علم سرامیک

مشخصات شیمیایی سیلیس

برخی از شیمیدانان، رابطه بین اتم های سیلیس و اكسیژن در سیلیكات های مختلف را مشابه رابطه اتم های كربن و اكسیژن در تركیبات آلی دانسته اند. همانطور كه كربن به دو صورت منواكسید كربن (CO) و دی اكسید كربن (CO2) با اكسیژن تركیب می شود، سیلیسیم نیز به طور مشابه با اكسیژن تركیب شده و تولید تركیبات SiO و SiO2 را می نماید. تركیب اول نظیر منواكسید كربن به صورت گاز بوده و ناپایدار است ولیکن تركیب دوم جامد و پایدار می باشد.
در طبیعت هرگاه در درجه حرارت 25 درجه سانتی گراد، میزان سیلیس محلول در آب از حدود 120 تا 140 ppm بالاتر برود، از نظر شیمیایی كمپلكس Si(OH)4 بوجود خواهد آمد. در چنین حالتی محلول به صورت اشباع در آمده و سبب رسوب سیلیس به صورت ژل و تشكیل بلورهای اولیه كوارتز كه فراوان ترین كانی سیلیس است، می گردد. بلورهای مصنوعی كوارتز كه در صنعت مورد مصرف قرار می گیرد، نیز طی چنین فرآیندی تولید می شوند. بنابراین می توان گفت كه اگر در طبیعت مقدار سیلیس محلول در آب كمتر از ppm 210 باشد، سیلیس موجود در آب به صورت محلول باقی مانده و هیچ گونه كریستالی تشكیل نمی شود. فقط در زمانی كه میزان سیلیس محلول در آب از حد ppm 410 بگذرد، زایش بلورهای كوارتز شروع می شود.
كوارتز، تریدیمیت و كریستوبالیت سه پلی مورف اصلی سیلیس هستند كه در طبیعت به خوبی شناخته شده اند، هركدام از این كانی ها در شرایط خاصب بوجود آمده و دارای مشخصات فیزیكی و كانی شناسی معینی می باشند. این پلی مورف ها در شرایط حرارتی ذیل به یكدیگر تبدیل می شوند:

