سیلیس ماده‌ای غیر فلزی، سخت و به رنگ بی‌رنگ تا سفید یا خاکستری تیره است که با نماد Si، عدد اتمی 14، وزن اتمی 28.085، چگالی 2.33 گرم بر سانتی‌متر مکعب، سختی 7 در مقیاس موس، و رنگ خاکه سفید شناخته می‌شود. این عنصر بدون کلوئید بوده و نقطه جوش آن 2355 درجه و نقطه ذوب آن 1410 درجه سانتی‌گراد است.
سیلیکا ساخت شیشه، تولید چینی، تولید فروسیلیس، ساخت سرامیک، تولید آجر ماسه‌آهکی، ریخته‌گری، تولید سیلیکات سدیم، ساخت سایر مواد سیلیسی، استفاده به‌عنوان نیمه‌هادی در صنایع الکترونیک و تولید پشم شیشه. همچنین مقادیر زیادی از ماسه‌سنگ خرد شده به‌عنوان مصالح ساختمانی مصرف می‌شود.
مقاله زیر به طور جامع ماده معدنی سیلیس را مورد بررسی قرار میدهد و انواع، کاربرد و ترکیبات شیمیایی آن را مورد بررسی قرار میدهد.
آنچه در این مقاله خواهید خواند
تاریخچه
نام “سیلیس” (Silicon) از واژه لاتین “Silicis” به معنی “سنگ چخماق” یا “سنگ سخت و آتش‌زنه” گرفته شده است. این عنصر در سال 1824 توسط شیمیدان سوئدی، یونس یاکوب برزلیوس، کشف شد. در سال 1854، شیمیدان دیگری به نام دوویل نوعی شکل آلوتروپی از سیلیس متبلور را شناسایی کرد.
مشخصات سیلیس
اکسید سیلیسیم (SiO2) یا سیلیس، یک ترکیب شیمیایی است که هم به صورت خالص و هم در ترکیب با کانی‌های سیلیکاتی، حدود 90 درصد از پوسته سخت زمین را تشکیل میدهد. نام “سیلیس” (Silicon) از واژه لاتین “Silicis” به معنای “سنگ سخت” یا “سنگ آتش‌زنه” (چخماق) گرفته شده است. این عنصر با فراوانی 25 درصد، دومین عنصر پراوان در پوسته زمین به شمار می‌آید.
سیلیس ماده‌ای غیر فلزی، سخت و به رنگ بی‌رنگ تا سفید یا خاکستری تیره است که با نماد Si، عدد اتمی 14، وزن اتمی 28.085، چگالی 2.33 گرم بر سانتی‌متر مکعب، سختی 7 در مقیاس موس، و رنگ خاکه سفید شناخته می‌شود. این عنصر بدون کلوئید بوده و نقطه جوش آن 2355 درجه و نقطه ذوب آن 1410 درجه سانتی‌گراد است.
سیلیس که در گروه 14 (IVA) و دوره 3 جدول تناوبی قرار دارد، جزء مواد غیر فلزی محسوب می‌شود. این عنصر، ترکیب اصلی ماسه‌سنگ، ماسه سیلیسی، کوارتز، کوارتزیت، بلور کریستال، تریپلی، نوواکولیت، سیلیس مصنوعی، سیلیکون شیمیایی، کانی‌های رسی، گرانیت، سنگ چخماق و دیاتومیت است.
برای تأمین نیازهای صنعتی کشور از ماده معدنی سیلیس، لازم است از علوم نظری، مهندسی و فناوری‌های متنوع، به‌ویژه فناوری فرآوری، استفاده شود.
مشخصات شیمیایی سیلیس
برخی شیمیدانان، ارتباط بین اتم‌های سیلیس و اکسیژن در سیلیکات‌های مختلف را شبیه به رابطه میان اتم‌های کربن و اکسیژن در ترکیبات آلی می‌دانند. همان‌طور که کربن می‌تواند به شکل منوکسید کربن (CO) و دی‌اکسید کربن (CO2) با اکسیژن ترکیب شود، سیلیسیم نیز با اکسیژن ترکیب شده و ترکیبات SiO و SiO2 را تولید می‌کند.
ترکیب اول مشابه منوکسید کربن به صورت گاز و ناپایدار است، در حالی که ترکیب دوم به صورت جامد و پایدار وجود دارد.
در طبیعت، اگر در دمای 25 درجه سانتی‌گراد مقدار این ماده حل‌شده در آب به بیش از 120 تا 140 ppm برسد، از لحاظ شیمیایی کمپلکس Si(OH)4 تشکیل می‌شود. در این حالت، محلول به مرحله اشباع رسیده و باعث رسوب سیلیس به‌صورت ژل و تشکیل بلورهای اولیه کوارتز می‌شود که این کانی، فراوان‌ترین نوع سیلیس است.
بنابراین، می‌توان گفت که اگر میزان سیلیکای حل‌شده در آب کمتر از 210 ppm باشد، سیلیس به صورت محلول باقی مانده و هیچ بلوری شکل نمی‌گیرد. اما زمانی که مقدار سیلیکا در آب از 410 ppm بیشتر شود، تشکیل بلورهای کوارتز آغاز خواهد شد.
