همه چیز درمورد سنگ سیلیس

همه چیز درباره سنگ سیلیس

سیلیس، ماسه سیلیکا یا ماسه کوارتز نیز نامیده می شود، سیلیس، دی اکسید سیلیکون (SiO2) است. ترکیبات سیلیکونی مهم ترین جزء پوسته زمین هستند. از آنجایی که ماسه فراوان است، استخراج آن آسان است و پردازش نسبتاً آسانی دارد، منبع اصلی آن سنگ معدن سیلیکون است. سنگ دگرگونی، کوارتزیت، منبع دیگری است. در این مقاله همه چیز درباره سنگ سیلیس بیان می شود.

سنگ سیلیس “silica stone” چیست؟

کانی سیلیس، هر یک از اشکال دی اکسید سیلیکون (SiO2)، از جمله کوارتز، تری دیمیت، کریستوبالیت، کوزیت، استیشوویت، لشاتلیریت و کلسدونی است. انواع مختلفی از کانی های سیلیس به صورت مصنوعی تولید شده اند. مواد معدنی سیلیس تقریباً 26 درصد از وزن پوسته زمین را تشکیل می دهند و از نظر فراوانی مواد معدنی پس از فلدسپات ها در رتبه دوم قرار دارند. سیلیس آزاد در بسیاری از اشکال کریستالی با ترکیبی بسیار نزدیک به دی اکسید سیلیکون وجود دارد، 75/46 درصد وزنی آن سیلیکون و 25/53 درصد اکسیژن است. کوارتز تا حد زیادی رایج ترین شکل آن است. تری دیمیت، کریستوبالیت و اوپال معدنی سیلیس آبدار غیرمعمول هستند و سیلیس زجاجیه (شیشه ای)، کوزیت و استیشوویت تنها از چند محل گزارش شده است. چندین شکل دیگر در آزمایشگاه تولید شده است اما در طبیعت یافت نشده است.

خواص فیزیکی و شیمیایی سنگ سیلیس

ساختارهای کریستالوگرافی کانی های سیلیکا، به جز استیشوویت، آرایه های سه بعدی از چهار وجهی های متصل هستند که هر کدام از یک اتم سیلیکون تشکیل شده است که توسط چهار اتم اکسیژن هماهنگ شده است. چهار وجهی ها معمولاً و کاملاً منظم هستند و فواصل پیوند سیلیکون-اکسیژن است. تفاوت های اصلی مربوط به هندسه پیوندهای چهار وجهی است. فشار بالا اتم‌ های سیلیکون را مجبور می‌ کند تا با شش اتم اکسیژن هماهنگ شوند و هشت‌ وجهی‌ های تقریباً منظمی در ساختار استیشوویت تولید کنند.

سیلیکون (Si) چیست؟

سیلیکون (Si)، یک نیمه فلزی یا متالوئید است، زیرا دارای چندین ویژگی فلزی است. سیلیکون هرگز در حالت طبیعی خود یافت نمی شود، بلکه در ترکیب با اکسیژن به عنوان یون سیلیکات SiO44- در سنگ های غنی از سیلیس مانند ابسیدین، گرانیت، دیوریت و ماسه سنگ یافت می شود. فلدسپات و کوارتز مهم ترین کانی های سیلیکات هستند. آلیاژهای سیلیکون شامل فلزات مختلفی از جمله آهن، آلومینیوم، مس، نیکل، منگنز و فروکروم هستند.

روش استخراج سنگ سیلیس

تقریباً در همه موارد، استخراج سیلیس از روش‌ های استخراج روباز یا لایروبی با تجهیزات استاندارد استخراج انجام می شود. به جز ایجاد مزاحمت موقت در منطقه، در حالی که عملیات معدنی فعال است، استخراج شن و ماسه معمولاً اثرات زیست محیطی محدودی دارد.

