kwarc: SiO

CHEMIA A SPOŁECZEŃSTWO
Niemetaliczne materiały konstrukcyjne
pochodzenia mineralnego
Marek Kwiatkowski
Zakład Dydaktyki Chemii
Wydział Chemii UG
ul. Sobieskiego 18, 80-952 Gdańsk
tel. (058) 3450 462
e-mail: [email protected]
Rozpowszechnienie pierwiastków w skorupie
ziemskiej
Na
K
Mg
H
Ti
Cl
P
Mn
2.6%
2.4%
1.9%
0.9%
0.6%
0.2%
0.1%
0.1%
C
S
Ba
N
F
Sr
Inne
Cu 0.0068%
0.08%
0.06%
0.04%
0.03%
0.03%
0.02%
0.47%
Pospolite minerały
•
•
•
•
Kwarc SiO2
Skaleń K(Na)2O·Al2O3·6SiO2
Mika KAl2(AlSi3O10)(F,OH)2
Kalcyt CaCO3
Kamienie szlachetne
Różnorodne formy krystaliczne dwutlenku
krzemu SiO2
ametyst
agat
opal
Skały magmowe
Bazalt
•
•
powstaje wskutek szybkiego stygnięcia magmy na powierzchni
Ziemi, drobnokrystaliczna struktura
główne składniki: plagioklaz, piroksen i oliwin
plagioklaz:
NaAlSi3O8 - CaAl2Si2O8
piroksen:
XY(Si,Al)2O6
X: Ca, Mg, Fe(II), Na
Y: Fe(III), Cr(III), Al
oliwin:
(Mg,Fe)2SiO4
Skały magmowe
Granit
•
•
powstaje wskutek powolnego stygnięcia magmy w głębi Ziemi,
gruboziarnista struktura krystaliczna
główne składniki: kwarc, skaleń, mika
kwarc: SiO2
mika:
X2Y4-6Z8O20(OH,F)4
X: K, Na, Ca
Y: Al, Mg, Fe
Z: Al, Si, Ti
skaleń:
(Na,K)AlSi3O8 - CaAl2Si2O8
Skały osadowe
Piasek
•
•
produkt wietrzenia skał magmowych
silnie rozdrobniony kwarc, domieszki związków żelaza
Skały osadowe
Glina
•
•
Produkt wietrzenia glinokrzemianów, np. skaleni
różnorodny skład chemiczny, np. (MgFe,Al)3(Si,Al)4O10(OH)2(H2O)4
Skały osadowe
Piaskowiec
silnie rozdrobniony materiał skalny, głównie kwarc (również
skaleń), scementowany kalcytem, gliną lub krzemionką
• wyraźnie ziarnista struktura
Skały osadowe
Wapień
•
•
•
skała pochodzenia organicznego, scementowane szczątki szkieletów,
muszli, pancerzyków, itp.
częsta obecność skamielin
główny składnik CaCO3
Skały metamorficzne
Marmur
•
przekrystalizowane
skały wapienne
Kwarcyt
•
przetworzone piaskowce
Skały metamorficzne
Łupek
•
przetworzone gliny i iły
Gnejs
•
•
powstały w wyniku przetworzenia
różnych skał, z udziałem
magmowych
warstwowa struktura
Gips
•
Minerał powstały wskutek chemicznego
wytrącania/krystalizacji siarczanu wapnia
z roztworu wodnego CaSO4 · 2H2O
• Drobnokrystaliczna odmiana: alabaster
• Róża pustyni: zlepek płaskich kryształów
gipsu zanieczyszczonych ziarenkami
piasku, powstaje podczas
odparowywania płytkich zbiorników
Gips, cd.
•
•
Ogrzewanie gipsu prowadzi do powstania białego proszku
półhydratu CaSO4 · 1/2H2O
Półhydrat zmieszany z wodą twardnieje w sztywną masę
dwuhydratu, reakcja jest egzotermiczna.
