自然界中二氧化硅分布广泛，天然二氧化硅约占地壳质量的12%，其存在形式有结晶态和无定型两种形态，统称为硅石。晶质氧化硅有石英、鳞石英和方石英等，非晶质氧化硅有蛋白石和氧化硅凝胶等。原子排列紧密程度由大到小顺序为石英、鳞石英、方石英、蛋白石、氧化硅凝胶。α-石英（低温石英）和β-石英（高温石英）是二氧化硅的两种同质多象变体。β-石英在573～870℃内稳定，低于573℃将转变为α-石英。因此，自然界常见的石英往往是α-石英。通常未加说明的“石英”即指α-石英。

二氧化硅矿物是指化学式相同，但结构有差异的矿物，这些矿物为同质多象变体，主要包括石英、方石英和鳞石英，它们在地球上主要存在于花岗岩、砂岩和黑硅岩中。在二氧化硅多种天然同质多象变体中，除斯石英（属于金红石型结构）中Si⁴⁺为八面体配位外，在其余各变体中Si⁴⁺均为四面体配位，也即每一个Si⁴⁺均被4个O^2-包围构成[SiO₄]四面体，各[SiO₄]四面体彼此共角顶氧而连接成三维的架状结构。由于不同的变体中[SiO₄]四面体连接方式不同，其相应对称形态和理化性质有所差异（见表）。

α-石英（低温石英）和β-石英（高温石英）是二氧化硅的两种同质多象变体。β-石英在573～870℃内稳定，低于573℃将转变为α-石英。因此，自然界常见的石英往往是α-石英。通常未加说明的“石英”即指α-石英。

石英化学成分较纯，但石英中常含有不同数量的气态、液态和固态物质的机械混入物。石英常为无色、乳白色和灰色，因含有各种杂质，颜色各异。包括：①水晶。无色透明。②紫水晶。紫色透明或半透明，加热可脱色，呈色原因可能是Fe³⁺取代Si⁴⁺引起。③蔷薇石英。浅玫瑰色，致密半透明，呈色原因可能是Al³⁺、Ti⁴⁺取代Si⁴⁺引起。④烟水晶。烟色或褐色透明异种。呈色原因是在辐射线作用下，Si⁴⁺被Al³⁺取代使四面体产生顺磁中心缺失引起。烟色进一步加深就成了墨晶。⑤黄水晶。金黄色或柠檬色。呈色原因可能是含有Fe²⁺所致。⑥乳石英。乳白色，半透明。因含细分散气、液包体及微细裂缝而致。

因含有固态包裹体而染色的石英有如下异种：①葱绿石髓。含绿色针状阳起石包裹体，呈浅绿色。②砂金石。含云母、赤铁矿等细小包裹体，呈浅黄或褐红色。③猫眼石、虎眼石、鹰眼石。呈各种不同深浅的色调，具有丝绢光泽，似猫眼、虎眼（黄褐色）或鹰眼（蓝绿色），都是由于石英交代纤维石棉所致。④碧玉。呈红、黄褐、绿色等不透明的致密块体。⑤血玉髓。又称血滴石、血石、鸡血石。绿色石髓碧玉，内含红色斑点。

蛋白石可以在温泉、浅层热液或地面水的硅质溶液中生成，常与低温石英、鳞石英和方石英等伴生。蛋白石化学组成为SiO₂·nH₂O，其中二氧化硅含量为65%～90%，H₂O含量通常为4%～9%，最高可达20%，杂质中Al₂O₃含量可达9%，Fe₂O₃含量可达3%，有时Mn含量可达10%，有机质含量可达3%～9%。

一般认为，蛋白石是一种非晶质矿物，其内部具有方石英雏晶的亚显微结晶质结构，并存有大量水分子。通常呈肉冻状体、葡萄状、钟乳状和皮壳状等。颜色不定，通常呈蛋白色，因含有各种杂质而呈现不同颜色，多为微透明、玻璃光泽或蛋白光泽。无色透明者称玻璃蛋白石，半透明而具有强烈的橙、红灯反射色者称为火蛋白石，半透明带乳光变彩的蛋白石称贵蛋白石。

