О существовании кремнезема известно с 18 века. Во второй половине XIX века были определены атомный вес кремния и химическая формула кремнезема.

Кремнезем и его разновидности – кварц, халцедон – имеют высокую твердость 7). Кремнезем тугоплавок, его температура плавления 1713° [17] (по другим источникам – 1728°). По Д.И. Менделееву, это важное свойство может объясняться полимерным строением молекул Si_nO_2n при достаточно большом значении ? [7]. Плотность кварца при 25° равна 2,648 [18], параметры решетки а – 4,904 и с – 5,394.

Для высокотемпературных процессов имеют большое значение переходы SiO₂ из одной модификации в другую при нагревании и соответствующие им изменения объема (рис. 5 и табл. 8).

Коэс при 750° и 35 ат получил новую форму SiO₂ с удельным весом 3,01. Превращение ?-кварца в ?-кристобалит связано с изменением угла D (рис. 6), при котором тетраэдры SiO₄ обращены вершинами друг к другу, а переход в ?-тридимит требует поворота одного из пары тетраэдров на 180°. При превращении ?-кварца в ?-кристобалит при 1200 – 1350° удельный вес уменьшается с 2,60 до 2,21, а объем увеличивается на 17,4%, что приводит к разрушению (растрескиванию) кусков кварца.

Переходы ?, ? и ? одной разновидности происходят сравнительно быстро, Различные же разновидности SiO₂ (кварц, тридимит, кристобалит), вследствие того, что скорость превращений очень мала, могут неопределенно долго существовать, кроме областей своей устойчивости, и при других температурах в неустойчивом (метастабильном) состоянии – вплоть до температуры плавления, ?- и ?-тридимит и ?-кристобалит при атмосферном давлении неустойчивы.

С изменением температуры теплоемкость SiO2 меняется; эмпирические уравнения дают следующие зависимости: для ?-кварца Ср.? = 10.87 + 8,712 • 10^-3 ? – 2.412 • 10⁵ • T-2; для ?-кварца С_р.? = 10,95 + 5,5 • 10^-3 Т.

Модификации, являющиеся при высоких температурах метастабильными. относительно легкоплавки: ?-кварц плавится при 1600 – 1610° [6], ?-тридимит при 1670°.

Превращение кварца в кристобалит идет до конца лишь в результате длительной выдержки при 1600 – 1700° [19].

Теплота плавления SiO2 [20] 3400 кал/г-моль. Энтропия ?-кварца 10,1 кал/град, г-моль, приращение энтропии при превращении ?-кварца в ?-кварц равно 0,248 кал/град, г-моль и при плавлении 1,70 кал/град, г-моль; по работе Бардина и Щедрина [34] приращение энтропии 1,06 кал/град, г-моль.

Упругость пара кремнезема становится заметной при температуре плавления. При 1707° давление паров SiO2 составляет по расчетам 0,01 ат; упругость паров над метастабильными разновидностями кварца выше, чем над стабильными. Поэтому, например, при 1700° упругость паров наиболее высокая для кварца и наименьшая для кристобалита. Упругость пара SiO₂ при 1890° равна 65 мм рт. ст. Упругость пара жидкого кремнезема можно определять по уравнению [21]

По этому уравнению кипение кремнезема происходит при температуре 2227°; кристобалит по [6] кипит лишь при 3500°. Теплота возгонки кварца ориентировочно определяется а 90,0 ккал/моль, а кристобалита – 136 ккал/моль. Относительная устойчивость (или малая скорость превращения) метастабильных систем объясняется либо высокой энергией активации данного процесса, либо относительно малой величиной коэффициента диффузии реагента.