فرآیندهای تبدیل سه پلی مورف فوق كه هركدام در شرایط خاص ترمودینامیكی و شیمیایی انجام می شوند، همگی دو طرفه و برگشت پذیر می باشند. نحوه و شرایط تبدیل پلی مورف های سیلیس به یكدیگر، در تمام صنایعی كه این ماده معدنی به نحوی در آنها كاربرد دارد، از اهمیت زیادی برخوردار است. در اثر تبدیل این پلی مورف ها به یكدیگر، خواص كانی شناسی و فیزیكی آنها نظیر ضریب شكست، سیستم تبلور، چگالی و سختی نیز متغیر می نماید.
دانه های بلوری سیلیس از لحاظ مولکولی متبلور بوده با شبکه های بدون اتصال الکترونی است. انواع مختلف سیلیس- کوارتز، تریدیمیت و کریستوبالیت- سیلیس گداخته و در کوهی ( به فرمول شیمیایی Si2O7 ) در ساختمان شبکه های سه بعدی یا تکتوسیلیکاته متبلور شده اند. در این ساختمان هر چهار وجهی SiO4، تمام گوشه های خود را با سایر چهاروجهی ها به اشتراک گذاشته است و نسبت Si:O، 1:2 است. در این ساختمان، اتم سیلیسیم چهار ظرفیتی توسط 2 اتم اکسیژن دو ظرفیتی متعادل شده است. در این نوع سیلیکات ها بخشی از اتم های سیلیسیم توسط آلومینیوم جایگزین شده است و به صورت (Si, Al)O2 در می آید.
اگر چه پیوندهای Si-O در ساختار اکتاهدرال کوردیناسیون 6 بلندتر از طول این پیوندها در ساختار تتراهدرال کوردیناسیون 4 هستند، اما بسته بندی فشرده تر اکسیژن ها باعث افزایش زیاد چگالی این پلی مورف نسبت به سایر پلی مورف های سیلیس می شود.
سیلیس رامی توان در ابتدا به صورت محلول در آب در نظر گرفت. پس از اشباع شدن محلول ها از سیلیس و رسوب آن در محیط، تبلور سیلیس آغاز می شود که باعث تشکیل اشکال نهان بلور و ریزبلور می شود.
پس از این مرحله درصورت ایجاد شرایط مساعد، زایش و رشد بلورهای کوارتز انجام می شود. همچنین سیلیس موجود در محیط های آذرین و ماگمایی نیز ایجاد بلورهای کوارتز می کنند که این بلورها هم در فازهای اولیه و هم در مراحل پایانی ماگماتیسم ایجاد شده و یا ممکن است از محلول های گرمابی ناشی شوند.
کوارتز، کریستوبالیت و تریدیمیت اشکالی از سیلیس هستند که می توانند در سنگ های آذرین رخ دهند. این 3 شکل سیلیس نمایش دهنده پدیده انانتیوتروپیسم (پلی مورفیسم برگشت پذیر) است.
هر یک دارای حوزه پایداری خود است، کوارتز در فشار اتمسفریک تا دمای 867 درجه پایدار است، تریدیمیت بین 867 درجه و 1470 درجه و کریستو بالیت از 1470 درجه تا نقطه ذوب یعنی 1713 درجه پایدار می باشند. سیلیس مایع نیز از 1713 درجه تا نقطه جوش سیلیس پایدار است. این 3 پلی مورف سیلیس همگی از گروه های چهار وجهی، متشکل از 4 اتم اکسیژن به دور یک اتم سیلیس مرکزی تشکیل شده اند.
چهار وجهی های سیلیسیوم- اکسیژن به یکدیگر متصل شده اند تا شبکه ای سه بعدی را به وجود آوردند اما الگوی اتصال برای هر یک از این سه شکل سیلیس متفاوت بوده و اختلاف ساختار بلوری و خواص آنها نیز از همین جا ناشی می شود.
کریستوبالیت و تریدیمیت ساختارهای نسبتاً بازی دارند، در حالی که اتم های کوارتز از بسته بندی فشرده تری برخوردارند. هر یک از 3 پلی مورف سیلیس دارای انواع دمای بالا و دمای پائین است. در کوارتز، تغییر از نوع دمای پائین به دمای بالا در فشار یک اتمسفر، در دمای 573 درجه رخ می دهد.
تریدیمیت دمای بالا نیز بین 120 و 160 درجه به تریدیمیت دمای پایین تبدیل می شود و کریستوبالیت دمای بالا هم بین 200 تا 275 درجه سانتیگراد به کریستوبالیت دمای پائین مبدل می شود. تبدیل شکل های دمای بالا - دمای پائین با تبدیل هر یک از انواع به نوع دیگر کاملاً تفاوت دارد.
چهار وجهی های SiO4 در هر یک از این 3 کانی با الگوهای متفاوت به یکدیگر متصل شده اند و این اتصال باید به طور کامل شکسته و باز آرایی شود تا یک نوع بتواند به نوع دیگر تبدیل گردد.
از طرف دیگر در تغییر انواع دمای بالا به دمای پائین نیازی به تغییر در چگونگی اتصال چهاروجهی ها نیست. این تغییر باعث ایجاد یک جا به جایی و چرخش در آنها می گردد که بدون شکستن اتصال ها باعث تغییر تقارن ساختاری می گردد. انواع دمای بالا نسبت به انواع دمای پائین همیشه از تقارن بیشتری برخوردارند. تبدیل گونه های دمای بالا به دمای پائین هر یک از این کانی ها در دمای تبدیل به سرعت انجام گرفته و برگشت پذیر می باشد.
تغییر از یک پلی مورف به پلی مورف دیگر به شدت کند و بطئی است، وجود تریدیمیت و کریستوبالیت به صورت کانی نشان می دهد که این دو پلی مورف می توانند به طور نامحدود در دمای عادی بدون تغییر باقی بمانند.
پس از تشکیل تریدیمیت و کریستوبالیت، اتصال به وجود آمده سخت تر از آن است که بتواند به آسانی شکسته شود و به همین دلیل تبدیل انواع دمای بالا و پایین کریستوبالیت و تریدیمیت را می توان در دماهایی مورد مطالعه قرار داد که این دو کانی در واقع در این دماها نیمه پایدارند. حضور عناصر خارجی در ساختمان تریدیمیت و کریستوبالیت می تواند اثری پایدار کننده داشته باشد.
تعداد اندک تجزیه های کامل موجود از این کانی ها حضور مقادیر مشابهی Al, Na را نشان می دهد که بیانگر جایگزینی یعنی NaAl به جای Si در ساختمان باز است. از طرف دیگر کوارتز معمولاً به صورت SiO2 خیلی خالص یافت می شود.
•اگر چه کوارتز در فاز پایدار در دماهای کمتر از 867 درجه است، اما کریستوبالیت یا تریدیمیت هم می توانند در زیر این دما متبلور شوند، به خصوص هنگامی که تبلور به سرعت رخ می دهد.
•کوارتز دمای پائین و کوارتز دمای بالا تنها در محدوده حوزه پایداری خود تشکیل شده و هیچ گاه در دمای بالاتر تشکیل نمی شوند.
در نتیجه حضور کوارتز در یک سنگ آذرین نشان دهنده این است که تبلور آن از ماگما در دمای زیر 867 درجه صورت گرفته است و حضور کریستوبالیت یا تریدیمیت به هیچ وجه نمی توانند نشان دهنده دمای تبلور باشد.
کوارتز در دماهای معمولی همیشه به صورت کوارتز دمای پائین حضور دارد. از روی شکل بلوری، ماهیت ماکل و سایر خواص کم اهمیت تر می توان شکل اصلی را در غالب موارد تعیین کرد.
کوارتز تقریباً در تمام سنگ های آذرین کوارتز دار ابتدا به صورت کوارتز دمای بالا متبلور می شود. در رگه های کوارتز و بعضی از پگماتیت ها کوارتز از همان ابتدا به صورت کوارتز دمای پایین متبلور می شود. تبلور ماگمایی در سنگ های کوارتز دار دماهای بالاتر از 573 درجه صورت گرفته و تبلور بخشی از مواد باقی مانده نیز حداقل در دماهای پائین تر صورت می گیرد.