موارد استفاده از مواد معدنی سیلیس

آلیاژهای فروسیلیس برای بهبود استحکام و کیفیت محصولات آهن و فولاد استفاده می شود. به عنوان مثال، ابزارها از فولاد و فروسیلیس ساخته شده اند. علاوه بر ابزارهای فولادی، نمونه ای از “فولادهای آلیاژی”، فروسیلیسیون، در ساخت فولادهای ضد زنگ، فولادهای کربنی و سایر فولادهای آلیاژی استفاده می شود. فولاد آلیاژی به تمام فولادهای ساخته شده به غیر از فولادهای ضد زنگ و کربن اطلاق می شود. فولادهای ضد زنگ زمانی مورد استفاده قرار می گیرند که به مقاومت در برابر خوردگی، بهداشت، زیبایی، و مقاومت در برابر سایش نیاز باشد. فولادهای کربنی به طور گسترده در پل های معلق و سایر مواد پشتیبانی سازه و در بدنه خودروها استفاده می شود. سیلیکون در صنعت آلومینیوم برای بهبود قابلیت ریخته گری و جوش پذیری استفاده می شود. آلیاژهای سیلیکون-آلومینیوم استحکام و شکل پذیری نسبتاً کمی دارند، بنابراین فلزات دیگر، به ویژه منیزیم و مس، اغلب برای بهبود استحکام اضافه می شوند. در صنایع شیمیایی، فلز سیلیکون نقطه شروع برای تولید سیلیان‌ها، سیلیکون‌ها، سیلیس دود شده و سیلیکون درجه نیمه‌رسانا است. سیلان ها برای ساخت رزین های سیلیکونی، روان کننده ها، مواد ضد کف و ترکیبات آب گریز استفاده می شوند. سیلیکون ها به عنوان روان کننده، سیالات هیدرولیک، عایق های الکتریکی و درمان های ضد رطوبت استفاده می شوند. سیلیکون با درجه نیمه هادی، در ساخت تراشه های سیلیکونی و سلول های خورشیدی استفاده می شود. سیلیس فومد به عنوان پرکننده در صنایع سیمان و مواد نسوز و همچنین در عایق حرارتی و مواد پرکننده لاستیک های مصنوعی، پلیمرها و دوغاب ها استفاده می شود. سیلیس در سرامیک سازی و در ساخت شیشه استفاده می شود. سیلیکون یک نیمه هادی در نظر گرفته می شود. این بدان معناست که الکتریسیته را هدایت می کند، اما نه به خوبی فلزی مانند مس یا نقره. این ویژگی فیزیکی، سیلیکون را به یک کالای مهم در تجارت تولید کامپیوتر تبدیل می کند.

کوارتز تنها ماده معدنی سیلیس طبیعی است که در مقادیر قابل توجهی استفاده می شود. سالانه میلیون ها تن توسط بسیاری از صنایع مصرف می شود. شن و ماسه ای که جزء ضروری بتن و ملات است تا حد زیادی کوارتز است، مانند ماسه سنگ و کوارتزیت که به عنوان سنگ ساختمانی استفاده می شود. ماسه سنگ و کوارتزیت خرد شده برای ساخت راه‌ ها و راه‌ آهن، گرانول‌ های سقف، و پوشش‌ های کنترل فرسایش کانال‌ های رود خانه‌ ای استفاده می‌ شوند. کوارتز سخت است (7 در مقیاس Mohs) و در برابر شکست مقاومت می کند زیرا فاقد شکاف آسان است. این ویژگی ها، همراه با در دسترس بودن آن، منجر به استفاده از آن به عنوان ساینده کاغذ سنباده و سندبلاست می شود. برای پرداخت و برش شیشه، سنگ و فلز، و برای ایجاد کشش روی پله ها، خیابان ها و ریل ها. مقادیر زیادی کوارتز نسبتا خالص در محصولات نسوز مانند عایق و آجر نسوز، قالب های ریخته گری و عایق های الکتریکی استفاده می شود، زیرا ترکیبی از دمای ذوب بالا، ضرایب انبساط پایین، بی اثر بودن شکل های سیلیس در دمای بالا، و هزینه های کم است. کوارتز نسبتاً خالص در تناژهای بزرگ به عنوان یک عنصر برای تولید شیشه و چینی مورد نیاز است. کوارتز با خلوص بالا ذوب می شود تا یک شیشه نوری و شیمیایی بسازد که یک یا چند ویژگی مطلوب آن مانند انبساط حرارتی کم، پایداری شکل بالا، خاصیت ارتجاعی، حلالیت کم و شفافیت در برابر انواع مختلف نور می تواند افزایش قابل توجهی را توجیه کند. هزینه های مربوطه الیاف سیلیس زجاجیه برای ابزارهای دقیق مانند تعادل، گالوانومتر و وزن سنج ضروری هستند. تن ها کوارتز با کیفیت های مختلف به عنوان مواد خام برای فرآیندهایی استفاده می شود که در آنها سیلیس محصول نهایی نیست.

