سیلیس چیست؟ – انواع و کاربردها + فرمول شیمیایی

سیلیس (دی اکسید سیلیسیم) یا سیلیکون دی اکسید، یک ترکیب معدنی با فرمول شیمیایی $$SiO_2$$ است که از یک اتم سیلیسیم و دو اتم اکسیژن تشکیل شده است. این ماده یکی از مهم‌ترین ترکیبات معدنی در طبیعت محسوب می‌شود و به طور گسترده در کانی‌هایی مانند کوارتز و ماسه یافت می‌شود. سیلیس در مباحثی مانند ساختار اتم، پیوندهای شیمیایی و ترکیبات معدنی اهمیت ویژه‌ای دارد. در این مطلب از مجله فرادرس می‌آموزیم سیلیس چیست و چه خواص و کاربردهایی دارد.

در ابتدای این مطلب می‌آموزیم مفهم سیلیس چیست و چه خواصی دارد. در ادامه ساختار شیمیایی و آلوتروپ‌های این ماده را بررسی می‌کنیم. سپس به بررسی خواص فیزیکی و شیمیایی سیلیس می‌پردازیم و روش کشف و تولید آن را شرح می‌دهیم. در نهایت به بررسی انواع، کاربرد و خواص این ماده می‌پردازیم. با مطالعه این مطلب تا انتها می‌توانید به شکلی کامل بیاموزید سیلیس چیست.

سیلیس چیست؟

سیلیس یا دی اکسید سیلیسیم که با نام‌های سیلیس یا سیلیکا نیز شناخته می‌شود، یکی از فراوان‌ترین اکسیدهای سیلیسیم است که به طور طبیعی در کانی‌هایی مانند کوارتز و بخش عمده ماسه‌ها یافت می‌شود. این ترکیب به دلیل فراوانی، پایداری شیمیایی و خواص فیزیکی مناسب، یکی از مهم‌ترین مواد معدنی مورد استفاده در صنایع مختلف به شمار می‌رود. فرمول شیمیایی سیلیس به شکل ($$SiO_2$$)  است.

سیلیکا به صورت‌های طبیعی و مصنوعی مانند کوارتز ذوب‌شده، سیلیکای دودزا، اوپال و آئروژل تولید یا یافت می‌شود. این ماده کاربردهای گسترده‌ای در تولید شیشه، مصالح ساختمانی، صنایع الکترونیک، ریزتراشه‌ها، صنایع غذایی و داروسازی دارد و همچنین یکی از اجزای اصلی شیشه محسوب می‌شود.

نام‌های دیگر سیلیس چیست؟

سیلیس در منابع مختلف با نام‌های سیلیکون دی اکسید، سیلیسیم دی اکسید، سیلیکا، کوارتز، سیلیسیک اکسید، سیلیسیم (IV) اکسید، سیلیکای کریستالی، سیلیسیا و شن سیلیکا شناخته و نام برده می‌شود.

ساختار سیلیس چیست؟

در بیشتر ساختارهای سیلیس، هر اتم سیلیسیم با چهار اتم اکسیژن پیوند کووالانسی برقرار می‌کند و آرایش چهاروجهی (تتراهدرال) دارد. این پیوندها یک شبکه سه‌بعدی بسیار پایدار ایجاد می‌کنند که دلیل اصلی سختی، استحکام و نقطه ذوب بالای سیلیکا است. برخلاف آن، دی‌اکسید کربن ($$CO_2$$)، که یکی از ترکیبات عنصر هم دوره سیلیسیم است، دارای ساختار مولکولی خطی است و این تفاوت ساختاری، ناشی از توانایی محدود سیلیسیم در تشکیل پیوندهای دوگانه پایدار با اکسیژن است.

سیلیس از نظر ساختار بلوری به دو گروه اصلی سیلیکای بلوری و سیلیکای آمورف تقسیم می‌شود. سیلیکای بلوری به طور طبیعی در کانی‌هایی مانند کوارتز، تریدیمیت، کریستوبالیت، استیشوویت و کوزیت یافت می‌شود که هر یک در شرایط دما و فشار متفاوت تشکیل می‌شوند. در مقابل، سیلیکای آمورف فاقد نظم بلوری است و نمونه‌های طبیعی آن شامل اوپال و خاک دیاتومه هستند. همچنین شیشه کوارتز ساختاری میانی بین حالت بلوری و آمورف دارد.