مشخصات فیزیکی و مکانیکی سیلیس

اكسید سیلیسیم (SiO2) یا سیلیس تركیبی شیمیایی است كه به صورت خالص (كانی های كوارتز، اپال و...) و یا به صورت تركیب در كانی های سیلیكاته در مجموع 90 درصد پوسته جامد زمین را تشكیل می دهند. نام سیلیس Silicon از واژه لاتین (Silicis) به معنی (flint ) سنگ سخت، سنگ آتش زنه یا سنگ چخماق گرفته شده است. سیلیس به عنوان دومین عنصر فراوان در پوسته زمین با فراوانی 25% می باشد.
سیلیس غیرفلزی است سخت به رنگ بیرنگ تا سفید رنگ و یا خاكستری تیره با نماد Si ، عدد اتمی 14، وزن اتمی 085/28، وزن مخصوص 33/2 گرم بر سانتی متر مکعب، سختی7 در مقیاس موس، رنگه خاکه سفید، فاقد کلیواژ ، نقطه جوش 2355 درجه سانتیگراد درجه سانتی گراد و نقطه ذوب 1410 درجه سانتی گراد.
سیلیس در گروه 14(IVA) جدول تناوبی به عنوان غیرفلز) Metalloids (Nonmetal بوده و در دوره 3 قرار دارد.
سیلیس جزء اصلی ماسه سنگ و ماسه سیلیسی، كوارتز و كوارتزیت، بلور كریستال، تریپلی و نواكولیت، سیلیس مصنوعی و سیلیكون شیمیایی، کانی های رسی، گرانیت، سنگ چماق و دیاتومیت می باشد.
نام سیلیس برای کلیه کانی هایی به کار برده می شود که دارای SiO2 می باشند حتی اگر از نقطه نظر بلوری، شرایط فیزیکی و شرایط زمین شناسی با هم متفاوت باشند. این كانیها در شرایط متفاوت زمین شناسی بوجود آمده و تشكیل می‌شوند. سیلیس خالص، بیرنگ تا سفید رنگ است. بلور واحد یا مولكول سیلیس دارای فرمول (SiO2) بوده و لذا دانه های بلور آن از لحاظ مولكولی متبلور با شبكه های بدون اتصال الكترونی است. ولی سیلیس گداخته و كوارتز (دره كوهی) به فرمول شیمیایی Si2O7 شبكه پیوسته ای دارد كه در آن هر اتم سیلیسیوم با چهار اتم اكسیژن و هر اتم اكسیژن سیلیسوم احاطه شده است.

جدول 1- برخی خواص فیزیكی، شیمیایی، ژئوشیمیایی و... عنصر سیلیس :
•Atomic Number: 14
•Group: 14
•Period: 3
•Series: Metalloids (Nonmetal)
Silicon's Name in Other Languages
•Latin: Silicium
•Czech: K emík
•Croatian: Silicij
•French: Silicium
•German: Silizium - r
•Italian: Silicio
•Norwegian: Silisium
•Portuguese: Silício
•Russian:
•Spanish: Silicio
•Swedish: Kisel
Atomic Structure of Silicon
•Atomic Radius: 1.46Å
•Atomic Volume: 12.1cm3/mol
•Covalent Radius: 1.11Å
•Cross Section: 160barns ±20
•Crystal Structure: Cubic face centered

•Electron Configuration:
1s2 2s2p6 3s2p2
•Electrons per Energy Level: 2,8,4
Shell Model

•Ionic Radius: 0.4Å
•Filling Orbital: 3p 2
•Number of Electrons (with no charge): 14
•Number of Neutrons (most common/stable nuclide): 14
•Number of Protons: 14
•Oxidation States: 4
•valence Electrons: 3s 2p 2
Electron Dot Model