مواد معدنی از سیلیس منفرد

1. کوارتز

کوارتز در انواع مختلف تقریباً در همه انواع سنگ های آذرین، رسوبی و دگرگونی وجود دارد. همچنین در شهاب سنگ ها و در برخی از سنگ های قمری یافت شده است. بلورهای کوارتز فاقد مرکز تقارن یا صفحه تقارن هستند و دارای یک محور کریستالوگرافی (c) عمود بر سه محور قطبی (a) هستند که 120 درجه از هم فاصله دارند. یک سر یک محور قطبی با انتهای دیگر آن متفاوت است. هنگامی که فشار مکانیکی بر روی چنین محوری اعمال می شود، بارهای الکتریکی مخالف در هر انتها ایجاد می شود. این منجر به کاربردهای مهم در الکترونیک به عنوان کنترل فرکانس و فشار سنج و سایر دستگاه ها می شود. کوارتز از نظر ترکیب شیمیایی دامنه کمتری نسبت به سایر کانی‌ های دیگر نشان می‌ دهد، اما معمولاً حاوی ده‌ ها تا صدها قسمت در میلیون اتم آلومینیوم است که جایگزین اتم‌ های سیلیکون می‌ شود و تعادل بار با ترکیب اتم‌ های کوچک مانند هیدروژن، لیتیوم یا لیتیوم حفظ می‌شود. سدیم اتم‌ های تیتانیوم، منیزیم یا آهن جایگزین اتم‌ های سیلیکون نیز گزارش شده‌اند، اما جایگزینی آنیونی (یعنی جایگزینی برای یون منفی، اکسیژن) محدود است زیرا پیوند چهار وجهی مختل شده است.

انواع رنگی کوارتز متعدد است و دلایل زیادی دارد. بیشتر رنگ ها از ترکیبات مکانیکی تشکیل شده در کوارتز ریز بلور یا دانه ای حاصل ایجاد می شوند، اما برخی از انواع درشت بلور، مانند آمتیست (بنفش)، سیترین (زرد)، کوارتز شیری، کوارتز دودی یا موریون (سیاه)، یا رزکوارتز هم وجود دارند که توسط یون هایی غیر از سیلیکون و اکسیژن که در ساختار کریستالی وجود دارند رنگ می شوند. کسرهای کوچک 1 درصد وزنی آهن، آلومینیوم، منگنز، تیتانیوم، هیدروژن و اتم‌ های قلیایی کوچک، مانند لیتیوم و سدیم، علت رنگ‌ های مختلف هستند. عملیات حرارتی یا درمان های مختلف تابش تحت اتمسفرهای اکسید کننده یا احیا کننده برای تغییر یک نوع رنگی به رنگ دیگر استفاده می شود. سیترین معمولاً با عملیات حرارتی آمتیست در دمای 250-400 درجه سانتیگراد (482-752 درجه فارنهایت) تولید می شود. کوارتز ممکن است حاوی مواد معدنی دیگری مانند روتیل (کوارتز روتیل شده)، تورمالین، آمفیبول های آزبستی شکل، یا کانی های پلاتی مانند میکا، اکسیدهای آهن، یا کلریت (آونتورین) باشد.

