Biossido di silicio: proprietà, sintesi, reazioni, usi

Il biossido di silicio o silice è un composto inorganico avente formula SiO₂ in cui il silicio ha numero di ossidazione +4. Esiste da quando si è formata la terra, sotto forma di sabbia silicea. Le prime forme di vita costruivano i loro scheletri dal biossido di silicio e le piante preistoriche lo usavano come strutture di supporto.

Successivamente gli antichi romani usarono il biossido di silicio sotto forma di sabbia per rafforzare il cemento e i cristalli di quarzo in gioielleria. I veneziani perfezionarono l’arte del vetro soffiato e usarono la silice nella lavorazione del vetro.

Si trova nel quarzo dove è presenta sotto forma di una struttura cristallina trigonale costituita da tetraedri silicio-ossigeno uniti tra loro per i 4 vertici,  dove ha un abito cristallino esagonale o pseudoesagonale e cristobalite, polimorfo del quarzo, dove l’abito cristallino è variabile a seconda della temperatura a cui si forma.

La silice di origine biologica è prodotta da diatomee, radiolari e spugne che estraggono la silice disciolta in acqua per formare le loro strutture o gusci.

Proprietà

È  un solido molecolare che è poco solubile in acqua e può presentarsi sia allo stato amorfo che allo stato cristallino e può essere di colore grigio o trasparente. Presenta elevato punto di fusione e di ebollizione, densità di 2.65 g/cm³. Sotto forma di quarzo ha durezza 7 nella scala di Mohs.

È una sostanza poco reattiva, non reagisce con gli acidi ad eccezione dell’acido fluoridrico.

Sintesi

Sebbene il biossido di silicio venga rinvenuto nelle rocce che sono molto abbondanti sulla crosta terrestre esso può essere ottenuto attraverso diverse vie sintetiche.

Allo stato amorfo è ottenuto dalla reazione tra il silicato di sodio e acido solforico:
Na₂SiO₇ + H₂SO₄ → 3 SiO₂ + Na₂SO₄ + H₂O

Sottili film di biossido di silicio possono formarsi tramite ossidazione termica su wafer di silicio.
Questa reazione può avvenire per via secca:
Si_(s) + O_2(g)→ SiO_2(s)
o per via umida:
Si_(s) + H₂O_(g)→ SiO_2(s) + H_2(g)

Il biossido di silicio può essere ottenuto dalla reazione tra tetrafluoruro di silicio e acqua:
SiF_4(s) + 2 H₂O_(l) → SiO_2(s) + 4 HF_(aq)

Reazioni

Il biossido di silicio dà molte reazioni tra cui:

• Reazione con il carbonio ad elevate temperature per dare carburo di silicio e monossido di carbonio:
  SiO_2(s) + 3 C_(s) → SiC_(s)+ 2 CO_(g)

• Reazione con idrossido di sodio ad elevate temperature per dare silicato di sodio e idrogeno:
  SiO_2(s) + 4 NaOH_(aq) → Na₄SiO_3(s) + 2 H_2(g)

• Reazione con acido fluoridrico per dare acido esafluorosilicico e acqua:
  SiO_2(s) + 6 HF_(aq) → H₂SiF_6(aq) + 2 H₂O_(l)

A seconda del rapporto stechiometrico il biossido di silicio può reagire con gli ossidi basici come l’ossido di sodio per dare silicato di sodio se il rapporto è di 1:1 o ortosilicato di sodio se il rapporto è di 1:2
SiO_2(s) + Na₂O_(s)→ Na₂SiO_3(s)
SiO_2(s) + 2 Na₂O_(s)→ Na₄SiO_4(s)

Usi

Viene utilizzato:

• • dall’industria delle costruzioni per ottenere il calcestruzzo
  • nella produzione di vetro e ceramiche
  • come chiarificante nei succhi di frutta e vino
  • come antiagglomerante negli alimenti come farina, spezie e zucchero
  • nei dentifrici per rimuovere la placca dentale
  • dall’industria farmaceutica sotto forma colloidale
  • dall’industria cosmetica per controllare la viscosità, come abrasivo negli agenti esfolianti

Inoltre è utilizzato come agente antiagglomerante e nell’industria alimentare si aggiungono piccole quantità ad alcuni alimenti, cosmetici e altro per  evitare che  i prodotti si raggruppino e si leghino insieme.