Физические свойства SiO2

Как по мне, у SiO₂ (диоксид кремния) самое важное — сильно зависят свойства от формы: кристаллические полиморфы (кварц, тридимит, кристобалит; при высоком давлении — коэсит и стишовит) и аморфная «плавленая» кремнезёмная стекломасса. Ниже собрал ключевые физические характеристики с ориентирами по числам:

Агрегатное состояние и внешний вид

• Твёрдое, бесцветное/белое. В примесных кварцах возможна окраска (аметист, цитрин и т. п.).

• Аморфная форма — прозрачная «плавленая кварцевка» (fused silica); кристаллическая — кварц (обычно α-кварц).

Плотность (при 20 °C)

• Плавленый SiO₂: ~2,20 г/см³.

• Кварц (α): ~2,65 г/см³.

• Тридимит: ~2,26 г/см³; кристобалит: ~2,33 г/см³.

• Высокодавл. фазы: коэсит ~3,01 г/см³; стишовит ~4,3 г/см³.

Температуры и фазовые переходы

• Размягчение аморфного SiO₂ начинается около 1600–1700 °C; температура плавления ≈ 1710 °C.

• Испарение/диссоциация заметны при > 2000–2500 °C (точное «кипение» для SiO₂ условно, так как идёт разложение/сублимация).

• Полиморфные переходы: α-кварц → β-кварц при ~573 °C (обратимый, сопровождается изменением объёма); при более высоких T — β-тридимит, затем β-кристобалит.

Твёрдость и механика

• Твёрдость по Моосу: кварц — 7; аморфный SiO₂ обычно 5,5–6.

• Хрупкое, высокая износостойкость, низкая пластичность при комнатной T.

• Модуль Юнга: ~70–72 ГПа (плавленый), у α-кварца анизотропен (порядка 70–100 ГПа по разным осям).

Теплофизические свойства

• Теплопроводность при 25 °C: плавленый ~1,3–1,4 Вт/(м·К); кварц 6–8 Вт/(м·К) (анизотропен).

• Коэффициент линейного терморасширения: у плавленого ~0,5×10⁻⁶ К⁻¹ (очень малый); у кварца — анизотропный, порядка 7–14×10⁻⁶ К⁻¹ (зависит от направления).

• Теплоёмкость (25 °C): ~0,70 кДж/(кг·К) для плавленого.

Электрические и диэлектрические свойства

• Отличный изолятор: удельное объёмное сопротивление ~10¹⁴–10¹⁶ Ω·см (падает с ростом T и влажности).

• Диэлектрическая проницаемость (1 кГц–1 МГц): ~3,7–3,9 (плавленый).

• Пробивная прочность: порядок 10 МВ/м.

• Ширина запрещённой зоны: ~8–9 эВ.

• Кварц (кристалл) — пьезоэлектрик; аморфный SiO₂ пьезоэффекта не имеет.

Оптические свойства

• Прозрачен в широком диапазоне: плавленый — примерно от ~160–200 нм (УФ) до ~3–3,5 мкм (ИК) в зависимости от чистоты и OH-групп.

• Показатель преломления: плавленый ~1,458 (589 нм); кварц двупреломляющий: nₒ≈1,544 и nₑ≈1,553 (Δn≈0,009), оптическая активность у правых/левых кристаллов.

• Низкие оптические потери у высокочистого плавленого SiO₂ делают его базой для волоконной оптики и литографии.

Растворимость и химическая стойкость (в привязке к физике поверхности)

• Практически не растворяется в воде и большинстве кислот при комнатной T.

• Растворяется в HF (образуются фторосиликаты), медленно — в горячих концентрированных щёлочах (силикаты).

• Поверхность гидрофильна (силанольные группы), для порошков/гелей характерна высокая удельная поверхность.

Структурные особенности

• Кристаллические полиморфы состоят из тетраэдров SiO₄, соединённых вершинами; стишовит — исключение (октаэдрическая координация, потому и высокая плотность/твёрдость).

• У аморфного SiO₂ дальнего порядка нет, но сохраняется локальная тетраэдрическая координация; это и даёт низкое терморасширение и малую теплопроводность.

Прочие практичные факты

• Температурная шокоустойчивость у плавленого SiO₂ очень высокая именно из-за малых α и λ.

• Радио- и термостойкость хорошие; свойства заметно деградируют при наличии примесей (OH, щёлочные ионы).

• Коэффициент трения высок, к износу стоек.

Если кратко: SiO₂ — твёрдый, термостойкий, химически стойкий, оптически прозрачный и электрически изоляционный материал с очень малыми тепловыми деформациями (особенно в аморфной форме) и выраженной анизотропией свойств в кристаллических фазах.