Chemical Properties of Silicon
•Electrochemical Equivalent: 0.26197g/amp-hr
•Electron Work Function: 4.52eV
•Electronegativity (Pauling): 1.9
•Heat of Fusion: 50.55kJ/mol
•Incompatiblities:
Chlorine, fluorine, oxidizers, calcium, cesium carbide, alkaline carbonates
•Ionization Potential
First: 8.151
Second: 16.345
Third: 33.492
•valence Electron Potential (-eV): 144
Physical Properties of Silicon
Note: temperature and pressure sensitive calculations are based on normal temperature and pressure (20°C @ 1atm).
•Atomic Mass Average: 28.0855
•Boiling Point: 2628K 2355°C 4271°F
•Coefficient of Linear Thermal Expansion:
0.0000042cm/cm/°C (0°C)
•Conductivity
Electrical: 2.52E -12 106/cm
Thermal: 1.48 W/cmK
•Density: 2.33g/cc @ 300K
•Description:
Hard dark gray non-metal.
•Elastic Modulus:
Bulk: 100/GPa
Youngs: 47/GPa
•Enthalpy of Atomization: 439.3 kJ/mole @ 25°C
•Enthalpy of Fusion: 46.44 kJ/mole
•Enthalpy of Vaporization: 439 kJ/mole
•Flammablity Class: Combusrible Solid in powder form
•Freezing Point: see melting point
•Hardness Scale
Mohs: 6.5
•Heat of Vaporization: 384.22kJ/mol
•Melting Point: 1683K 1410°C 2570°F
•Molar Volume: 12.05 cm3/mole
•Optical Reflectivity: 28%
•Pysical State (at 20°C & 1atm): Solid
•Specific Heat: 0.71J/gK
•Vapor Pressure = 4.77@1410°C
Regulatory / Health
•CAS Number: 7440-21-3 amorphous powder
•UN/NA ID (ERG Guide Number): 1346 (170) amorphous powder
•RTECS: VW0400000
•OSHA Permissible Exposure Limit (PEL)
TWA: 15 mg/m3 total particulate
5 mg/m3 respirable particulate
•OSHA PEL Vacated 1989
TWA: 10 mg/m3 total particulate
5 mg/m3 respirable particulate
•NIOSH Recommended Exposure Limit (REL)
TWA: 10 mg/m3 total particulate
5 mg/m3 respirable particulate
•Routes of Exposure: Inhalation; Ingestion; Skin and/or eye contact
•Target Organs: Eyes, skin, respiratory system

کانی های سیلیس

 انواع سیلیس در طبیعت به صورت کانی های مشخص ذیل یافت می شود که عبارتند از:
سیلیس متبلور (کوارتز با چگالی 65/2، تریدیمیت با چگالی 26/2، کریستوبالیت با چگالی 32/2، اوپال، لوشاته لیریت با چگالی 20/2، کوئیزیت و استیشوویت)، سیلیس نهان بلور (سنگ آتش زنه، سنگ آتش زنه سیاه، کلسدونی و عقیق ) و سیلیس بی شکل ( اپال، سیلیس بی آب )، سنگ شیشه، سیلیس گداخته شفافی باچگالی 21/2می باشد. هنگامی كه ناخالصی ها كمتر از ppm 1 باشد از بهترین شیشه های شفاف بوده و دارای قدرت انتقال زیاد اشعه ماورء بنفش است و نوع از سیلیس كه در صنعت كاربرد دارد سیلیس گردی است كه از خدایش سیلیس به دست می‌آید و در تركیبات لاستیك، غلیظ كننده و گریس بعنوان عامل مات ساز در رنگها بكار برده می‌شود.
از میان این کانی ها، کوارتز بسیار رایج است. تریدیمیت و کریستوبالیت در سنگ های آتشفشانی توزیع گسترده ای داشته و به سختی می توان گفت که کانی های کمیاب هستند. لوشاته لیریت (شیشه سیلیس) بسیار کمیاب است.
کوئیزیت و استیشوویت اشکال فشار بالای سیلیس می باشند که ابتدا در آزمایشگاه ساخته شده و سپس در ماسه سنگ های کراتر متئور در آریزونا یافت شدند، جایی که این دو کانی ظاهراً بر اثر فشار آنی و بالا ناشی از برخورد شخانه تشکیل گردیده اند. چگالی بالای(29/4) برای استیشوویت ناشی از تغییر کوردیناسیون 4 به 6 است.
سیلیس گرد از خردایش سیلیس به دست می آید و درصنعت در لاستیک سازی، غلیظ کننده گریس و به عنوان مات ساز رنگ ها کاربرد دارد.
چرت و فلینیت معمول ترین انواع سنگ های رسوبی شیمیایی هستند.
چرت یك واژه خیلی كلی برای رسوبات سیلیسی دانه ریز، با منشأ شیمیایی، بیوشیمیایی یا بیوژنیكی است.
فلینیت بعنوان معادل چرت و خصوصاً برای نودل های چرتی موجود در گل های سفیدهای (chalk) كرتاسه بكار می رود.
ژاسب نوعی چرت قرمز است كه رنگ قرمز آن ناشی از هماتیت ریز پراكنده است.
سیلیكسیت (Silexite) واژه فرانسوی معادل چرت، خاصه نوع سیاه و كربن دار آن است.
نواكولیت، نوع دیگری از سنگ های سیلیسی است كه افزون بر سختی زیاد، بافت یكنواخت و میكروكریستالین و رنگ روشن نیز، برخوردار است. نواكولیت در اصل یك چرت لایه- لایه متشكل از كوارتز میكروکریستالین است.
پورسلانیت به سنگ های سیلیسی دانه ریز با بافت و شكستگی مشابه با پورسلان بدون لعاب اطلاق می شود.
تریپولی از انواع دیگر سنگ های سیلیسی بسیار متخلخل و سبك وزن است كه كانی عمده تشكیل دهنده آن كلسدونی بوده و به رنگ های سفید، صورتی و خاكستری روشن و با لمس زبر و خشن، مشخص می شود. تریپولی فقط در سطح زمین گسترش داشته و آن را نتیجه فرآیندهای هوازدگی از قبیل آب گرفتن و یا شكستگی سنگهای دیگر از قبیل چرت و آهك های سیلیسی معرفی كرده اند، كه بخش های كربناته آنها شسته و خارج شده است.