پلی مورف های سیلیس

سیلیس بیش از هر ماده دیگری ساختارهای بلوری متفاوت دارد. این ساختارها پلی‌مورف نام دارند و بسته به دما و فشار محیط در زمان تشکیل، می‌توانند ساختارهای متفاوتی داشته باشند. در ادامه برخی از این ساختارها معرفی شده است.

آلوتروپ های سیلیس چیست؟

سیلیس دارای چندشکلی (پلی‌مورفیسم) است. یعنی می‌تواند با ترکیب شیمیایی یکسان اما ساختارهای بلوری متفاوت وجود داشته باشد. آلفا - کوارتز پایدارترین شکل سیلیس در دمای اتاق است. در حالی که تریدیمیت و کریستوبالیت در دماهای بالا، و کوزیت، استیشوویت و سیفرتیت در فشارهای بالا تشکیل می‌شوند. هر یک از این پلی‌مورف‌ها چگالی، ضریب شکست و خواص فیزیکی متفاوتی دارند.

برای مثال، تبدیل آلفا-کوارتز به بتا-کوارتز در دمای ۵۷۳ درجه سانتی‌گراد رخ می‌دهد و به دلیل تغییر قابل توجه حجم، می‌تواند باعث ایجاد ترک در سرامیک‌ها و سنگ‌ها شود. همچنین استیشوویت به دلیل آرایش متفاوت اتم‌های سیلیسیم و اکسیژن، چگالی بسیار بیشتری نسبت به کوارتز دارد و در شرایط فشار بسیار بالا تشکیل می‌شود.

ساختار هندسی سیلیس چیست؟

با وجود تنوع ساختارهای بلوری سیلیس، محیط اطراف اتم‌های سیلیسیم و اکسیژن در همه آن‌ها مشابه است. به طوری که هر اتم سیلیسیم با چهار اتم اکسیژن در یک آرایش چهاروجهی پیوند دارد. با این حال، طول پیوند $$Si-O$$ و زاویه $$Si-O-Si$$ در پلی‌مورف‌های مختلف اندکی متفاوت است که این اختلاف‌ها بر ویژگی‌های فیزیکی و پایداری هر ساختار تاثیر می‌گذارد.

برای مثال، در آلفا-کوارتز طول پیوند $$Si-O$$ حدود ۱۶۱ پیکومتر است، در حالی که در آلفا-تریدیمیت این مقدار بین ۱۵۴ تا ۱۷۱ پیکومتر تغییر می‌کند. همچنین زاویه $$Si-O-Si$$ از حدود ۱۴۰ درجه در آلفا-تریدیمیت تا ۱۸۰ درجه در بتا-تریدیمیت متغیر است و در آلفا-کوارتز مقدار آن حدود ۱۴۴ درجه است. این تفاوت‌های ساختاری، علت ایجاد فازهای مختلف سیلیس با خواص فیزیکی متفاوت هستند.

یادگیری شیمی دوازدهم با فرادرس

سیلیس یکی از مواد مولکولی بسیار ویژه است که به دلیل ساختار هندسی خود در بسیاری از صنایع کاربرد دارد و خواص ساختاری سیلیس در شیمی دوازدهم بررسی شده است. برای درک بهتر خواص این ماده نیاز است ابتدا با مفاهیمی چون جدول تناوبی عناصر، آرایش الکترونی، الکترون ظرفیت، پیوند کووالانسی و آلوتروپ‌های مواد آشنا شویم. پیشنهاد می‌کنیم برای درک بهتر این مفاهیم، به مجموعه فیلم آموزش دروس پایه دوازدهم فرادرس، بخش شیمی مراجعه کنید که با زبانی ساده ولی کاربردی به توضیح این موارد می‌پردازد.

همچنین، با مراجعه به فیلم‌های آموزش فرادرس که در ادامه آورده شده است، می توانید به آموزش های بیشتری در زمینه خواص سیلیس دسترسی داشته باشید.