2. کلسدونی

کلسدونی کوارتز سفید یا برنزه روشن، ریز متبلور یا فیبری است که پوسته های گرد، پوسته ها یا استالاکتیت ها (رسوبات معدنی معلق از سقف غارها) را در سنگ های آتشفشانی و رسوبی به عنوان رسوب حاصل از محلول های متحرک تشکیل می دهد. اگر کلسدونی به وضوح دارای نوارهای رنگی باشد، ممکن است عقیق نامیده شود. عقیق با نوارهای متناوب سفید و سیاه یا قهوه ای تیره است. برخی از گره‌های عقیق «چشمی» با نوارهای متحدالمرکز حاوی هسته‌های کوارتز کریستالی درشت هستند و سایر عقیق‌ ها خالدار یا رنگ‌ های متنوع هستند. نقوش درختی یا دندریتی (شاخه‌دار) تیره رنگ که در یک میدان روشن‌ تر تنظیم می‌شوند، عقیق خزه یا سنگ موکا نامیده می‌شوند. کلسدونی قرمز شفاف ” کارنلی” نامیده می شود و سایه های قهوه ای نیمه شفاف به عنوان سارد شناخته می شود. هر دو توسط اکسیدهای آهن مخلوط شده رنگدانه می شوند. کریزوپراز، پلاسما و پراز نام گونه‌ های سبز رنگ کلسدونی هستند که با مواد معدنی سبز رنگ مانند کلریت، آمفیبول‌های فیبری یا سیلیکات‌ های نیکل آبدار رنگ می‌شوند. سنگ خون و هلیوتروپ کلسدونی سبز رنگ با لکه های قرمز هستند.

3. جاسپر و چخماق

جاسپر، کوارتز قرمز، قهوه ای یا زرد مات است که توسط اکسیدهای آهن مخلوط شده رنگ می شود. چرت و سنگ چخماق گونه های ریز متبلور شده کوارتز خاکستری تا سیاه هستند که به صورت گره یا نوار در سنگ های رسوبی دیده می شوند.

4. کوارتز بالا (β-کوارتز)

کوارتز بالا یا β-کوارتز، شکل متقارن تری است که کوارتز در دماهای به اندازه کافی بالا (حدود 573 درجه سانتیگراد در یک اتمسفر فشار) به خود می گیرد، اما این رابطه به فشار حساس است. کوارتز بالا ممکن است چپ یا راست باشد و محور c آن یکی از تقارن های شش برابری است نه سه گانه. بنابراین، بسیاری از قوانین دوگانه کوارتز معمولی نمی توانند رخ دهند. دوقلوهای کوارتز بالا معمولاً شامل مجموعه‌ ای از محورهای شیبدار هستند. کوارتز بالا می تواند مستقیماً از ماگمای سیلیکات یا گازها یا محلول های با دمای بالا تشکیل شود. همواره در هنگام خنک شدن، تبدیل به کوارتز معمولی (کوارتز کم) می شود و تمام کوارتز معمولی، هنگامی که بالاتر از دمای انتقال گرم می شود، به کوارتز بالا تبدیل می شود. تبدیل شامل جابجایی پیوند بین چهار وجهی است. هیچ پیوندی شکسته نمی شود.

5. تریدیمیت “Tridymite”

تریدیمیت ممکن است به عنوان یک فاز ماگمایی اولیه (یعنی در نتیجه مستقیم تبلور از مذاب سیلیکات) در سنگ‌ های سیلیسی رخ دهد، اما در حفره‌ های سنگ‌ های آتشفشانی که احتمالاً از گازهای آبدار رسوب کرده است، بیشترین فراوانی را دارد. تریدیمیت همچنین در سنگ های دگرگونی تماسی تشکیل می شود. در شهاب سنگ ها یافت شده و در بازالت های قمری رایج است. به مقدار زیاد در آجر های نسوز و سایر مواد نسوز سیلیسی وجود دارد. تریدیمیت طبیعی کاربرد تجاری خاصی ندارد.

6. کریستوبالیت “Cristobalite”

کریستوبالیت احتمالاً در طبیعت فراوان تر از تری دیمیت است، اگرچه به ندرت به عنوان کریستال های متمایز تشکیل می شود. دگرگونی (تبدیل از حالت شیشه ای به حالت کریستالی) شیشه های آتشفشانی سیلیسی، کریستالیت های ریز فراوانی از کریستوبالیت به دست می دهد، و این ماده معدنی نیز به صورت متاستاز از گازهای آبدار داغ در حفره ها و شکاف های بسیاری از سنگ های آتشفشانی رسوب می کند. در بازالت‌ های قمری و شهاب‌ سنگ‌ ها یافت شده است و در دیرگدازهای سیلیسی که در معرض دمای بسیار بالا قرار دارند، رایج است.

