ซิลิกา (silica/SiO2) และประโยชน์ซิลิกา

16600

ซิลิกา หรือ ซิลิกอนไดออกไซด์ (SiO2) เป็นสารประกอบของซิลิกอน และออกซิเจน มีลักษณะเป็นผลึก ไม่มีสี หรือเป็นผลึกสีขาว ไม่มีกลิ่น และรส พบมากในดิน และหิน และเป็นธาตุที่มีมากเป็นอันดับ 2 บนเปลือกโลกรองจากออกซิเจน และถูกนำมาใช้ประโยชน์ในหลายด้าน อาทิ เป็นสารดูดซับความชื้น เป็นสารเพิ่มความเงา เป็นส่วนผสมของวัสดุก่อสร้าง และใช้เป็นสารเพิ่มความแข็งแรงของผลิตภัณฑ์ เป็นต้น

advertisement

คุณสมบัติทั่วไป
ชื่อทั่วไป : silica, quartz, free crystalline silica, silica flour, silica
สูตรโมเลกุล : SiO2
น้ำหนักโมเลกุล : 60.1
สถานะ : ของแข็งสีขาว ไม่มีกลิ่น
ความถ่วงจำเพาะ : 2.2-2.6
จุดเดือด :  มากกว่า 2200 °ซ
จุดหลอมเหลว : 1713 °ซ
การละลาย :
– ไม่ละลายน้ำหรือละลายได้น้อย
– ไม่ละลายในกรดทุกชนิด ยกเว้นกรดไฮโดรฟลูออริก
– ละลายได้โดยการหลอมกับด่าง
การติดไฟ : ไม่ลุกติดไฟ

ซิลิกาเป็นสารประกอบของธาตุซิลิกอน (Si) และธาตุออกซิเจน(O) มีการจัดเรียงตัวแบบเตตระฮีดรอล (Tetrahedral) แบบตาข่าย 3 มิติแบบไม่รู้จบ โดยมีซิลิกอนเป็นอะตอมกลาง และล้อมรอบด้วย 4 อะตอม ของออกซิเจน เป็น SiO 4 ซึ่งมีอะตอมของออกซิเจน การเปลี่ยนแปลงรูปของซิลิกาจะเกิดขึ้นได้ช้ามาก แต่จะเกิดขึ้นได้เร็วมากเมื่อหลอมรวมกับอัลคาไล (alkali), วานาเดต (vanadate), คลอไรด์ (chloride) และบอเรตท์ (borate) แต่จะไม่เปลี่ยนแปลงสมบัติทางกายภาพมากนัก แบ่งซิลิกาออกเป็น 6 ชนิด คือ
1. นีโซซิลิเกต (Nesosilicate) (Si : O2 = 1 : 4)
2. โซโรซิลิเกต (Sorosilicate) (Si : O2 = 2 : 7)
3. ไซโคลซิลิเกต (Cyclosilicate) (Si : O2 = 1 : 3)
4. ไอโนซิลิเกต (Inosilicate) (Si : O2 = 4 : 11)
5. ฟิลโลซิลิเกต (Phyllosilicate) (Si : O2 = 2 : 5)
6. เทกโทซิลิเกต (Tectosilicate) (Si : O2 = 1 : 2)

สมบัติทางเคมีของซิลิกา
ซิลิกามีสมบัติทางเคมีที่ค่อนข้างเสถียรที่อุณหภูมิปกติ และไม่ทำปฏิกิริยาต่อสารเคมีหลายชนิด แต่สามารถเปลี่ยนรูปแบบได้ โดยซิลิกาชนิดอสัณฐานจะไวต่อปฏิกิริยามากกว่าซิลิกาชนิดผลึก  เพราะซิลิกาอสัณฐานมีพื้นผิวมากกว่า

ส่วนสารละลายกรดจะไม่มีผลต่อซิลิกา ยกเว้นกรดไฮโดรฟลูออริก ซึ่งสามารถทำปฏิกิริยากับซิลิกาจนได้ H2SiF6 ทั้งนี้ ซิลิกาในรูปแบบที่ต่างกันจะเกิดปฏิกิริยากับกรดไฮโดรฟลูออริกได้ต่างกันขึ้นกับความหนาแน่นเป็นหลัก โดยซิลิกาที่มีความหนาแน่นสูงจะเกิดปฏิกิริยาได้น้อยกว่าซิลิกาที่มีความหนาแน่นต่ำ