• فیلم آموزش شیمی ۱ پایه دهم گواهینامه فرادرس
• فیلم آموزش شیمی ۱ پایه دهم حل سوالات تشریحی امتحانات نهایی فرادرس
• فیلم آموزش شیمی ۲ پایه یازدهم رشته علوم تجربی و ریاضی و فیزیک فرادرس

خواص فیزیکی و شیمیایی سیلیس

سیلیس دارای سختی بالا، نقطه ذوب زیاد، پایداری حرارتی مناسب و رسانایی الکتریکی بسیار کم است و به همین دلیل در تولید شیشه، سرامیک و مواد نسوز کاربرد گسترده‌ای دارد. از نظر شیمیایی نیز ماده‌ای پایدار و کم‌واکنش است که در برابر بسیاری از اسیدها مقاوم بوده، اما با اسید هیدروفلوئوریک ($$HF$$) و محلول‌های غلیظ قلیایی واکنش می‌دهد.

در ادامه خواص فیزیکی و شیمیایی این ماده را بررسی می‌کنیم.

خواص فیزیکی سیلیس

سیلیس جامدی سخت، سفید یا بی‌رنگ، بدون بو و نامحلول در آب است. این ماده نقطه ذوب بالایی، حدود ۱۷۱۰ درجه سانتی‌گراد، دارد و به صورت بلوری، مانند کوارتز، یا آمورف، مانند شیشه و سیلیکاژل، یافت می‌شود. در ادامه برخی از خواص فیزیکی این ماده معرفی شده است.

• سیلیس کریستالی بدون رنگ یا پودر کریستالی سفید رنگ است.
• چگالی این ماده در فرم آلفا کوارتز برابر با ۲٫۶۴۸ گرم بر سانتی متر مکعب است.
• چگالی این ماده در فرم آمورفی برابر با ۲٫۲۹۶ گرم بر سانتی متر مکعب است.
• نقطه ذوب سیلیس در فرم آمورف برابر با ۱۷۱۳ درجه سانتی‌گراد است.

خواص شیمیایی سیلیس

سیلیس از نظر شیمیایی بسیار پایدار است و واکنش‌پذیری کمی دارد. این ترکیب یک اکسید اسیدی محسوب می‌شود و با بازهای قوی واکنش داده و سیلیکات‌ها را تشکیل می‌دهد. همچنین با بیشتر اسیدها واکنش نمی‌دهد، اما در اسید هیدروفلوئوریک حل می‌شود. علاوه بر این، در دماهای بالا با کربن احیا شده و سیلیسیم تولید می‌کند.

دی‌اکسید سیلیکون یا سیلیس $$(SiO_2)$$ یکی از مهم‌ترین جامدات شبکه‌ای کووالانسی است و به صورت طبیعی در چندین ساختار بلوری مختلف، از جمله کوارتز، یافت می‌شود. شن نیز عمدتا از ذرات ریز کوارتز تشکیل شده است. در ساختار بلوری سیلیس، هر اتم سیلیسیم با چهار اتم اکسیژن و هر اتم اکسیژن با دو اتم سیلیسیم پیوند کووالانسی برقرار می‌کند و در نتیجه یک شبکه سه‌بعدی گسترده ایجاد می‌شود. این ساختار علت اصلی نقطه ذوب بالا، سختی زیاد و پایداری شیمیایی سیلیس است.

برخلاف دی‌اکسید کربن $$(CO_2)$$ که از مولکول‌های مجزا تشکیل شده است، سیلیس به صورت مولکول‌های مستقل وجود ندارد. دلیل این موضوع، تمایل کم سیلیسیم به تشکیل پیوندهای دوگانه است. بنابراین، برای تامین ظرفیت پیوندی سیلیسیم و اکسیژن، اتم‌ها در قالب یک شبکه پیوسته به یکدیگر متصل می‌شوند و ساختار غول‌پیکر کووالانسی سیلیس را به وجود می‌آورند.

فرمول مولکولی و ترکیب

فرمول شیمیایی سیلیس $$SiO_2$$ است. هر مولکول آن از یک اتم سیلیسیم و دو اتم اکسیژن تشکیل شده است. سیلیس در گروه اکسیدهای اسیدی قرار می‌گیرد و در طبیعت به صورت کانی‌هایی مانند کوارتز و ماسه یافت می‌شود. پیشنهاد می‌کنیم برای شناخت بهتر ساختار شیمیایی این مواد، فیلم آموزش کانی شناسی فرادرس که لینک آن در ادامه آورده شده است را مشاهده کنید.