چرت ها معمولاً به انواع لایه لایه و نودولی تقسیم می شوند:
•چرت های لایه لایه اغلب با سنگ های ولكانیكی همراه هستند و در آن چرت را با منشأ ولكانیكی یا منشأ بیوژنیكی سیلیس می دانند.
•چرت های نودولی عمدتاً در سنگ های آهكی و تا حدودی در گل سنگ ها و تبخیری ها گسترش دارند. بیشتر چرت های نودولی دیاژنتیكی هستند و از طریق جانشینی تشكیل شده اند. منشأ سیلیس را عمدتاً به منشأ آتشفشانی نسبت می دهند.
مطالعات جدیدتر (Cruzzi 1996) نشان می دهد كه فقط از منشأ آتشفشانی نیست بلكه قسمت عمده ای از خشكی ها نشأت می گیرند و یا از انحلال سنگ های پوسته جامد زمین شكل می گیرند.

سنگ های سیلیس به دو گروه اولیه و ثانویه تقسیم می شوند :
•اولیه ها شامل:
الف- چرت هایی كه رادیولارها سازنده آنها هستند و بنام رادیولاریت خوانده می شوند
ب- دیاتومیت های پورسلانیت
ج- Opaline rocks
د- اسپیكولیت
هـ- نواكولیت

• ثانویه ها (بعد از رسوبگذاری شكل می گیرند):
الف- نودول های چرت شامل Syngenetic chart
ب- Early chart
ج- late chart
د- Diagenes chart

•سنگ های سیلیسی با منشأ اولیه :
الف- چرت های رادیولاریتی:
این چرت ها دو دسته اند:
1-چرت با نوارهای اكسید آهن
از مشخصات انواع چرت با نوارهای اكسیدآهن می توان به مشخصه های زیر اشاره كرد:
الف- همراه با توالی های افیولیت هستند.
ب- همراه با گل های پلاژیك هستند.
ج- دارای نوارهای قرمز تا سبز تیره دارای اكسیدهای Fe 3+
د- از پوسته رادیولر تشكیل شده اند.

دو فاكتور اول نشان دهنده این است كه اینها در یك محیط عمیق شكل گرفته اند. وجود Fe 3+ نشان دهنده محیط اكسیدان است كه علت وجود محیط اكسیدان در عمق به علت گردش شدید آب در طبقات است كه باعث شده اكسیژن از طبقات سطحی به اعماق برود. پس این سنگ ها مربوط به محیط های عمیق دریا كه Cirulation آب شدید بوده و اجازه داده تا اكسیژن به محیط عمیق برود و محیط اكسیدان گردد، می باشند.

2- با نوارهای مواد آلی :
انواع دارای نوارهای مواد آلی در همان محیط قبل ولی غیر اكسیدان تشكیل می گردند. ناخالص هایی كه همراه این 2 گروه دیده می شود عمدتاً كانی رسی گروه ایلیت، كوارتز میكروكریستالین و فسفات می باشد.

ب- دیاتومیت های پورسلانیت
عمدتاً در محیط های دریاچه ای بخصوص فلات قاره (Shelf) شكل می گیرند كه محیط غیر اكسیدان است. در محیط شیب قاره Slope اگر اكسیدان نباشد نیز شكل می گیرند.
این سنگها دارای تخلخل بالایی هستند و كانی های رسی گروه كائولن یا كائولن + ایلیت همراه آنها دیده می شود. اگر مقدار كانی رسی به 25 درصد برسد به سنگ، پورسلانیت می گویند. این سنگ ها در یك منطقه بسیار كم شیب و گسترده كه چون بصورت خلیج است، گردش (Circulation) شدید آب وجود ندارد و به علت جریانهای Upwelling سیلیس به محدوده شلف كشیده می شود وبه طریقه شیمیایی و بعضاً با علت دخالت موجودات پلانكتون، این سنگ به صورت ژل سیلیسی كه عمدتاً اپال A و C است، نهشته می شود.

