سیلیکون و مینرال های آن (1)

عنصر غیر فلزی سیلیکون، یکی از مواد با پراکندگی گسترده در پوسته زمین است. این ماده بعد از آب، فراوان ترین ماده ای که در پوسته ی زمین یافت می شود. ترکیب شیمیایی این ماده SiO_2 می باشد که در حدود 12 % از آن را سیلیکون تشکیل داده است. سیلیس ممکن است به صورت واکنشی و یا غیر واکنشی (آزاد) وجود داشته باشد. سیلیس واکنشی یا ترکیبی در واقع به صورت جزئی سیلیکاتی در یک سری از مواد معدنی و یا سنگ ها یافت می شود. سیلیس آزاد در انواع مختلفی از سنگ ها یافت می شود. این ماده، یکی از منابع مهم مربوط به سیلیکون و سیلیس می باشد.

انواع سیلیس

نام متداول سیلیس، کوارتز می باشد. از لحاظ مینرالی، کوارتز بر اساس میزان کریستالیزایون، به دو بخش اصلی تقسیم بندی می شود. این تقسیم بندی، عبارتند از: 1) فنوکریستالین ها (کریستال های بزرگ که در یک توده ی با دانه های ریز قرار دارد) و 2) کریپتوکریستالین ها (کریستال های مجزا اما با ظاهری توده ای). به هر حال، این طبقه بندی، هیچ اهمیت اقتصادی برای ما ندارد. بعضی عبارت ها وجود دارد که برای بیان انواع مختلف سیلیس، استفاده می شود. البته اهمیت این نامگذاری ها، بیشتر از نقطه نظر اقتصادی می باشد. در واقع سیلیس از این نقطه نظر، به صورت زیر طبقه بندی می شود:

کوارتز

کوارتز کریستالی
یاقوت ارغوانی (Amethyst)
سیترین (Citrine)
چشم ببر (Tiger-eye)
کوارتز دوده (Smoky quartz)
کلسدونی (Chalcedony)
فلینت (Flint)
عقیق (Onyx)
عقیق جاسپر (Agate Jasper)
حجرالدم (Blood stone)
سنگ ستاره (Star stone)
پلاسما (Plasma)
سنگ دلربا (Aventurine)
اپال
ماسه ی
ماسه ی سیلیسی یا شیشه ای
ماسه ی ساختمان سازی و سنگ بار
ماسه ی قالب گیری یا ریخته گری
کوارتزیت
کوارتزیت تکه ای
کوارتزیت توده ای
گونه های مختلف دیگری از این ماده وجود دارد اما این گونه ها بسیار نادر بوده و اهمیت اقتصادی پایینی دارند. این طبقه بندی بر اساس یک ترکیب از فاکتورها، مانند میزان کریستالیزاسیون، مرفولوژی، حالت ایجاد، رنگ، درخشش و استفاده های صنعتی، دارد. از بین این گونه ها، کوارتز کریستالی، یاقوت ارغوانی، سیترین، چشم ببر، کوارتز دوده ای، کوارتز رز (rose quartz)، کوارتزیت توده ای، سنگ ستاره و سنگ دلربا، فونوکریستالین هستند در حالی که فلینت، عقیق، عقیق جاسپر و پلاسما، از نوع کریپتوکریستالین هستند. از لحاظ شیمیایی، جزء اصلی تمام این سنگ ها، SiO_2 می باشد. توده های بزرگ از کوارتزیت، به عنوان منبعی برای سیلیس یا سیلیکون، استفاده نمی شوند اما از آنها به عنوان سنگ های ساختمانی استفاده می شود. در ادامه در مورد این موارد صحبت خواهیم کرد.
کوارتز: سیلیس به صورت قطعات مینرالی منفرد (کریستالی و شبه کریستالی) یافت می شود. این ماده ممکن است بی رنگ باشد و یا در رنگ های و شیدهای مختلف باشد. این رنگ و شید، به میزان و نوع ناخالصی وابسته است. قطعات کوچک و پودر کوارتزیت کریستالی، از مواد ضایعاتی موجود در معادن، استخراج می شوند. با ذوب شدن این مواد، یک ماده تولید می شود که "کوارتز فیوزد" نامیده می شود.
اپال: علاوه بر دی اکسید سیلیسیم، اپال حاوی 3-9 % آب و مقادیر کوچکی ناخالصی مانند اکسید آهن، آلومینا، منیزیا و مواد قلیایی است. ترکیب نمونه وار آن به صورت SiO_2.nH_2 O می باشدو برخلاف کوارتز، اپال یک ماده ی آمورف می باشد.
ماسه سنگ: با توجه به تعریف ASTM، ماسه، به صورت طبیعی حاوی ذراتی در گستره ی 0.074 میلی متر تا 4.75 میلی متر می باشد. اما با توجه به گفته ی بسیاری از سنگ شناسان رسوبی، ماسه، یک ماده ی گرانوله ی درشت تر از یک شانزدهم میلی متر و کوچکتر از 2 میلی متر است. ماسه های سیلیسی از طریق شکستن سنگ های سیلیس دار، تولید می شوند. آسیاب این ذرات منجر به تولید ذرات بسیار ریز کمتر از 45 میکرون می شود که "آرد سیلیسی" نامیده می شود.
کوارتزیت: سیلیس یک شکل بسیار ریز از دانه های متراکم سنگ است. این کوارتزیت، جزء سنگ های دگرگون است و به دلیل این تغییر شکل، این سیلیس به شکل کریستوبالیت پایدار است که در دمای 1470 درجه ی سانتگراد، تشکیل شده است.
علاوه بر این منابع طبیعی از سیلیس، ضایعات برخی صنایع، حاوی مقادیر زیادی سیلیس می باشد که از لحاظ مصرف، دارای صرفه ی اقتصادی هستند. این گونه از سیلیس، دوده ی سیلیسی یا میکروسیلیس نامیده می شود. در واقع این ضایعات، از صنایعی همچون صنعت فروسیلیکون، نیمه رساناها و سایر صنایع تولید می شوند. این ماده ی ضایعاتی، دارای شکل آمورف، سبک، نانوسایز، فلسی شکل و عاری از عیوب می باشد که دارای مساحت سطحی در حدود 22000 متر مربع بر کیلوگرم می باشد. این ماده سمی نیست و برای حیوانات، گیاهان و موجودات دریایی، آسیب زا نیستند.