在大多数土壤中，硅的丰度仅次于氧元素。氧化硅、硅酸盐和铝硅酸盐是构成土壤的主要组分。土壤中的氧化硅，除风化残留在砂粒、粉砂粒中的原生石英外，黏粒中的氧化硅有晶质的鳞石英和方石英，非晶质的蛋白石和氧化硅凝胶。土壤中的晶质氧化硅主要包括石英、方石英和蛋白石。土壤中石英，集中分布于砂粒和粉粒级，多为原生矿物。粗黏粒中有次生石英存在，细黏粒（粒径＜0.2微米）中含量极低。方石英多见于火山灰发育的土壤中，是氧化硅的一种，并广泛分布于各粒级中。非晶形二氧化硅广泛分布于温带土壤中，蛋白石是土壤中最为常见的一种非晶形氧化硅，它分布于温带土壤，如某些富含铁质的热带土壤、灰化土、黑钙土和草原土壤中亦有蛋白石存在，又如中国东北的白浆土、白浆化暗棕壤、灰化土、草原土、苏打碱土、中性水稻土以及黑钙土和火山灰土等都有蛋白石。非洲玄武岩发育的土壤，可以在5～30厘米处发现由蛋白石聚集而成的植物岩。

无定形氧化硅即硅酸[H₄SiO₄或Si(OH)₄]，是土壤溶液中氧化硅的主要形态。它在水里的溶解度受pH影响，当pH＞9时，由于有硅酸离子[(H₃SiO₄)^-]生成，溶解度随pH升高而增加。温度对无定形氧化硅影响更大，随温度升高溶解度直线增加。盐分对其溶解度亦有影响，盐土的土壤溶液中，二氧化硅浓度可低至2毫克/升以下，而磷酸盐存在时，则大大增高其溶解度。此外，在无定形氧化硅本身的结构中，SiOH基数目与溶解度亦有一定关系。土壤溶液中的Si(OH)₄是胶态氧化硅的前身，由于没有满足硅的六配位数，所以不太稳定，必须通过聚合与缩合过程，向稳定状态转化，也即从单体→水溶胶→水凝胶→甘凝胶→最终形成蛋白石。pH也是影响Si(OH)₄稳定度的一个重要因素，硅的起始浓度和电解质浓度也影响聚合和缩合反应速率。

氧化硅凝胶具有羟基化表面，pH在3.5以上时带负电荷，可吸附阳离子和极性物质，能接受带氢键的基和带正电荷的溶胶。它与铁铝氧化物凝胶之间具有极强的亲和力。后者可从二氧化硅浓度极低的土壤溶液中吸附氧化硅而共沉淀形成复合氧化物，或在一定条件下生成新矿物。这种硅、铁、铝混合凝胶的生成，不仅是土壤黏磐形成的重要原因，并对黏土矿物和沉积岩的形成也有重要意义。此外，土壤中无定形硅的积累，对土壤物理性质影响较为明显，例如土壤中脆磐的形成，土壤脆裂易于破碎等，常与土壤中无定形氧化硅含量有关。

氧化硅在陶瓷及耐火材料、冶金、建筑、化工、电子、医学和食品添加剂等领域应用广泛。二氧化硅是制造玻璃、石英玻璃、水玻璃、光导纤维、电子工业的重要部件、光学仪器、工艺品和耐火材料的原料，也是科学研究的重要材料。

石英用途很广，晶体中无包裹体、无双晶或裂缝的部分用作压电材料，制作石英谐振器；此外，水晶还是重要的光学材料，用于制作光谱棱镜、透镜及其他光学材料装置。玛瑙、紫水晶、蔷薇石英等可作宝石材料。色泽差的玛瑙和石髓用于制作研磨器具，如研钵。较纯净的一般石英则大量用作玻璃原料、研磨材料、硅质耐火材料及瓷器配料等。

优质的蛋白石俗称欧泊，可作为宝玉石材料，如贵蛋白石、火蛋白石等可作名贵雕刻品材料。硅藻土则用于制作过滤剂，也是重要的建筑和隔音材料。