矽和水:反應機制、環境影響和健康影響

矽是地球上僅次於氧的最豐富的元素。大量的矽可以在各種礦物質中找到,它在海洋和幾乎所有其他水域中以矽酸的形式含量豐富。海洋表層的矽濃度為 30 ppb,而更深的水層可能含有 2 ppm 的矽。河流通常含有 4 ppm 的矽。矽溶解時通常不離子化;它以原矽酸(H 4 SiO 4或 Si(OH) 4)的形式存在。這些化合物是二氧化矽在水中緩慢溶解的結果。河流將大量的矽運送到海中。最有可能的是,通過生物或化學轉化過程從河流中去除的溶解矽不到 20%。

矽以何種方式和以何種形式與水反應?

矽在自然界中從未以自由形式存在。以結晶形式,它僅在極高溫度條件下才具有反應性。水和水蒸氣對矽溶解度的影響可能很小,因為二氧化矽的保護性表面層會迅速形成。
矽化合物與水反應的例子很多。四氟化矽與水反應生成氟化氫。四氯化矽與水發生劇烈反應。第一組和第二組的矽化物通常比過渡金屬更具反應性。典型的反應產物包括氫和/或矽烷(SiH 4 ),例如Na 2 Si + 3H 2 O -> Na 2 SiO 3 + 3H 2。

矽和矽化合物的溶解度

矽化合物的水溶性不同。
與其他礦物質相比,氧化矽相對不溶於水。溶解後,制定以下平衡:
SiO 2 (s) + 2 H 2 O(l) <-> H 4 SiO 4 (s)

這種平衡包含矽酸,一種在矽礦物水解過程中也形成的弱酸:

H 4 SiO 4 (s) + H 2 O(l) <-> H 3 O+(aq) + H 3 SiO 4 - (aq)

二氧化矽的水溶性為 0.12 g/L,而例如碳化矽是不溶於水。


為什麼水中含有矽?

如前所述,矽是各種礦物的一部分,在風化過程中可能會從這些礦物中釋放出來。在火山活動期間,它也會在水下釋放。海洋沉積物間隙中的水比海面含有更多的矽。目前的電流導致矽從沉積物流向海水。南極風化也會釋放矽。矽通過浮游生物固定、沉積物沉澱或溶解的矽與粘土礦物的反應(逆風化)自然地從水中去除。
沙子是商業生產的矽的主要物質。滑石、雲母、長石、霞石、橄欖石、蛭石、珍珠岩和高嶺石等礦物也含有矽。蛋白石和紫水晶等寶石也含有矽。

 

水中的矽對環境有什麼影響?

二氧化矽是各種生物的飲食需求。目前尚不清楚攝入的機制。矽藻和海綿使用矽來強化骨骼。蕁麻上的小毛也由矽組成。雞和大鼠的骨骼發育需要矽。矽很可能是人類的飲食需求,因為皮膚和結締組織中含有大量的這種元素。
矽對植物生長也是必不可少的。各種植物物種含有約 200-62,000 ppm(乾重)的矽。蒲公英和竹子等植物的莖和葉中含有矽,增加了穩定性。


水中的矽對健康有什麼影響?

人體中矽的總量為1克,隨著年齡的增長而減少。對於許多生物體來說,矽是一種飲食需求,因此它也被認為是人類的飲食需求。生物體主要需要矽來促進骨骼發育,而這種元素主要存在於皮膚和結締組織中。每日攝入量可能在 20 到 1200 毫克之間變化,主要通過吃穀物來滿足。短缺情況未知。
所有天然存在的矽、沙子和矽化合物都是無毒的。元素矽沒有明確的毒性機制。高濃度的可溶性矽化合物可能會干擾磷酸化。胃藥片中含有矽,可治療絞痛和腸道氣體。飲用水中只存在矽酸,相對安全。


哪些淨水技術可用於去除水中的矽?

矽主要以矽酸的形式存在於飲用水中,就人體健康而言不需要去除。
矽化合物可用作水淨化中的吸收劑。

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