تاریخچه

فلینت قدیمی ترین مینرال مورد استفاده برای برخی اهداف اقتصادی است. استفاده از این ماده، به زمانی بسیار دور باز می گردد. محورهای مورد استفاده برای خرد کردن فیلینت که به 700000 سال پیش باز می گردد، در تانزانیا، کشف شده است. مدت ها پیش از این زمان (در دوره ی دوره پارینه سنگی)، از قطعات فلینت برای شکار حیوانات، برش و پاره کردن پوست، استفاده می شده است. انسان اولیه همچنین از فلینت برای ایجاد خراش بر روی دیوار قارها، استفاده می کنند. در طی این زمان، فلینت مورد استفاده، از قطعات بدست آمده از قارها و زمین، بدست می آید. اما یک مدت زمان طولانی بعد از اینکه انسان به دانش استفاده از مس رسید (12000 سال پیش از میلاد مسیح) و یا حتی بعد از توسعه ی دوره ی مس (6000 سال پیش از میلاد مسیح) و در طی دوره ی برنز (3000 سال پیش از میلاد مسیح)، در برخی بخش های دنیا، فلینت هنوز هم نقش مهمی در زندگی انسان ایفا می کرد. این مسئله از اکتشافات زیر زمینی در انگلیس، فهمیده شده است.
بعد از فلینت، این ماسه ی ساختمانی است که به صورت گسترده با آهک مخلوط می شد و به عنوان ملات، برای ساختمان سازی، استفاده می شد. استفاده از این ماده در تولید شیشه، مدت ها بعد از این استفاده ها، مشاهده شده است. در واقع شیشه به صورت تصادفی در سوریه و در 368 سال پیش از میلاد، کشف شد. این ماده بوسیله ی یک گروه از ملوانان کشف شد که در طی پخت غذا، سدیم کربنات را بر روی ماسه ی موجود در بستر رودخانه ریختند و در حین طبخ غذا، حرارت ناشی شده از سوختن مواد سوختی، موجب شد تا شیشه تشکیل شود. آنها به این پی بردند که این ماده ی کشف شده، می تواند ماده ی مفیدی باشد. در بخش های مختلف جهان، استفاده از این شیشه ها، گزارش شده است. در واقع می توان شروع عصر مدرن شیشه سازی را به قرن دوم پیش از میلاد مسیح، و در مصر، ارتباط داد. در این زمان، صنعتگران اسکندریه از شیشه برای تولید انواع مواد دکوراسیونی استفاده کردند. هنر دمش به شیشه در داخل قالب، در واقع به قرن اول میلادی، باز می گردد. در این زمان، رومی ها، روشی را برای تولید شیشه های رنگی، معرفی کردند. در طی قرن 9 و 10 میلادی، هنر شیشه های رنگ آمیزی شده، در امپراتوری روم، مورد استفاده قرار گرفت. در طی قرن 13 ام میلادی، ونیز، مهم ترین مرکز تولید شیشه بود.
استفاده از انواع مختلفی از کوارتز و اپال به عنوان سنگ های زینتی برای زنان، به تمدن قدیمی موهنجو دارو و هاراپا باز می گردد که در واقع در هزاره ی سوم پیش از میلاد، زندگی می کردند. این صنعتگران به خوبی این قطعات را برش کاری می کردند و بعد از سایش و پولیش، سنگ های زینتی، تولید می کردند.
کاربردهای با تکنولوژی بالا از کوارتز، تنها در طی قرن 20 ام، انجام شده است. از سال 1921 به بعد، مفید بودن این ماده در صنعت الکترونیک، شناخته شد و سیلکون به عنوان یک ماده ی منحصربفرد، در این کاربردها، مصرف شد.