د- اسپیكولیت :
عمده سازنده اسپیكولیت، سوزن های اسفنجی هستند. تفاوت این سنگ ها با بقیه سیلیس ها این است كه این سنگ ها در دریاچه های آب شیرین گسترش می یابند و همراه با رسوبات جریانهای آشفته هستند.

هـ- نواكولیت :
رسوبات سیلیسی كه در تشكیل آنها موجودات مختلف دخالت دارند و موجود غالبی شناخته نشده است و در محیط های دریایی كم عمق گسترش می یابند.

•سنگ های سیلیسی از منشأ ثانویه:
اینها غالباً به صورت نودولی هستند. برای تشكیل این سنگ ها در محیط دیاژنز دو شرط لازم است :
1-وجود Si كه می تواند حاصل انحلال ذرات اصلی سازنده سنگ باشد و توسط آب های درون منفذی وارد سنگ می شود.
2-وجود PH و Eh مناسب در محیط دیاژنز
سیلكریت كه سنگی غنی از سیلیس است، اولیه بوده و در PH قلیایی تشكیل می شود و لذا در فصول خشك كه تبخیر و PH بالاست، ایجاد می شود. كالكریت در محیط دیاژنز شكل می گیرد.

مصارف عمده سیلیس

به طور كلی موارد مصرف سیلیس SiO2 عبارت است از:
شیشه سازی، چینی سازی، تولید فروسیلیس، سرامیك سازی، تولید آجر ماسه آهكی، ریخته گری، تولید سیلیكات سدیم، تولید دیگر مواد سیلیسی، به عنوان نیمه هادی در صنعت الکترونیک و تولید پشم شیشه.
مقادیر قابل توجهی ازماسه سنگ خرد شده به عنوان مصالح ساختمانی بكار می رود.
سیلیس مصرفی در هر یك از این صنایع باید كیفیت خاصی داشته باشد. تركیب شیمیایی، ساختمان كانی شناسی و خواص فیزیكی سیلیس، تعیین كننده كیفیت و موارد مصرف آن در هر یك از صنایع مذكور می باشند. تركیب شیمیایی سیلیس در واقع عبارت است از درصد SiO2 موجود در سنگ و نیز درصد هریك از اكسیدهای دیگر كه معمولاً به همراه SiO2 در كانسارهای مختلف وجود دارند و در صورتی كه درصد هر یك از آنها از حد معینی تجاوز نماید، كاربرد آن را در صنایع مختلف محدود و یا غیر ممكن می سازد.
علاوه بر درصدSiO2، ساختمان كانی شناسی سنگ نیز در تعیین كیفیت و موارد مصرف آن نقش مهمی دارد زیرا ممكن است SiO2 به صورت انواع سیلیكات ها وجود داشته باشد، در نتیجه این مسئله در تعیین روش كانه آرائی و چگونگی حذف ناخالصی ها تأثیر خواهد داشت.
خواص فیزیكی سیلیس نیز در همین روش مناسب برای خردایش، دانه بندی پودر سیلیس تولید شده و تعیین موارد مصرف پودر تولید شده تأثیر خواهند داشت.
لعاب:
سیلیكا ماده تشكیل دهنده شیشه است، برای ساخت انواع شیشه مخصوص سیلیس با موادی از قبیل فلدسپار، نفلین سینیت، سودا و... تركیب می‌شود.
سرامیك:
كوارتز در ساخت انواع مختلف سرامیك و سرویس بهداشتی بكار می‌رود.
ریخته گری و نسوز:
مقاومت كوارتز وسیلیس تا دمایC 1470 سبب شده از آن برای تهیه قالب های ریخته‌گری فلزاتی مانند فولاد، آهن سیاه، آلومینیم وآلیاژهای مس و همچنین به عنوان نسوز در ساخت كوره‌های آهن و فولاد، سرامیك، شیشه و سیمان بكار می‌رود. كاربردهای متفرقه دیگری مانند ساینده، پودر جلا، فیلتراسیون، شن و ماسه ساختمانی است. انواع گرد شده و با كیفیت برای باز كردن شكافها و افزایش نفوذ پذیری در تولید نفت وگاز بكار می‌رود. همچنین با پودر كردن آن می‌توان از آن به عنوان پركننده در رنگ، پلاستیك، لاستیك، بتونه و چسب استفاده كرد.
سیلیكات سدیم :
سیلیكات سدیم به صورت گلوله های شفاف، بدون آب و پودر شیشه یا پودر آبدار خرید و فروش می‌شود. این ماده در كنترل سایندگی لوله های آب و فرمول بندی لعاب و مینا بكار می رود. انواع محلول مایع آن در صابون‌سازی، پاك كننده‌های صنعتی و عمومی، چسب، سیمان‌سازی، ‌رنگ و پوشش، قالب ریخته‌گری، شناور‌سازی كانه، پایدارسازی پراكسید و كنترل خوردگی در لوله های آب و پیش ماده سیلیس مخلوط زئولیت كاربرد دارد.
سیلیس ته‌نشین شده:‍
از واكنش سیلیكات سدیم با اسید سولفوریك یا اسید كلریدریك طی شرایط مشخصی سیلیس ته نشینی تولید می شود كه بدلیل خواصی از قبیل درخشندگی بسیار بالا و تخلخل كم از آن به عنوان پر كننده ریز دانه و ضد لغزش در لاستیك (لاستیك خودرو و كفپوش) PVC، پلی الفین، فیلم LDPE و جداكننده های ریز منفذی باتری های سربی، پخش كننده، حمل كننده و بسیاری موارد دیگر استفاده می‌شود.