Szkło: struktura
kwarc
wiązania w stałym SiO2
czysty SiO2
tt = 1710oC
dodatek Na2O, CaO:
tt = 700oC
szkło
Szkło: produkcja
•
•
•
Mieszanina piasku (SiO2), sody (Na2CO3) i wapienia
(CaCO3)
Stopienie w piecu szklarskim w 1500oC, wydzielenie CO2
Formowanie
– wydmuchiwanie
– wyciąganie w płyty
– walcowanie
– odlewanie
– wyciąganie włókien
Kolorowe szkło
Au: czerwone
SnO2: mleczne
MnO2: fioletowe
UO3: zielonkawa
fluorescencja
Cu2O: błękitne
FeO: ciemnozielone
Fe2O3: brunatne
Cr2O3: zielone
CoO: ciemnoniebieskie
Szkło specjalne
• PbO: kryształy
• B2O3: szkło laboratoryjne (Pyrex)
• PbO : SiO2 4:1: szkło pochłaniające
promieniowanie X
• CdO: szkło pochłaniające neutrony
• As2O3: szkło przeźroczyste dla IR
Duralex, Luminarc, Arcopal,
Arcoroc, Pyroceram
Drobnokrystaliczna
struktura osiągnięta przez
wygrzewanie w wysokiej
temperaturze
Recykling szkła
Dodawanie stłuczki szklanej do wsadu surowcowego
•
•
tani koszt recyklingu
uzyskiwanie pełnowartościowego produktu
•
ograniczona możliwość barwienia szkła
Tworzywa ceramiczne
•
•
•
•
•
•
•
•
cegła
dachówka
kafle
kafelki
ceramika gliniana
fajans
porcelana
ceramika techniczna
Produkcja ceramiki
• Wymieszać surowce:
–
–
–
–
glinę, np. Al2O3·2SiO2·2H2O
skaleń, np. K2O·Al2O3·6SiO2
krzemionkę SiO2
wodę H2O
• Uformować przedmiot
• Wypalić w piecu
Proces wypalania
• Glina składa się z miniaturowych płytek.
• Powierzchnia płytek jest pokryta grupami
hydroksylowymi OH.
• W mokrej glinie, grupy OH tworzą wiązania wodorowe z
cząsteczkami wody, dzięki czemu płytki mogą się ślizgać
po sobie, glina jest plastyczna.
• Po wysuszeniu (utracie wody) grupy OH zostają
zaangażowane w tworzenie wiązań pomiędzy płytkami.
Ruch płytek po sobie zostaje zahamowany, wysuszona
glina twardnieje.
• Podczas wypalania skaleń zmienia się w szkliwo łączące
ze sobą trwale wszystkie składniki
• Krzemionka zapobiega kurczeniu się masy ceramicznej
podczas suszenia i wypalania.
Cement: produkcja
•
Surowce:
–
–
–
–
•
•
•
wapień lub kreda (CaCO3)
piasek (SiO2)
glina, kaolin (glinokrzemiany)
tlenek żelaza (Fe2O3)
Prażenie sproszkowanej mieszaniny w piecu obrotowym w
temperaturze 870oC: utrata H2O i CO2, produkt 'klinkier'
Mielenie klinkieru na drobny proszek z dodatkiem niewielkiej ilości
gipsu CaSO4
Produkt cement o składzie:
60-67% CaO, 17-25% SiO2, 3-8% Al2O3, do 6% Fe2O3, niewielkie ilości
MgO, MgSO4, Na2O, K2O.
Beton
Skład betonu:
cement, piasek (żwir, kruszywo), woda
Twardnienie betonu:
•
•
•
•
hydroliza krzemianów wapnia zawartych w cemencie prowadzi do
powstania gęstego żelu
silne przywieranie żelu do ziaren wypełnienia powoduje wstępne
tężenie betonu (duża powierzchnia oddziaływania)
powolna krystalizacja prowadzi do powstania masy poprzerastanych
kryształów (wzrost odporności mechanicznej)
woda jest niezbędna do prawidłowego twardnienia betonu
Beton wykazuje wysoką odporność na ściskanie, ale słabą
na rozciąganie, stąd konieczność zbrojenia betonu stalą,
Ultra-czysty krzem
Do produkcji 'chipów' elektronicznych
używa się bardzo czystego krzemu
domieszkowanego w ściśle kontrolowanych
warunkach innymi pierwiastkami
Otrzymywanie: stapianie krzemionki z węglem
w łuku elektrycznym (1900oC), czystość 99%
SiO2(s) + C(s) → Si(l) + CO2(g)
Oczyszczanie:
- topienie strefowe prętów krzemowych
- przepuszczanie chlorowodoru przez
sproszkowany krzem w temperaturze 300oC
Si(s) + 3 HCl(g) → HSiCl3(g) + H2(g)
i następnie rozkład termiczny powstałego
trichlorosilanu na prętach z czystego krzemu:
2 HSiCl3(g) → Si(s) + 2 HCl(g) + SiCl4(g)