 سیلیس مذاب چیست؟

سیلیس مذاب، سیلیس در حالت مایع است. سیلیس مذاب در مقایسه با بسیاری از مواد مذاب، رفتارهای فیزیکی غیرمعمولی از خود نشان می‌دهد. برای مثال، با افزایش دما در برخی بازه‌ها دچار انبساط منفی می‌شود، در دماهای بسیار بالا بیشترین چگالی را دارد و ظرفیت گرمایی آن نیز در دماهای مشخص به کمترین مقدار می‌رسد. همچنین چگالی آن با افزایش دما، از حدود ۲٫۰۸ گرم بر سانتی‌متر مکعب در ۱۹۵۰ درجه سانتی‌گراد به حدود ۲٫۰۳ گرم بر سانتی‌متر مکعب در ۲۲۰۰ درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یابد.

سیلیس در حالت مولکولی نیز می‌تواند به صورت مولکول‌های منفرد یا دوتایی وجود داشته باشد. مولکول منفرد $$SiO_2$$ ساختاری خطی مشابه $$CO_2$$ دارد، در حالی که در ساختار دوتایی، دو اتم اکسیژن به عنوان پل بین دو اتم سیلیسیم قرار می‌گیرند. این ساختارها بیشتر در شرایط آزمایشگاهی تولید و بررسی می‌شوند و برای مطالعه ویژگی‌های پیوندهای شیمیایی و ساختار مولکولی سیلیس اهمیت دارند.

نکات سیلیس در شیمی دوازدهم

سیلیس یکی از مواد بررسی شده در شیمی دوازدهم است که به دلیل ساختار ویژه مقاومت حرارتی بالا مورد مطالعه قرار گرفته است. این ماده از عنصر سیلیسیم تولید شده است که هم گروه با عنصر کربن بوده و در گروه ۱۴ جدول تناوبی قرار دارد. سیلیسیم پس از اکسیژن، فراوان‌ترین عنصر موجود در پوسته جامد زمین است و بخش عمده‌ای از این لایه را ترکیبات سیلیسیم و اکسیژن تشکیل می‌دهند. به همین دلیل، سیلیس ($$SiO_2$$) یا سیلیس، فراوان‌ترین اکسید در پوسته زمین به شمار می‌رود. کوارتز یکی از خالص‌ترین شکل‌های طبیعی سیلیس است، در حالی که ماسه معمولا حاوی ناخالصی‌هایی مانند اکسیدهای فلزی و سایر کانی‌ها است.

برخلاف کربن که می‌تواند به صورت خالص در طبیعت یافت شود، سیلیسیم به دلیل تمایل زیاد به واکنش با اکسیژن و استحکام بالای پیوند $$Si-O$$، عمدتا به صورت ترکیباتی مانند سیلیس وجود دارد. سیلیسیم خالص از احیای سیلیس با کربن تولید می‌شود، اما برای کاربردهای الکترونیکی باید خلوص بسیار بالایی داشته باشد. همچنین، سیلیس به دلیل مقاومت حرارتی زیاد، در برابر دماهای بالا پایداری بالایی از خود نشان می‌دهد و به همین علت در کاربردهای نسوز و ساخت تجهیزات مقاوم به حرارت نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. پیشنهاد می‌کنیم برای درک بهتر این موارد و سوالات مربوط به سیلیس، مطلب خود را بیازمایید شیمی دوازدهم مجله فرادرس را مطالعه کنید.

سنگ سیلیس و انواع آن

سنگ‌های سیلیسی دسته‌ای از سنگ‌های رسوبی هستند که بخش عمده ترکیب آن‌ها را سیلیس با فرمول شیمیایی $$SiO_2$$ تشکیل می‌دهد. رایج‌ترین نوع این سنگ‌ها چرت است و از دیگر انواع آن می‌توان به دیاتومیت اشاره کرد. سنگ‌های سیلیسی معمولا در اثر تجمع بقایای جانداران ترشح‌کننده سیلیس مانند رادیولاریاها، دیاتوم‌ها و برخی از انواع اسفنج‌های دریایی تشکیل می‌شوند.

تولید سیلیس

سیلیس عمدتا از استخراج معادن، به ویژه معادن ماسه و کوارتز، به دست می‌آید. کوارتز به دلیل خلوص بالا در بسیاری از کاربردها به طور مستقیم قابل استفاده است، اما برای تولید سیلیس با خلوص بیشتر یا ویژگی‌های خاص، مانند ذرات ریزتر یا واکنش‌پذیری بالاتر، از فرایندهای شیمیایی تصفیه و خالص‌سازی استفاده می‌شود. در ادامه انواع روش‌های تولید سیلیس را توضیح می‌دهیم.