รูปแบบซิลิกา
1. ซิลิกาผลึก (Crystalline Silica)
เป็นซิลิกาที่พบในรูปแบบสินแร่ มีการจัดเรียงอะตอมของโครงสร้างอย่างมีระเบียบ และ
ต่อเนื่อง มีรูปร่างเป็นระบบผลึกที่แน่นอนภายใต้ความดันปกติ มี 3 รูปแบบ
– ควอร์ตซ์ (Quartz) เป็นรูปที่พบมากที่สุด อุณหภูมิเสถียรน้อยกว่า 870 องศาเซลเซียส
– ไทรดิไมท์ (Tridymite) อุณหภูมิเสถียรที่ 870-1,470 องศาเซลเซียส
– คริสโตบาไลท์ (Cristobalite) อุณหภูมิเสถียรที่ 1470 องศาเซลเซียส และหลอมเหลวที่อุณหภูมิ 1,713 องศาเซลเซียส

ผลึกทั้งสามรูปนี้ สามารถจะเปลี่ยนไปมาระหว่างกันได้โดยการให้ความร้อนหรือลดอุณหภูมิ ซึ่งการเปลี่ยนแปลง (Inversion) นี้มี 2 รูปแบบ คือ แบบที่หนึ่งจะมีการจัดเรียงอะตอมภายในโครงสร้างใหม่ ส่วนแบบที่สองเป็นการเปลี่ยนแปลงแบบรวดเร็ว พันธะเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย แต่สามารถกลับคืนสภาพเดิมได้เร็ว โดย α-quartz ที่อุณหภูมิ 573 °C จะเปลี่ยนเป็น β-quartz ได้อย่างรวดเร็ว ส่วน Quartz ที่มีความบริสุทธิ์สูง ที่อุณหภูมิ 870 °C จะสามารถเปลี่ยนเป็น Cristobalite ได้ แต่หากมีสิ่งเจือปนสูง จะสามารถเปลี่ยนเป็น α-tridymite ที่อุณหภูมิ 870 °C และค่อยเปลี่ยนแปลงเป็น α-cristobalite ที่อุณหภูมิ 1,470 °C ต่อ และหากได้รับอุณหภูมิสูงประมาณ 1,713 °C ก็จะเกิดการหลอมเหลวขึ้น ส่วนในระหว่างการทำให้เย็นลง พบว่า Tridymite และ Cristobalite จะไม่เปลี่ยนมาเป็น Quartz ตามเงื่อนไขปกติ แต่จะมีการเปลี่ยนมาเป็น γ-tridymite และเปลี่ยนเป็น β-cristobalite อย่างรวดเร็ว ดังสมการด้านล่าง

• α Tridymite ⇌ 117-163 °C  ⇌ β Tridymite

• α Cristobalite ⇌ 220-260 °C  ⇌ β Cristobalite

• α Quartz ⇌ 573 °C  ⇌ β Quartz

• Quartz high ⇌ 870 °C  ⇌ Tridymite high ⇌ 1,470 °C  ⇌ Cristobalite high

quartz silica
quartz silica

ผลึกทั้ง 3 ชนิด เป็นรูปแบบที่เกิดขึ้นในธรรมชาติ โดย Cristobalite ที่สามารถสังเคราะห์ได้ เช่น Keatite, Coesite, Stishovite และ Silica

ชนิดซิลิกา ระบบผลึก ความหนาแน่น (g/cm3)
β-quartz trigonal 2.65
α-quartz hexagonal 2.53
γ-tridymite orthorhombic 2.26
β-tridymite hexagonal
α-tridymite hexagonal 2.22
β-cristobalite tetragonal 2.32
α-cristobalite cubic 2.2

2. ซิลิกาอสัณฐาน (Amorphous silica)
เป็นซิลิกาที่เกิดจากสิ่งมีชีวิต (biogenic silica) และสามารถสังเคราะห์ขึ้นได้ มีลักษณะเป็นของแข็ง มีรูปไม่แน่นอน ไม่เป็นผลึก มีการจัดเรียงอะตอมภายในโครงสร้างไม่เป็นระเบียบ อาจอยู่ในรูปของไฮเดรต (Hydrate) หรือ แอนไฮเดรต (Anhydrate) มีพันธะหลายรูปแบบ เช่น siloxane (-Si-O-Si-), silonol (-Si-O-H-), silane (-Si-H), Organic silicon (-Si-O-R หรือ -Si-C-R)