سیلیس كلوئیدی:
سوسپانسیونی از سیلیس ریز دانه در محیط آبی كه به منظور اصطكاك دركاغذ و تخته، جوش دهنده نسوزهای فیبری، كاتالیزور و پیش ماده شیمیایی مصرف می شود.

سیلیس، نوع متالورژی:
از واكنش كوارتز وكك در كوره قوس الكتریك و دمای بالای C’2000 ساخته شده و 99%-98 Si دارد. ازآن در تهیه آلیاژهای آلومینیم، فولاد، سوپرآلیاژ، سیلیكون و مواد شیمیایی استفاده می كنند.
انواع دیگر ازسیلیس و تركیبات آن مانند سیلیس پخته، خرد سیلیكون، نیترات سیلیسیوم و... وجود دارند كه هر یك كاربرد های مخصوص خود را داراست.
كوارتز بلوری:
انواع شفاف و خوش‌نما برای تهیه عدسی و مخروط، جواهرسازی و نمونه كانی بكار می‌رود، از خاصیت پیزوالكتریك آن در الكترونیك استفاده می كنند.
تریپلی:
سیلیس ریز بلور، متخلخل با وزن مخصوص 65/2، سختی7، سفید تا خاكستری و... كه به عنوان پركننده یا رنگدانه در رنگ، لاستیك، پلاستیك، ساینده و بتونه بكار می رود، بعلاوه در پودر‌های ساینده وجلا و ساینده دندان بكار می رود.

نواكولیت:
سنگ متخلخل سفید تا خاكستری، قهوه ای روشن تا سیاه كه از دانه های كوارتز بی‌شكل متراكم ساخته شده است كه خاصیت سایندگی عالی دارد: تمیز كردن فلزات، ماده آسیاب كننده، نسوز و مصالح سبك ساختمانی.
فلینت:
سیلیس كلسدونی مخفی بلور متراكم (سرامیك، چینی استخوانی، ماده آسیاب كننده و...).

تقسیم بندی انواع سیلیس براساس درصد SiO2 و مصرف :
سیلیس درجه 1 :
این نوع سیلیس دارای حداقل 96%=SiO2 است و در شیشه سازی، لعاب، صنایع شیمیایی، فروسیلیس، پشم شیشه، سیلیكات سدیم، فروکروم و ماسه تست سیمان به کار می رود.
سیلیس درجه 2 :
این نوع سیلیس دارای 95-85%= SiO2 است و در ماسه ریخته گری، ماسه سندبلاست، فیلتراسیون و دیرگدازها به کار می رود.
سیلیس درجه 3 :
این نوع سیلیس دارای 85-70%= SiO2 است و در آجر ماسه آهکی و آجرسبک، کارخانجات تولید سیمان و بتن سبک به کار می رود.

جدول 3- تقسیم بندی انواع سیلیس بر اساس درصد SiO2

استانداردها:
باكاربری شیشه سازی:
حداقل 99-5/98% SiO2 و Fe2O3 كمتر از 04/0% در شیشه تخت، 03/0% ظروف شیشه ای، 88/0%ظروف بلوری، 3/0% فایبرگلاس، 6/1%-2/0 Al2O3 و مقادیر نا چیز (Ni،Cu،Co) و مواد نسوز (كرومیت، زیركن وروتیل)
شیشه نوری درجه اول:
حداقل99%-5/98 SiO2، كمتر از 1/0%Al2O3 و02/0% Fe2O3.
پیش ماده سیلیكات سدیم:
بیشتر از 4/99% SiO2و كمتر از03/0% Fe2O3.
سرامیك:
زیر 20% Cu،5/97%> SiO2، 55%< Al2O3 و2/0% Fe2O3.
ماسه با كاربری فیلتر:
نسبتا خالص و بدون خاك، رس و مواد آلی یا میكایی، شكل بلور های گرد شده یا نرمال بدون كشیدگی یا تخت شدگی، اندازه دانه های یكنواخت، اندازه كوچك و ضریب یكنواختی.
ماسه خوب گرد شده و مقادیر ناچیز ناخالصی از رس، فلدسپار و كلسیت اندازه دانه ها : mm7/1*35/3 mm18/1×36/2, mm85/0×70/1, mm212/0×425/0,mm 106/0×212/0

ماسه ریخته گری:
98% SiO2 زیر 200مش وCaO وMgO محدود (چرا كه مقدار اسید مصرفی كه عامل اندازه‌گیری مقدار جوش دهنده مورد نیاز است را كاهش می‌دهد).