تولید از سدیم سیلیکات

سیلیس به طور طبیعی در معادن وجود دارد، اما به روش‌های مصنوعی نیز تولید می‌شود. در آزمایشگاه می‌توان آن را از واکنش سیلیکات سدیم با اسید کلریدریک تهیه کرد.

$$Na_2SiO_3+2HCl\rightarrow2NaCl+H_2O+SiO_2$$

در مقیاس صنعتی، بیشتر سیلیس از استخراج و خالص‌سازی ماسه کوارتزی به دست می‌آید. همچنین در برخی فرایندها، از سوختن ترکیبات سیلیسیم در حضور اکسیژن نیز تولید می‌شود.

سیلیس رسوبی

سیلیس رسوبی یا سیلیس آمورف از اسیدی کردن محلول سیلیکات سدیم تولید می‌شود. در این فرایند، ابتدا ژل سیلیکا تشکیل شده و پس از شستشو و آب‌گیری، به سیلیس میکروحفره‌ای، بی‌رنگ و آمورف تبدیل می‌شود. واکنش شیمیایی این فرایند به شکل زیر است.

$$Na_2Si_3O_7+H_2SO_4\rightarrow3SiO_2+Na_2SO_4+H_2O$$

این روش یکی از مهم‌ترین روش‌های صنعتی تولید سیلیس است و بخش قابل توجهی از سیلیس تولیدی جهان به این شیوه تهیه می‌شود. سیلیس رسوبی به دلیل سطح ویژه بالا و اندازه ذرات ریز، کاربرد گسترده‌ای در تولید کامپوزیت‌های پلیمری، به ویژه تایر خودرو، زیره کفش و محصولات لاستیکی دارد.

اکسیداسیون خشک

در صنعت نیمه‌رساناها، لایه‌های بسیار نازکی از سیلیس به روش اکسیداسیون حرارتی روی ویفرهای سیلیسیمی تشکیل می‌شود. این لایه‌ها به طور طبیعی نیز روی سطح سیلیسیم ایجاد می‌شوند، اما برای کنترل ضخامت و کیفیت آن‌ها، فرایند اکسیداسیون در دماهای حدود ۶۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود.

در اکسیداسیون خشک، سیلیسیم با اکسیژن واکنش می‌دهد. واکنش شیمیایی این فرایند به شکل زیر است.

$$Si+O_2\rightarrow SiO_2$$

در اکسیداسیون مرطوب نیز از بخار آب استفاده می‌شود. واکنش شیمیایی این فرایند به شکل زیر است.

$$Si+2H_2O\rightarrow SiO_2+2H_2$$

لایه سیلیس، به دلیل پایداری شیمیایی بالا و خاصیت عایق الکتریکی، از سطح سیلیسیم محافظت کرده و در ساخت تراشه‌ها و مدارهای مجتمع برای کنترل جریان الکتریکی و افزایش عملکرد قطعات الکترونیکی کاربرد گسترده‌ای دارد.

روش آزمایشگاهی

در روش‌های آزمایشگاهی، سیلیس معمولا از ترکیبات آلی سیلیسیم مانند تترااتیل اورتوسیلیکات (TEOS) تولید می‌شود. این ترکیب با حرارت دادن، احتراق یا هیدرولیز به روش سل-ژل، به سیلیس با خلوص بالا تبدیل می‌شود. این روش‌ها برای تولید نانوذرات، پوشش‌های محافظ، مواد سرامیکی و کاربردهای پیشرفته آزمایشگاهی و صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در روش تجزیه حرارتی، TEOS در دمای حدود ۶۸۰ تا ۷۳۰ درجه سانتی‌گراد به سیلیس تبدیل می‌شود. واکنش شیمیایی این فرایند به شکل زیر است.

$$Si(OC_2H_5)_4\rightarrow SiO_2+2O(C_2H_5)_2$$

در روش سل-ژل نیز، TEOS در حضور آب هیدرولیز شده و سیلیس تولید می‌کند.

$$Si(OC_2H_5)_4+2H_2O\rightarrow SiO_2+4HOCH_2CH_3$$

انواع سیلیس چیست؟

سیلیس یک کانی طبیعی است که از سیلیسیم و اکسیژن تشکیل شده و فرمول شیمیایی آن $$SiO_2$$ است. در زمین‌شناسی، کانی به ماده‌ای جامد، طبیعی و دارای ترکیب شیمیایی مشخص و ساختار بلوری منظم گفته می‌شود. اگرچه ترکیب شیمیایی سیلیس ساده به نظر می‌رسد، اما این ماده در طبیعت به شکل‌های مختلفی با ساختارها و ویژگی‌های متفاوت یافت می‌شود.