7. اوپال “Opal”

اوپال، سیلیس آبدار کم کریستالی یا آمورف است که فشرده و زجاجیه است و معمولاً سفید تا بی رنگ و شفاف است. عقیق گرانبها نور را با بازی رنگ های درخشان در سراسر طیف مرئی منعکس می کند که قرمز با ارزش ترین آنهاست. عقیق با رسوب از محلول های حاوی سیلیس در نزدیکی سطح زمین تشکیل می شود. میکروسکوپ الکترونی نشان داده است که بسیاری از اوپال‌ ها از کره‌ هایی به اندازه ده‌ ها تا چند هزار آنگستروم تشکیل شده‌ اند. کره‌ ها از سیلیس آبدار تشکیل شده‌ اند که ممکن است تقریباً کریستوبالیت ‌مانند، تری‌ دیمیت ‌مانند، مخلوطی از هر دو، یا تصادفی و غیر شکنده باشند. وزن مخصوص و ضریب شکست کمتر از کانی های سیلیس خالص است. بازی رنگ ها در اوپال گرانبها از پراش نور از لایه های زیر میکروسکوپی کره های سیلیسی با جهت منظم ناشی می شود. هنگامی که اوپال گرم می شود، ممکن است 20 درصد از وزن آب خود را از دست بدهد، شکسته شود و سپس به یکی از مواد معدنی سیلیس که در بالا توضیح داده شد، متبلور شود. اوپال معمولاً حاوی 4 تا 9 درصد آب است، اما مقادیر کمتر و بسیار بالاتری مشاهده شده است. محتویات آلومینا، اکسید آهن و قلیاها متغیر است، اما ممکن است در عقیق های رنگ روشن به چندین درصد و در صورت وجود مواد معدنی رنگدانه، به چندین درصد برسد. عقیق گرانبها سنتز شده است. سیلیس اوپالین یک سیلیس آبدار شکننده است که در نزدیکی چشمه های آب گرم و آبفشان ها یافت می شود.

8. سیلیس زجاجیه”Vitreous silica”

سیلیس زجاجیه، لشاتلیریت، سیلیس مایع فوق سرد شده است. در طبیعت به عنوان نتیجه همجوشی کوارتز توسط صاعقه (فولگوریت ها) یا ضربه ناشی از برخورد شهاب سنگ های بزرگ مشاهده شده است و ممکن است از نظر ترکیب و خواص فیزیکی به شیشه سیلیس مصنوعی و بسیار خالص نزدیک شود.

9. ملانوفلوژیت “Melanophlogite”

ملانوفلوژیت یک کانی سیلیسی چهارضلعی یا مکعبی با ساختار هیدرات گازی است که دارای حفره های بزرگ زیادی است. در طبیعت، اینها با 6 تا 12 درصد وزنی ترکیبات هیدروژن، کربن و گوگرد پر می شوند که ممکن است برای رشد مواد معدنی ضروری باشد. اگر این ترکیبات در اثر حرارت از بین بروند، باعث فروپاشی کریستال نمی شوند، اما کربن آزاد تشکیل شده، آن را تیره می کند. ملانوفلوژیت با قیر ایجاد می شود و در دمای کمتر از 112 درجه سانتی گراد تشکیل می شود. این بر روی کریستال های گوگرد بومی در سیسیل و شهرستان سانتا کلارا، کالیفرنیا یافت شده است.

سیلیکات ها حدود 95 درصد از پوسته و گوشته بالایی زمین را تشکیل می دهند و به عنوان اجزای اصلی بیشتر سنگ های آذرین و به مقدار قابل توجهی در انواع رسوبی و دگرگونی نیز وجود دارند. آنها همچنین اجزای مهم نمونه های ماه، شهاب سنگ ها و بیشتر سیارک ها هستند. علاوه بر این، کاوشگرهای سیاره ای وقوع آنها را در سطوح عطارد، زهره و مریخ شناسایی کرده اند. از حدود 600 کانی سیلیکات شناخته شده، تنها چند ده گروهی که شامل فلدسپات ها، آمفیبول ها، پیروکسن ها، میکاها، الیوین ها، فلدسپاتوئیدها، و زئولیت ها می شود در تشکیل سنگ مهم هستند.