การสังเคราะห์จะสามารถสังเคราะห์ได้จากการให้ความร้อนจนมีสภาวะเป็นไอ และการตกตะกอนสารละลาย แบ่งเป็น 3 ประเภท ตามลักษณะผลิตภัณฑ์ที่เตรียมได้ ได้แก่
1) วิเทรียสซิลิกา (vitreous silica) หรือ ซิลิกาแก้ว (silica glass) เป็นของแข็ง ไม่มีรูพรุน ผลิตได้จากการหลอมเหลวผลึกซิลิกาอสัณฐานแล้วปล่อยให้เย็นตัว

2) ซิลิกาเจล (silica gel) มีลักษณะแข็ง มีรูพรุนสูง มีโครงสร้างรูพรุนแบบเปิด และมีพื้นที่ผิวสูง แบ่งออกเป็น 4 ชนิดคือ
– อะควาเจล (aquagel) มีลักษณะเป็นเจลเหลว ภายในมีน้ำมาก เตรียมได้จากสารละลาย
– อัลโคเจล (alcogel) มีลักษณะเป็นเจล เตรียมได้จากอัลคอกซี-ไซเลน
– ซีโรเจล (xerogel) มีลักษณะเป็นเจลแห้ง จากการกำจัดน้ำออกด้วยการระเหย มีโครงสร้างไม่เปลี่ยนแปลงไปจากเดิม
– แอโรเจล (aerogel) มีลักษณะเป็นเจลแห้ง น้ำหรือตัวทำละลายถูกกำจัดด้วยวิธีสกัดแบบซูเปอร์คริติคอล เตรียมได้จากกระบวนการทำแห้ง ณ อุณหภูมิเหนือจุดวิกฤต

3) ซิลิกาผง (powder silica) เป็นซิลิกาที่เตรียมได้จากสภาวะกลายเป็นไอ และการตกตะกอนของสารละลายที่มีลักษณะการฟุ้งกระจายของอนุภาคสูง เมื่อตกตะกอนจะได้ซิลิกาที่มีมีขนาดเล็กมาก และมีพื้นที่ผิวสูง
– อะควาจีนิก (aquagenic) เตรียมได้จากการตกตะกอนในสารละลายหรือจากอะควาเจล
– ไพโรจีนิก (pyrogenic) เตรียมได้จากการระเหยของซิลิกาโดยใช้เปลวไฟหรือการอาร์ค (arc) ในสภาวะที่ไม่มีก๊าซออกซิเจน และเกิดการรวมตัวกันทางกายภาพ หรือเกิดจากการรวมตัวกันทางเคมีของไอสารประกอบซิลิคอนจากเปลวไฟของไฮโดรเจนกับออกซิเจน
– ไบโอจีนิก (biogenic) เป็นประเภทของอะควาจีนิคชนิดพิเศษประเภทหนึ่งที่พบในพืช และไดอะตอม

ประโยชน์ซิลิกา
1. ซิลิกา
– ซิลิกาเป็นวัตถุดิบสำหรับเป็นส่วนผสมในวัสดุก่อสร้าง

2. ซิลิกาอสัณฐาน (Amorphous Silica)
– ใช้เป็นองค์ประกอบตัวเร่งปฏิกิริยา
– ใช้เป็นสารเพิ่มความแข็งแรง และความหนาแน่นในผลิตภัณฑ์ยาง พลาสติก และโพลีเมอร์ เป็นต้น
– ใช้เป็นสารเพิ่มแรงยึดติดในผลิตภัณฑ์กาว
– ใช้เป็นสารลดแรงยึดเหนี่ยวระหว่างของแข็งที่แขวนลอยในของเหลว
– ใช้เป็นสารเพิ่มความหนืดในผลิตภัณฑ์หลายชนิด เช่น จารบี หมึกพิมพ์ สี ยา และเครื่องสำอาง เป็นต้น
– ใช้เป็นสารอิมัลซิไฟเออร์ทำให้สารที่ไม่ละลายกันผสมเข้ากันได้ดี เช่น น้ำกับน้ำมัน
– ใช้เป็นสารป้องกันการเกิดโฟม
– ใช้เป็นสารปรับสภาพพื้นผิวให้มีคุณสมบัติชอบน้ำ
– ใช้เป็นสารเพิ่มความเงา
– ใช้เป็นสารดูดความชื้น
– ใช้เป็นสารเติมแต่ง

ซิลิกาเจล
ซิลิกาเจล
advertisement