رایج‌ترین کانی تشکیل‌شده از $$SiO_2$$، کوارتز است. علاوه بر کوارتز، سیلیس می‌تواند بسته به شرایط دما، فشار و نحوه تشکیل، به صورت چندریخت‌هایی مانند تریدیمیت، کریستوبالیت، کوزیت و استیشوویت نیز وجود داشته باشد که هر یک ساختار بلوری و خواص فیزیکی متفاوتی دارند.

سیلیس بلوری

سیلیس بلوری شکلی از سیلیس با فرمول شیمیایی $$SiO_2$$ است که اتم‌های سیلیسیم و اکسیژن در آن به صورت منظم و تکرارشونده در یک شبکه بلوری سه‌بعدی قرار گرفته‌اند. رایج‌ترین نوع سیلیس بلوری، کوارتز است و انواع دیگری مانند کریستوبالیت و تریدیمیت نیز وجود دارند. این ساختار منظم باعث افزایش سختی، پایداری شیمیایی، مقاومت حرارتی و استحکام مکانیکی سیلیس بلوری شده و آن را به ماده‌ای پرکاربرد در صنایع شیشه، سرامیک، ساختمان و الکترونیک تبدیل کرده است.

سیلیس آمورف

سیلیس آمورف نیز دارای فرمول شیمیایی $$SiO_2$$ است، اما برخلاف سیلیس بلوری، اتم‌های آن آرایش منظم و بلوری ندارند و به صورت نامنظم در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. از مهم‌ترین انواع سیلیس آمورف می‌توان به شیشه، ژل سیلیکا، سیلیس رسوبی و سیلیس دودی اشاره کرد. این نوع سیلیس در تولید شیشه، مواد جاذب رطوبت، افزودنی‌های غذایی و دارویی، لاستیک، رنگ و صنایع شیمیایی کاربرد گسترده‌ای دارد و در مقایسه با سیلیس بلوری، خطرات کمتری برای سلامت انسان ایجاد می‌کند.

کاردبرد سیلیس چیست؟

در قسمت‌های قبل آموختیم سیلیس چیست و چه ساختاری دارد. این ماده در صنایع مختلفی از جمله ساختمان سازی، صنعت شیشه، صنایع غذایی، دارویی و آرایشی، نیمه‌هادی‌ها و بسیاری صنایع دیگر کاربرد دارد. در ادامه، مهم‌ترین کاربردهای سیلیس را بررسی می‌کنیم.

صنعت ساختمان، متالورژی و نفت

بیش از ۹۵ درصد مصرف تجاری سیلیس، عمدتا به صورت ماسه سیلیسی، در صنعت ساختمان است. این ماده یکی از اجزای اصلی بتن و سیمان پرتلند محسوب می‌شود و به دلیل استحکام، پایداری و فراوانی، نقش مهمی در تولید مصالح ساختمانی ایفا می‌کند.

ماسه سیلیسی با اندازه و شکل ذرات مناسب، در ریخته‌گری فلزات نیز برای ساخت قالب‌های ماسه‌ای به کار می‌رود. همچنین به دلیل نقطه ذوب بالا، در ریخته‌گری آهن و برخی فرایندهای صنعتی کاربرد دارد. علاوه بر این، سیلیس بلوری در فرایند شکست هیدرولیکی برای استخراج نفت و گاز از مخازن متراکم و سازندهای شیل مورد استفاده قرار می‌گیرد.

صنعت شیشه

سیلیس ماده اولیه اصلی در تولید بیشتر انواع شیشه است. افزودن سایر مواد معدنی به سیلیس باعث کاهش نقطه ذوب، افزایش روانی مذاب و تسهیل فرایند شیشه‌سازی می‌شود. اگر سیلیس مذاب به سرعت سرد شود، به جای تشکیل ساختار بلوری، به شیشه تبدیل می‌شود. به همین دلیل، سیلیس جزء اصلی بیشتر لعاب‌های سرامیکی نیز به شمار می‌رود.