ماسه گداخت (آهن و فولاد):
90%> SiO2

ماسه نسوز:
99%-95 : SiO2

پودر سیلیس:
1/0%< Fe2O3, 38/0%< Al2O3 , 1/0%< Na2O ,1/0%< K2O اندازه متوسط ذرات 60 میكرومتر, درجه درخشندگی 89%

پیش ماده سیلیكون:
99%-5/98> SiO2 ,5/1%-1/0< Fe2O3 ,15/0%< Al2O3 , بدون فسفر و آرسنیك, 2/0%< CaO,MgO و نقصان در اثر حرارت, گلوله های با قطر< cm54/2 و حداقل درجه نرم شدن C ‘1700

فروسیلیكون:
98%> SiO2 ,2/0%< Fe2O3 ,4/0% Al2O3 ,2/0% MgOوCaOو 1/0% P, قطر گلوله ها 16/1-32/0

تریپلی:
5/99-98% SiO2 ,1%-025/0 Fe2O3 و اندازه ذرات 99% زیر 74 میكرومتر تا 99% زیر 10 میكرومتر

نواكولیت:
60%> SiO2, 20% Al2O3, 2% Fe2O3 ,3% C
فلینیت:
4/97% SiO2 , 35/0% Al2O3 , Fe2O3 نادر, 46/0%CaO , 18/0%MgO,3/1% نقصان در اثر حرارت, اندازه متوسط دانه ها 10 میكرومتر.
باز یافت:
بازیافت شیشه در حال افزایش است. نرخ متوسط باز یافت شیشه 33% در آمریكا و 90% در برخی كشورهای اروپایی مانند سوییس است. بعد از خمیر شیشه, دومین كاربری ظروف شیشه ای بازیافتی فایبر گلاس عایق (40% از ماده اولیه) است. ماسه سیلیس مورد استفاده در سایش معمولاً در بازیافت فولاد مصرف می‌شود. بازیافت ماسه ریخته گری بدلیل مشكلات دفع و آماده سازی آن رو به افزایش است.
جایگزین ها:
ساینده:
بوكسیت, آلومینا, كروندوم, الماس, دیاتومیت, فلدسپار, گارنت, منیتیت, نفلین سینیت, الیوین, پرلیت, پومیس, سربار, ذغال و فلزات استارولیت, تریپلی, كربید سیلیسیوم و ایلمنیت.
ماده ضد بلوكه شدن:
كائولن تكلیس شده , دیاتومیت, تالك.

ساختمان سازی:
گرانیت خرد شده, آهك, مرمر و...

سنگ نما:
گرانیت, مرمر, آهك, اسلیت, آجر.

پركننده ها:
تری هیدرات آلومینیم, باریت, كربنات كلسیم, دیاتومیت, فلدسپار, كائولن, میكا, نفلین سینیت, پرلیت, تالك, ولاستونیت.

فیلتر:
كربن فعال شده/آنتراسیت, آزبست, سلولز, دیاتومیت, گارنت, منیتیت, پومیس, پرلیت, ایلمنیت.

ریخته گری:
بوكسیت و آلومینا, كرومیت, رس, الیوین, پرلیت, ورمیكولیت, زیركن.

مواد اصطكاك زا:
آزبست, باریت, بوكسیت و آلومینا, رس, (آتاپولگلیت, كائولن, سیبولیت), گارنت, گرافیت, ژیپس, میكا, پومیس, پیروفیلیت, اسلیت, ورمیكولیت, ولاستونیت, زیركن.

نسوز:
آندالوزیت, بوكسیت, كرومیت, كیانیت, دولومیت, گرافیت, منیزیت, الیوین, پیروفیلیت, رس نسوز, سیلیمانیت, زیركن.

مصرف ظاهری سیلیس در جهان در این دوره ( 1990-2000) از 588 هزارتن در سال 1990 به 609 هزارتن در سال 609 و 689 هزارتن در سال 2000 افزایش یافته است (جدول 4 ).

جدول 4- میزان مصرف ظاهری سیلیس در جهان در سالهای 1990- 2000(هزارتن)

شکل 2- میزان مصرف ظاهری سیلیس در جهان در سالهای 1990- 2