Основной особенностью кристаллизации таких веществ, как кремнезем, является возможность осуществления ее только при медленном охлаждении. Быстрое понижение температуры повышает вязкость и приводит к образованию кварцевого стекла. Менделеев впервые доказал, что стекло – это вещество, застывшее без перехода в кристаллическое состояние; поэтому стекло является неустойчивой формой состояния. В отличие от кристаллических тел стекло изотропно, т.е. его макроскопические физические свойства одинаковы во всех направлениях. Процессы плавления и затвердевания стекла не сопровождаются скачкообразными изменениями свойств и последние оказываются непрерывными функциями температуры в интервале от температуры размягчения, когда из стекла можно еще вытягивать нить, до температуры потери пластичности.

Установлено, что стекла образуют те вещества, у которых, во-первых, существенно различается взаимное расположение частиц в жидком и кристаллическом состоянии, и, во-вторых, малое координационное число решетки атома стеклообразующего элемента (у кремния, как и у некоторых других элементов четвертой группы, имеющих кубическую структуру типа алмаза, атомы обладают координационным числом четыре), в-третьих, связь атомов стеклообразующих элементов в окисле осуществляется только через атом кислорода, и, наконец, в-четвертых, – атом кислорода соединен не более, чем с двумя атомами стеклообразующего элемента. Этим требованиям отвечают, в частности, SiO₂ и GeO₂ [8].

Половину связей SiO₂ считают ковалентной, вторую половину – ионной, что подтверждается также данными рентгеноструктурного анализа. В отличие от О.А. Есина [23], ?.М. Чуйко, исходя из расчетов А.Ф. Капустинского и К. Б Яцимирского, считает [24], что ион SiO^4- в свободном состоянии неустойчив и распадается на SiO₂ и 2O^2- с выделением тепла. Имеющиеся в кварцевом стекле кристаллитные микроучастки представляют собой ограниченные трехмерные кристобалитоподобные сочленения из сеток (слоев) кремнекислородных анионов.

Большие значения вязкости кремнезема обусловлены наличием крупных малоподвижных частиц (полимеров). По Соломину среднее число молекул SiO₂ в комплексе (полимере) при 1275° равно 1150, при 1800° – 700, а при 2000° – 590. Вязкость кремнезема в интервале от 1275 до 2000° соответственно падает всего в два раза (рис. 7) и остается чрезвычайно высокой (~ 2800 пуаз).

Высокая вязкость жидкого кремнезема затрудняет его реакции с другими веществами.

Для процессов, происходящих под прямым воздействием электрического тока, большой интерес представляет электропроводность кремнезема. По некоторым данным электрическое сопротивление горного хрусталя при 0° определено в 0,36 мгом (на кубический см), а плавленного кварца при 147° в 9000 мгом; электросопротивление SiO₂ при 700° составляет 77 500 ом. По другим данным кристаллический кремнеземистый материал на холоде имеет электрическое сопротивление 125 мгом, при 800° – 2,4 мгом, при 1000° – 300 000 ом, при 1200° – 62 000 ом, при 1400° – 16 500 ом и при 1500° – 8420 ом. Для кварцевого стекла имеются такие данные: при 800° – 20 мгом, при 1800° – 2134 ом, при 1950° – 1890 ом.

При нагреве до высоких температур электропроводность кремнезема увеличивается в сотни, тысячи и десятки тысяч раз. Диэлектрическая постоянная кварцевого стекла при обычных температурах 3,2 – 4,4, т.е. близка к диэлектрической постоянной такого изолятора, как фарфор. При температурах в несколько сот градусов электрическое сопротивление кварцевого стекла еще выше, чем сопротивление фарфора, но в виде перегретой жидкости кварц начинает проводить ток, с чем приходится считаться при ведении плавильного процесса в электрической печи.

Поверхностное натяжение жидкого SiO₂, по данным С.И. Попеля, составляет 400 эрг/см², т.е. значительно выше, чем для молекулярных жидкостей, воды (70 эрг/см²), но ниже, чем для Al₂O₃, СаО и т.п. Значительная величина адсорбции SiO₂ указывает на то, что поверхностный слой в данном случае нельзя считать мономолекулярным.