علاوه بر شیشه، سیلیس در تولید فیبرهای نوری، انواع سرامیک، سفال و چینی کاربرد گسترده‌ای دارد. همچنین از سیلیس برای تولید سیلیسیم خالص استفاده می‌شود. در این فرایند، سیلیس در کوره قوس الکتریکی با کربن احیا شده و سیلیسیم تولید می‌شود.

$$SiO_2+2C\rightarrow Si+2CO$$

تولید سیلیس دودی

سیلیس دودی (Fumed Silica) یا سیلیس پیروژنیک، نوعی سیلیس آمورف با ذرات بسیار ریز است که معمولا از سوزاندن تتراکلرید سیلیسیم ($$SiCl_4$$) در شعله غنی از اکسیژن و هیدروژن تولید می‌شود. در این فرایند، ذرات بسیار ریز سیلیس به صورت دود تشکیل شده و به شکل پودری سفیدرنگ با سطح ویژه بسیار بالا جمع‌آوری می‌شوند.

$$SiCl_4+2H_2+O_2\rightarrow SiO_2+4HCl$$

ذرات سیلیس دودی به دلیل اندازه بسیار کوچک و سطح ویژه زیاد، به عنوان غلیظ‌کننده، عامل ضدکلوخه شدن و افزودنی در صنایع رنگ، پوشش، چسب، لاستیک، داروسازی و لوازم آرایشی کاربرد دارند. همچنین نوع دیگری از سیلیس به نام میکروسیلیس یا دوده سیلیسی، که محصول جانبی تولید سیلیسیم و فروسیلیسیم است، به عنوان ماده ‌ای در تولید بتن‌های پرمقاومت و افزایش دوام آسفالت مورد استفاده قرار می‌گیرد.

صنایع غذایی، آرایشی و دارویی

سیلیس، به ویژه در انواع کلوئیدی، رسوبی و سیلیس دودی، یکی از افزودنی‌های پرکاربرد در صنایع غذایی، آرایشی و دارویی است. در صنایع غذایی از آن به عنوان عامل ضدکلوخه شدن و بهبوددهنده جریان پودرها، مانند ادویه‌ها، پودرهای نوشیدنی و مکمل‌های غذایی، استفاده می‌شود. همچنین سیلیس کلوئیدی به عنوان شفاف‌کننده در تولید نوشیدنی‌هایی مانند آبمیوه و سایر نوشیدنی‌ها به کار می‌رود و با شماره افزودنی غذایی E551 شناخته می‌شود.

در صنایع آرایشی و بهداشتی، سیلیس به دلیل توانایی جذب رطوبت، پخش یکنواخت نور و ایجاد بافتی نرم، در محصولاتی مانند پودرهای آرایشی و کرم‌ها کاربرد دارد. علاوه بر این، خاک دیاتومه و سیلیس هیدراته به عنوان مواد ساینده ملایم در تولید خمیردندان استفاده می‌شوند و به پاک‌سازی پلاک و لکه‌های دندان بدون آسیب جدی به مینای دندان کمک می‌کنند.

نیمه هادی ها

سیلیس یکی از مواد اصلی در صنعت الکترونیک است و به دلیل خاصیت عایق بودن، برای محافظت از قطعات و جداسازی بخش‌های مختلف مدارهای الکترونیکی استفاده می‌شود. این ماده به افزایش پایداری، دوام و عملکرد تراشه‌های سیلیکونی در نیمه هادی‌ها کمک می‌کند.

همچنین لایه نازکی از سیلیس روی سطح سیلیسیم تشکیل می‌شود که از آن در ساخت تراشه‌ها، مدارهای مجتمع و بسیاری از قطعات الکترونیکی استفاده می‌شود. به همین دلیل، سیلیس یکی از مواد پایه در تولید تجهیزات الکترونیکی مدرن محسوب می‌شود.

سایر کاربردها

در قسمت‌های قبل آموختیم کاربردهای سیلیس چیست. سیلیس علاوه بر کاربردهای ساختمانی و الکترونیکی، در صنایع مختلف نیز استفاده می‌شود. از سیلیس آب‌گریز به عنوان عامل ضدکف، از الیاف سیلیسی به عنوان عایق حرارتی مقاوم در برابر دماهای بالا و از سیلیس در آزمایشگاه‌های زیست‌فناوری برای استخراج DNA و RNA استفاده می‌شود.

