima um caso em um bom livro de toxicologia; depois da palestra você não vai querer tocá-lo mesmo com um poste. A solução aquosa não é um ácido forte (HF puro é), e as pequenas moléculas HF indissociadas penetram facilmente na pele e ligam o cálcio nas células para formar fluorite insolúvel, CaF2. O cálcio é essencial para as funções vivas de todas as células do corpo. Uma pequena gota em um dedo que passa despercebido, uma vez que não dói imediatamente pode – após algum atraso – causar danos substanciais e grande dor.uma gota (aproximadamente 50 µl) de uma solução de 20% contém 0,00005 L x (200g/l) = 0,01 g. 10 mg, o que não soa muito.

1 mol Ca = 40g and 1 Mol F = 19g. 1 Ca will bind 2 F, thus 40g Ca will bind 38g F from 40g HF. 1 ml do seu tecido corporal contém cerca de 0, 1 mg de Ca, e 0, 1 mg de HF irá deixá-lo precipitar quase completamente. Em teoria, a 10 mg de HF na pequena gota pode precipitar a maioria da Ca em 100 ml de tecido, matando todas as células nela.And no, I am not opposed to water fluoridation (no irony here).o termo “água meteórica” refere-se à sua origem a partir da atmosfera, não de meteoritos. Os gregos pensavam que as estrelas cadentes vinham da mesma esfera que as nuvens.: Estrelas e planetas foram considerados seres eternos, algo nuvens e estrelas cadentes obviamente não são. Pensa em meteorologia.é por isso que o quartzo em rochas vulcânicas é frequentemente acompanhado por calcite.

5This is somewhat counter-intuitive, but a saturated solution is in a thermodynamical equilibrium with the crystal. Quando uma molécula é incorporada em uma estrutura cristalina, novas ligações serão formadas, e dependendo da geometria da estrutura cristalina, mais ou menos energia é liberada ou consumida. Para dissolver uma substância, a energia é necessária para quebrar as ligações, mas a energia também é libertada quando as moléculas de água se orientam para a molécula dissolvida e formam novas ligações electrostáticas (energia de hidratação). Uma modificação mais estável de um composto é geralmente menos solúvel, pois mais energia é necessária para quebrar as ligações.isto não tem nada a ver com a velocidade da reacção. Sob certas condições, uma modificação mais instável irá formar-se primeiro a partir de uma solução e só mais tarde será substituída pela modificação estável.: O quartzo criptocristalino normalmente forma-se a partir de uma solução aquosa, mas com cristobalite e opal sendo passos intermediários, porque a cinética das reações são a favor da formação opal. E quando você coloca um cristal de quartzo em 1 litro de água pura à temperatura ambiente, você pode ter certeza de que quando você tirá-lo no dia seguinte ele não pesará menos 2,9 mg. Provavelmente será muito difícil medir a diferença. Talvez depois de um mês, ou depois de um ano.

6 tetraedros em quartzo são, de fato, perfeitamente isométrica como um ideal tetraedro, mas um pouco distorcido, pois a distância até a central do átomo de silício é 0.16101 nm por 2 átomos de oxigênio, e 0.16145 nm para os outros 2 átomos de oxigênio. Este desvio da forma ideal é negligenciável para a maioria dos propósitos práticos, pois é inferior a 0,3%.

7 os números de oxidação de Si e O são de fato + 4 e -2, respectivamente. A energia necessária para realmente remover 4 elétrons do Si é muito alta para permitir uma ligação estável puramente iônica. Mesmo SiF4 é um composto com ligações polares, mas covalentes, apesar da alta eletronegatividade do flúor. Mas os compostos de si4-anião existem (como Ca2Si).

8Rykart (1995) dá os valores de 152,8° e 143,5° Para α – e β-quartzo, respectivamente. Este parece ser um erro tipográfico, os valores devem ser mudados.

9But it is not true that “anything goes”. Quando um mineral forma, elementos e íons são construídos em sua estrutura cristalina quando eles cumprem certos critérios, como uma carga específica, tamanho ou eletronegatividade, e assim são semelhantes aos que já formam a estrutura.

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