【元素家族——連載87】各種有用的二氧化硅

1888年，居里夫人的老公皮埃爾*居里和他的兄弟雅克*居里一起發現了石英具有壓電效應。所謂壓電效應，就是指晶體受到外界壓力的時候會生成一個電位移。你可能覺得這跟我們的日常生活沒什麼關係吧，其實不然，當你在家裡摁下一個按鈕，煤氣灶就燃起藍色的火焰；或者你是一個煙民，配了新式的打火機，這種打火機沒有以前打火石的那種不便和尷尬的摩擦聲，只需輕輕一按，就瀟洒點煙。這些都是壓電效應在幫助我們。

【皮埃爾*居里，物理學史上，他可不是活在他妻子的陰影下，在世的時候也是受人尊敬的偉大物理學家。】

壓電效應最早在軍事上使用，第一次世界大戰，盟軍軍艦受到德國無限制潛艇戰的騷擾，設法尋找有效偵測潛艇的方法。因為電磁波無法有效穿透海水，而聲波則能容易地在海里行進，法國科學家郎之萬發明了利用石英壓晶體管作為聲波產生器，超聲波潛艇探測器就這樣誕生了。

在這之後，壓電效應被應用到各種地方，除了之前提到的打火機和燃氣灶，在各種各樣的振蕩器、感測器、蜂鳴器中都能看到它的應用。還比如鐘錶，有一種名為「石英鐘」的很有名。石英也因此成為重要的戰略資源，巴西一下子火了！

【一戰中，德國宣布德國潛艇可以事先不發警告，而任意擊沉任何開往英國水域的商船，其目的是要對英國進行封鎖，這就是「無限制潛艇戰」。】

二氧化硅除了石英晶體之外還有其他的形態，有一種叫做硅藻的浮游生物，分布極其廣泛，不管是海洋、淡水、泥土裡都有存在，甚至人們在2000米的高空都探測的到它們。和其他藻類相比，硅藻的細胞壁主要成分是二氧化硅。

【顯微鏡下，淡水中的硅藻。】

硅藻死亡以後，遺骸沉積下來，變成了一種類似泥土的形態，主要成分就是二氧化硅咯，還有鋁、鐵、鈣等的氧化物等雜質，人們叫它「硅藻土」。

硅藻土跟石英這種二氧化硅晶體不一樣，它是一種疏鬆的多孔的非晶體結構，密度比石英要小很多，甚至比水還輕。對於運輸公司來說，運送這樣的貨物是很頭疼的，滿載整整卡車，貨運量卻不到其他貨物的百分之二三十，過路費、過橋費啊……貨運老司機已經淚奔。

【硅藻土的外貌。】

它隨處可見的廣泛和疏鬆多孔特性讓它在很多領域找到了自己的位置。

早在諾貝爾時代，他就想過將硝酸甘油和硅藻土混合，這樣可以讓硝酸甘油更加穩定，易於存儲和運輸。他1867年申請了專利，將這種炸藥叫做「硅藻土炸藥」。

更因為它疏鬆多孔，很多場合的過濾介質也會用到它，從化工廠里到自來水廠、啤酒廠、紅酒庄，甚至我們身邊的魚缸都能看到它的身影。

【啤酒廠在用硅藻土過濾啤酒。】

硅藻土的特性還讓它被填充到乳膠漆中，最近幾年興起的「硅藻泥」概念就是它影響力的體現。由於它的孔隙特別多，所以在家裝塗料中可以吸附很多有害氣體，還能有效吸收噪音，達到隔音的效果。

【CCTV2交換空間。】

我們前面提過石英晶體跟金剛石很類似，那麼是不是感覺硅藻土有點像無定形碳？我們知道碳的同素異形體有炭黑，也有多孔、吸附的特性，是不是也可以將硅藻土叫做類似炭黑的物質呢？

硅藻土還不夠純凈，化學工作者們早已發明了方法，可以得到比較純的二氧化硅粉末，還真將它叫做「白炭黑」。

【白如雪花的白炭黑。】

白炭黑可以視為較純的硅藻土，但它是人工生產出來的，主要有兩種方法。

一種是沉澱法，就是將硅酸鹽和硫酸反應，得到硅膠，脫水以後進行沉澱浮選，就得到了沉澱法白炭黑。

【沉澱法白炭黑的生產工藝。】

另一種是氣相法，先將硅變成四氯硅烷，然後在純氧和氫氣下灼燒，這樣得到了一股煙，煙中是極細粒徑的二氧化硅。

【氣相法白炭黑的生產工藝。】

相對於炭黑，白炭黑的分散性、耐磨性、強度都要好很多，況且白炭黑臉白，因此它在很多地方都開始取代炭黑。

【輪胎中填充白炭黑。】

【各種各樣的橡膠製品中也填充了白炭黑。】

【白炭黑雖然是白色的，但由於其巨大的表面積，也可以吸收光線，因此被用於亞光的皮革中，大家稱呼它為「消光粉」。】

【甚至連牙膏里也填充了白炭黑，可以增加摩擦力。】

我們看到了二氧化硅對我們是多麼的有用，但是在生產加工過程中，卻存在著巨大的風險。含二氧化硅的粉塵被吸入之後，會在肺內蓄積，達到一定程度就不可逆轉，這就是塵肺病。

我們希望能夠化學工作者能改善我們的工藝，引入更多的自動化流程，保障工人們的身體健康。

【保障工人的健康！】

文末，推薦一下我的公眾號：理性邊界。《元素家族》系列文章已經寫到鉑系元素，歷經200多篇，在公眾號里全系列連載。但知乎上均為審閱版本，公眾號里為原始版本，希望大家多多指點。

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