همچنین آئروژل سیلیسی به دلیل وزن کم و تخلخل زیاد، در ماموریت‌های فضایی برای جمع‌آوری ذرات کیهانی به کار رفته است. علاوه بر این، سیلیس ماده اصلی تولید الیاف شیشه و فایبرگلاس است و به استحکام، مقاومت حرارتی و دوام این مواد کمک می‌کند.

خواص درمانی سیلیس چیست؟

پژوهش‌ها نشان داده‌اند که سیلیسیم، که از طریق ترکیباتی مانند سیلیس در رژیم غذایی تأمین می‌شود، در حفظ سلامت استخوان‌ها، پوست، مو و ناخن نقش دارد. این عنصر در ساخت کلاژن، که یکی از پروتئین‌های اصلی بافت‌های همبند است، مشارکت می‌کند و می‌تواند به افزایش استحکام استخوان‌ها، بهبود انعطاف‌پذیری پوست و کاهش شکنندگی مو و ناخن کمک کند. به همین دلیل، از ترکیبات حاوی سیلیس در برخی مکمل‌های غذایی و محصولات آرایشی و بهداشتی استفاده می‌شود.

سیلیس به طور طبیعی در بسیاری از مواد غذایی، به ویژه منابع گیاهی، وجود دارد. غلات کامل مانند جو، جو دوسر و برنج قهوه‌ای، سبزیجاتی مانند اسفناج، هویج و لوبیا سبز و برخی میوه‌ها مانند موز و آلو خشک از منابع مناسب دریافت سیلیسیم به شمار می‌روند. مصرف یک رژیم غذایی متنوع و سرشار از این مواد می‌تواند نیاز بدن به سیلیسیم را تا حد زیادی تامین کند.

اثر سیلیس بر بدن انسان

در شرایط عادی، قرار گرفتن در معرض مقادیر معمول سیلیس موجود در محیط، برای بیشتر افراد خطری ایجاد نمی‌کند. با این حال، استنشاق طولانی‌مدت ذرات بسیار ریز سیلیس بلوری، به ویژه در محیط‌های صنعتی و شغلی، می‌تواند باعث بروز بیماری‌های جدی ریوی شود. مهم‌ترین این بیماری‌ها، سیلیکوزیس است که تنها در اثر مواجهه با سیلیس بلوری ایجاد می‌شود. همچنین قرار گرفتن طولانی‌مدت در معرض گرد و غبار سیلیس، خطر ابتلا به بیماری انسدادی مزمن ریه، سرطان ریه، نارسایی کلیه، برخی بیماری‌های خودایمنی و افزایش حساسیت به سل را نیز افزایش می‌دهد.

در مقابل، سیلیس آمورف نسبت به سیلیس بلوری خطر کمتری دارد و در غلظت‌های معمول موجود در مواد غذایی، داروها، لوازم آرایشی و محصولات تجاری، اثر زیان‌آور شناخته‌شده‌ای ندارد. با این حال، استنشاق مداوم گرد و غبار سیلیس آمورف در محیط‌های کاری ممکن است باعث التهاب و آسیب‌های تنفسی شود، هرچند خطر آن بسیار کمتر از سیلیس بلوری است. برای کاهش خطرات، افرادی که با مواد حاوی سیلیس سروکار دارند، باید از تجهیزات حفاظت فردی مانند ماسک‌های مناسب استفاده کرده و از استنشاق گرد و غبار سیلیس جلوگیری کنند.

تاریخچه سیلیس

در این مطلب از مجله فرادرس آموختیم سیلیس چیست. واژه سیلیس از کلمه لاتین «سیلکس» (silex) به معنای سنگ چخماق یا سنگ سخت گرفته شده است. پیش از شکل‌گیری شیمی نوین، از واژه سیلیس برای نام‌گذاری موادی مانند کوارتز، ماسه و سنگ چخماق استفاده می‌شد. با پیشرفت علم شیمی مشخص شد که همه این مواد عمدتا از ترکیب شیمیایی $$\mathrm{SiO_2}$$ تشکیل شده‌اند.

امروزه سیلیس نام رایج و سنتی این ماده است، در حالی که سیلیسیم دی‌اکسید یا $$\mathrm{SiO_2}$$ نام علمی و شیمیایی آن محسوب می‌شود. بنابراین، سیلیس و سیلیسیم دی‌اکسید هر دو به یک ماده اشاره دارند و تفاوت آن‌ها تنها در نوع نام‌گذاری است.