ซิลิกา(silica/SiO2) และประโยชน์ซิลิกา

ซิลิกา (silica/SiO2) และประโยชน์ซิลิกา

 

 

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

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 และต่อเนื่อง 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

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

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