تولید سیلیکون

عنصر سیلیکون سا سیلیسیم، با فرایندهای کربوترمال یا فرایندهای الکترولیتکی تولید می شود.

فرایند کربوترمال

در این فرایند، کوارتز با کربن و در دمای 1700 درجه ی سانتیگراد، واکنش داده می شود. کربن در این حالت، دمای مورد نیاز برای کاهش سیلیس را فراهم می آورد. سیلیس مورد استفاده در این فرایند باید دارای خلوصی بیش از 98 % باشد. این فرایند نسبتاً ارزان است و به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد.

فرایند الکترولیتی

این فرایند در یک کوره ی قوس الکتریکی انجام می شود. در واقع کلسیم کلرید مذاب به عنوان الکترولیت عمل کرده و کوره به عنوان آند می باشد. در این حالت، کوارتز کاهش می یابد. در واقع جریان قوس عبور کرده از میان کوارتز، از میان یک سیم تنگستنی عبور می کند. سیلیس در این حالت به خودی خود، به عنوان یک ماده ی عایق، عمل می کند اما در نقطه ی برخورد این ماده با سیم تنگستنی، سیلیس جامد، ذوب می شود و موجب می شود تا این ماده به سیلیس و اکسیژن، تجزیه شود و بدین صورت مذاب سیلیس تشکیل می شود.

معیار استفاده

معیار فیزیکی: هم کوارتز و هم اپال، مینرال های سخت و با تافنس بالا می باشد. سختی کوارتز، در مقیاس موهس در حدود 7 می باشد. این سختی برای اپال، در حددو 5.5 تا 6.5 است. کوارتز، یک ماده ی بدون کلیواژ و آمورف می باشد. این ماده در برابر شکسته شدن، مقاوم می باشند. کریستال های کوارتز، دارای الاستیسیته ی بالا می باشد. اگر چه به دلیل این خواص، خردایش و سایش این ماده هزینه بر می باشد. البته ماسه های آسیاب شده، به وفور در دنیا وجود دارد. کوارتزیت که به خوبی سایش پیدا کند و متراکم باشد، به شکل سخت و با سطح ناصاف وجود دارد. پودر کوارتز یا ماسه ی کوارتزی، به خوبی با رس، آهک و سیمان، پیوند می دهد. وزن مخصوص کوارتز، در حدود 2.65 است.

