Коллоидный кремний и его применение¶

Коллоидный кремний — это дисперсная система, в которой частицы элементарного кремния или его оксида (диоксида кремния) микроскопического и нанометрового размера равномерно распределены в жидкой среде — чаще всего в воде. Такой раствор (точнее, коллоидная суспензия или золь) внешне напоминает обычную воду или слегка опалесцирующую жидкость, однако содержит взвешенные частицы размером от единиц нанометров до нескольких микрометров. Коллоидный кремний не является химическим соединением в строгом смысле: кремний в нём присутствует в виде отдельных частиц, а не в виде растворённых ионов или молекул.

¶Химическая природа и формы

Кремний — второй по распространённости элемент земной коры после кислорода. В природе он почти не встречается в свободном виде, образуя оксид (кремнезём, SiO₂) и силикаты. В коллоидных системах кремний может присутствовать в нескольких формах:

• Элементарный (нульвалентный) кремний — частицы металлоидного кремния, получаемые диспергированием.
• Диоксид кремния (кремнезём) — коллоидный диоксид кремния, известный как коллоидный кремнезём или силиказоль.
• Ортокремниевая кислота — промежуточная форма, из которой при полимеризации образуются коллоидные частицы.

Именно коллоидный диоксид кремния наиболее изучен и широко применяется в промышленности. Термин «коллоидный кремний» в бытовом и коммерческом контексте чаще относится к водным растворам, содержащим наночастицы кремния или кремнезёма.

¶Физико-химические свойства

Ключевые характеристики коллоидного кремния определяются размером частиц, их концентрацией и стабильностью дисперсии.

Устойчивость коллоидного раствора обеспечивается электростатическим отталкиванием одноимённо заряженных частиц и гидратными оболочками на их поверхности. При изменении кислотности, добавлении электролитов или высушивании частицы могут слипаться (коагулировать) и выпадать в осадок — это явление лежит в основе образования гелей и силикагеля.

¶Получение

Основные способы получения коллоидного кремния и кремнезёма:

• Золь-гель метод — гидролиз и поликонденсация алкоксидов кремния (например, тетраэтоксисилана) или силикатов натрия.
• Ионный обмен — пропускание раствора силиката натрия через ионообменные смолы, что приводит к образованию кремниевой кислоты и её полимеризации.
• Электродиспергирование — распыление металлоидного кремния электрическим разрядом в жидкости.
• Пептизация — перевод свежеосаждённого кремнезёма в коллоидное состояние.

Промышленное производство чаще всего основано на золь-гель технологии, позволяющей контролировать размер и форму частиц.

¶Применение

Коллоидный кремний и коллоидный кремнезём находят применение в самых разных отраслях.

¶Промышленность и строительство

Коллоидный кремнезём используется как связующее и упрочняющее вещество в бетонах и огнеупорных материалах, как добавка к литейным формам, для полировки полупроводниковых пластин (химико-механическая полировка), а также в производстве катализаторов и носителей для них.

¶Электроника

Наночастицы кремния исследуются в качестве материалов для люминофоров, элементов солнечных батарей и наноэлектроники. Коллоидные растворы применяют при нанесении тонких плёнок.

¶Медицина и биология

Коллоидный кремнезём служит носителем для доставки лекарств, применяется в диагностических системах и как адъювант в вакцинах. Соединения кремния изучаются в связи с их ролью в формировании костной и соединительной ткани.

¶Бытовая сфера

В продаже встречаются «растворы коллоидного кремния», позиционируемые как биологически активные добавки. Следует отметить, что их клиническая эффективность не подтверждена независимыми исследованиями в достаточной мере, а сам кремний относится к условно эссенциальным (предположительно необходимым) микроэлементам.

¶Биологическая роль кремния

Кремний присутствует в организме человека в следовых количествах, концентрируясь в костях, хрящах, волосах, ногтях и коже. Предполагается его участие в синтезе коллагена и формировании костной матрицы. Однако данные о необходимости дополнительного приёма кремния в виде добавок остаются предметом дискуссий: убедительных доказательств пользы такой практики для здоровых людей нет.

¶Безопасность и критика

Коллоидный кремнезём (E551) разрешён как пищевая добавка во многих странах, включая Россию, в качестве антислёживающего агента. При промышленном обращении с наночастицами учитывают риск ингаляционного воздействия на лёгкие. Что касается биологически активных добавок на основе «коллоидного кремния», их маркетинговые заявления о лечении широкого круга заболеваний не имеют надёжного научного обоснования и рассматриваются как преувеличенные.

¶Отличия от других форм кремния

Коллоидный кремний не следует путать с:

• кремниевой кислотой — химическим соединением;
• силикагелем — высушенным гелем диоксида кремния;
• органическим кремнием (силиконами) — синтетическими полимерами с кремний-углеродными связями;
• растворимыми силикатами — солями кремниевых кислот.

Таким образом, коллоидный кремний — это прежде всего дисперсная система, свойства которой определяются размером частиц и средой, а области применения простираются от строительства и электроники до медицины и пищевой промышленности.