رنگ و خواص نوری

کوارتز خالص شفاف است و درخشش زجاجی دارد، در حالی که کلسدونی (chalcedony) سفید و ترانسلوسنت است و دارای درخشش واکسی شکل است. سایر گونه های کوارتز، رنگ ها و شیدهای مختلفی دارد. این رنگ ها، به دلیل وجود ناخالصی ایجاد می شود. برخی از رنگ های نمونه وار این مواد، عبارتند از:
یاقوت ارغوانی: رنگ بنفش تا ارغوانی این ماده به دلیل وجود ناخالصی منگنز در این ماده، ایجاد می شود.
سیترین: این ماده زرد رنگ است که علت این رنگ، مشابه توپاز می باشد و از این رو، توپاز کاذب نامیده می شود.
دوده ی کوارتزی: رنگ خاکستری تا سیاه مایل به قهوه ای این ماده به دلیل وجود ناخالصی های آلی ایجاد می شود.
کوارتز رزی: این اعتقاد وجود دارد که صورتی رنگ بودن این کوارتز، به دلیل وجود ناخالصی های تیتانیوم، ایجاد شده است.
چشم ببر: این نوع کوارتز که چشم گربه نیز نامیده می شود، در زمانی که در زاویه های مختلف به آن نگاه کنید، رنگ های مختلفی دارد. علت این مسئله، وجود الیاف آزبست در این سنگ زینتی است.
عقیق: این عقیق ها، دارای لایه های با رنگ مختلف می باشد.
حجر الدم: این سنگ ها، دارای نقاط قرمز بر روی زمینه ی سبز، می باشد.
سنگ ستاره یا کوارتز ستاره ای: سفید یا رنگ های مختلف با تشعشع های ستاره ای شکل این ماده به دلیل حضور سوزن های میکروسکوپی مینرالی در این ماده، ایجاد شده است.
پلاسما: این ماده ی معدنی، قرمز رنگ است.
کوارتز دلربا: سبز
اپال: این ماده دارای رنگ های مختلف سفید، رزد، قرمز، قهوه ای، آبی، سبز و غیره می باشد. رنگ سیاه نیز به دلیل وجود ناخالصی در این سنگ ها، ایجاد می شود.
رنگ ها و اثرات بصری موجب می شود تا یک قطعه کوارتز یا اپال، جذابیت قابل توجهی داشته باشد. ضریب شکست کوارتز، پایین است (حدود 1.55) و این ضریب برای اپال، نیز کمتر است (حدود 1.45) و در نتیجه، این مینرال ها، فاقد درخشش هستند.

خواص گرمایی

کوارتز دما پایین، آلفا کوارتز نامیده می شود. این ماده در دمای 573 درجه ی سانتیگراد، به کوارتز بتا تبدیل می شود و در دمای 870 درجه، به تریدیمیت تبدیل می شود. در هنگام حرارت دهی این ماده تا دمای 1470، این تریدیمیت به فرم پایداری از سیلیس به نام کریستوبالیت تبدیل می شود. تمام این استحاله ها، با تغییرات ساختار کریستالی، همراه است. همچنین برخی از خواص نوری این ماده در حین استحاله نیز تغییر می کند. از بین انواع مختلف کوارتز، فلینت با سهولت بیشتری، به کریستوبالیت تبدیل می شود. کوارتز خالص در دمای 1700 درجه، ذوب می شود اما نقطه ی ذوب آن با میززان ناخالصی در ارتباط است. البته عنصر سیلیکون، در دمای 1414 ذوب و در دمای 2900 درجه، به جوش می آید.

خواص الکتریکی

سیلیس یک ماده ی عایق در برابر الکتریسیته است و دارای ثابت دی الکتریک پایین (4-12) است. این مسئله نشاندهنده ی رسانایی الکتریکی پایین این ماده می باشد. به هر حال، وقتی این ماده به صورت کریستال های خالص، تشکیل می شود، این ماده خاصیت پیزوالکتریک دارد. سیلکون عنصری یک ماده ی نیمه رساناست.

نیمه رسانایی

نیمه رسانا، ماده ای است که دارای مقاومتی بین رسانا و نارساناست. اتم های ماده ی نیمه رسانا، عموماً 4 ظرفیتی هستند. آنها حاوی تعداد اندکی الکترون های با پیوند ضعیف هستند که این مسئله موجب می شود رسانایی آنها، ضعیف باشد. به هر حال، رسانایی الکتریکی ضعیف این ماده، می تواند با استفاده از بمباران این ماده و استفاده از اتم های خارجی در داخل آن، بهبود یابد. این فرایند را فرایند دوپ کردن می گویند. یون های بور سه ظرفیتی برای دوپ کردن سیلیکون، استفاده می شود. در واقع یک قسمت در 10 هزار اتم، بور در داخل این سیلیکون وارد می شود. وقتی انرژی نوری موجب تهییج این نیمه رساناها شود، ماده فوتوولتاییک نامیده می شود. سیلیکون عنصری یک ماده ی فوتوولتاییک است و قادر است به صورت یک نیمه رسانای خوب، عمل کند.

پیزوالکتریسیته

کریستال های پیزوالکتریک می توانند کرنش های مکانیکی را به پالس های الکتریکی تبدیل کنند و به طور عکس. این خاصیت، الکترواستریکسیون (electrostriction) نامیده می شود. یک چنین کریستال هایی، نباید مرکز تقارن داشته باشند. وقتی فشار به این ماده اعمال می شود، یون های جابجا می شوند و این مسئله موجب بروز پلاریزاسیون کریستال و جاری شدن جریان الکتریکی در زمان وجود یک مدار خارجی می شود. به عبارت دیگر، نیروی مکانیکی به الکتریکی تبدیل می شود و اگر این نیرو حالت ارتعاشی داشته باشد، موجب انباض و انبساط ماده و در نتیجه ایجاد یک جریان الکتریکی ثابت می شود. به طور عکس، اگر جریان نوسانی به این کریستال ها اعمال شود، این کریستال انبساط و انقباض انجام می دهد. کوارتز دارای بالاترین بهره ی شناخته شده در انتقال انرژی دارد. این بهره به صورت فاکتوری بیان می شود که فاکتور Q نامیده می شود. هر چه میزان این فاکتور Q پایین تر باشد، میزان اتلاف انرژی کمتر است. فاکتور Q مربوط به کوارتز، بالاست و صد برابر بالاتر از بهترین مدارهای رزونانسی می باشد. این مسئله با الاستیسیته ی بالای کریستال های کوارتز، در ارتباط است.

شباهت شیمیایی

سیلیس می تواند با سایر عناصر و رادیکال ها، واکنش دهد و موجب تشکیل ترکیبات آلی و غیر آلی شود. کوارتز و بوراکس به آهستگی در همدیگر حل می شود و موجب تشکیل شیشه می شود. کوارتز بوسیله ی اسید هیدروکلریک تحت تأثیر قرار نمی گیرد و هیدروکسید سدیم یا پتاس، تنها اثر اندکی بر این ماده دارد. این ماده همچنین در سدیم اکسید جوشان، حل می شود. سیلیکون دارای شباهت زیادی با اکسیژن است.

قابلیت تشکیل آلیاژ

سیلیکون یکی از چندین عنصر غیر فلزی است که قابلیت تشکیل آلیاژ با فلزات مختلف را دارا می باشد.

استفاده ها و ویژگی ها

کوارتز به همراه مشتقات آن، یک ماده ی معدنی با گونه های مختلف است که دارای کاربردهایی در زمینه ی تکنولوژی های بالاست. استفاده های صنعتی مهم سیلیکون و مینرال های مربوطه به صورت زیر می باشد:
چیپ های میکروپروسسور
سلول های خورشیدی و فوتوولتایی
آلیاژها
اسیلاتورهای با فرکانس بالا (کوارتز کریستالی)
بلوک های کوارتزی
فندک گازی
شیشه
سرامیک ها و لعاب ها
لعاب های فلزی
مواد مورد استفاده در لیزرها
حباب های کوارتزی
سیلان ها
سیلکون کاربید
سیلیکون نیترید
سدیم سیلیکات
پتاسیم سیلیکات
ژل سیلیکا
ایروسل
مواد سیلیکونی
دیرگدازها
تولید سیمان
اگریگیت های ساختمانی
فلاکس ها
چاه نفت
ریخته گری
سنگ های زینتی
ماسه های انقباضی
فیلتراسیون آب
چسب ها
ترمومترهای گالیومی
سنگ مرمر مصنوعی
در بخش دوم این مقاله، در مورد این کاربردها صحبت خواهد شد.
منبع مقاله :
Uses of Industrial Minerals, Rocks and Freshwater/ Kaulir Kisor Chatterjee
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.