كوارتز، تريديميت و كريستوباليت سه پلي مورف اصلي سيليس هستند كه در طبيعت به خوبي شناخته شده اند، هركدام از اين كاني ها در شرايط خاصب بوجود آمده و داراي مشخصات فيزيكي و كاني شناسي معيني مي باشند. اين پلي مورف ها در شرايط حرارتي ذيل به يكديگر تبديل مي شوند:
مشخصات فیزیکی و مکانیکی
سیلبکا ماده‌ای سخت و غیر فلزی است که از بی‌رنگ تا سفید و گاهی خاکستری تیره به نظر می‌رسد. نماد آن Si بوده و با عدد اتمی 14، وزن اتمی 28.085، چگالی 2.33 گرم بر سانتی‌متر مکعب، سختی 7 در مقیاس موس، رنگ خاکه سفید، و بدون کلوئید مشخص می‌شود. نقطه جوش آن 2355 درجه سانتی‌گراد و نقطه ذوب آن 1410 درجه سانتی‌گراد است.
سیلیس در گروه 14 (IVA) جدول تناوبی به عنوان یک عنصر غیر فلزی (Metalloid) قرار دارد و در دوره سوم جای گرفته است. این عنصر، بخش اصلی سنگ‌های ماسه‌ای، ماسه سیلیسی، کوارتز، کوارتزیت، بلورهای کریستال، تریپلی، نوواکولیت، سیلیکای مصنوعی، سیلیکون شیمیایی، کانی‌های رسی، گرانیت، سنگ چخماق و دیاتومیت را تشکیل میدهد.
اصطلاح “سیلیس” برای تمام کانی‌هایی که شامل SiO2 هستند به کار می‌رود، حتی اگر از نظر ساختار بلوری، ویژگی‌های فیزیکی یا شرایط زمین‌شناسی متفاوت باشند. این کانی‌ها تحت شرایط مختلف زمین‌شناسی تشکیل شده و به‌وجود می‌آیند. سیلیکای خالص از بی‌رنگ تا سفید است و مولکول آن به‌صورت SiO2 می‌باشد؛ دانه‌های بلوری آن از لحاظ مولکولی دارای ساختار متبلور و بدون پیوند الکترونی هستند.
کانی های سیلیس
سنگ‌های سیلیسی بر اساس منشأ به دو دسته نقسیم می شوند:
- سنگ‌های سیلیسی اولیه: این دسته شامل سنگ‌هایی است که در حین تشکیل رسوبات به وجود می‌آیند. این سنگ ها عبارتند از:
- چرت‌های رادیولاریتی:
رادیولاریت: چرت‌هایی که از پوسته‌های رادیولار تشکیل شده‌اند.
- چرت با نوارهای اکسید آهن:
مشخصات:
الف) همراه با توالی‌های افیولیتی.
ب) حاوی گل‌های پلاژیک.
ج) دارای نوارهای قرمز تا سبز تیره با اکسیدهای Fe³⁺.
د) تشکیل یافته از پوسته‌های رادیولار.
این ویژگی‌ها نشان‌دهنده محیطی عمیق با جریان قوی آب است که اکسیژن از لایه‌های سطحی به اعماق رسیده و محیط اکسیدان شده است.
- چرت با نوارهای مواد آلی:
در همان محیط عمیق و اما غیر اکسیدان شکل می‌گیرد. ناخالصی‌ها شامل کانی‌های رسی (گروه ایلیت)، کوارتز میکروکریستالین، و فسفات است.
- دیاتومیت‌های پورسلانیت:
به‌ویژه در محیط‌های دریاچه‌ای یا شلف قاره‌ای غیر اکسیدان تشکیل می‌شوند. دارای تخلخل بالا و کانی‌های رسی (کائولن یا کائولن + ایلیت) هستند. اگر درصد کانی رسی به 25٪ برسد، سنگ به پورسلانیت تبدیل می‌شود.
این سنگ‌ها در مناطق کم‌شیب و بدون جریان قوی آب شکل می‌گیرند، جایی که به کمک جریان‌های Upwelling سیلیس به شلف وارد شده و به‌صورت ژل سیلیسی (اپال A و C) رسوب می‌کند.
عمده سازنده آن سوزن‌های اسفنجی است. این سنگ‌ها عمدتاً در دریاچه‌های آب شیرین همراه با رسوبات حاصل از جریان‌های آشفته تشکیل می‌شوند.
- نواکولیت:
این رسوبات سیلیسی که توسط موجودات مختلفی تشکیل می‌شوند، در محیط‌های دریایی کم‌عمق گسترش دارند.
2.سنگ‌های سیلیسی ثانویه:
این دسته پس از رسوب‌گذاری و در شرایط دیاژنز تشکیل می‌شود، اغلب به صورت نودولی هستند.
- نودول‌های چرت: شامل انواع Syngenetic chart، Early chart، Late chart و Diagenes chart است.
- شرایط لازم برای تشکیل: حضور سیلیکا، که از انحلال ذرات اولیه سازنده سنگ به‌دست می‌آید و توسط آب‌های درون‌منفذی به سنگ وارد می‌شود.
- وجود pH و Eh مناسب در محیط دیاژنز.
مصارف سیلیس
به‌طور کلی، کاربردهای سیلیس (SiO2) شامل موارد زیر است: ساخت شیشه، تولید چینی، تولید فروسیلیس، ساخت سرامیک، تولید آجر ماسه‌آهکی، ریخته‌گری، تولید سیلیکات سدیم، ساخت سایر مواد سیلیسی، استفاده به‌عنوان نیمه‌هادی در صنایع الکترونیک و تولید پشم شیشه. همچنین مقادیر زیادی از ماسه‌سنگ خرد شده به‌عنوان مصالح ساختمانی مصرف می‌شود.
سیلیسی که در هرکدام از این صنایع به کار می‌رود باید از کیفیت مشخصی برخوردار باشد. ترکیب شیمیایی، ساختار کانی‌شناسی و ویژگی‌های فیزیکی این ماده، کیفیت و نحوه استفاده آن در هر صنعت را تعیین می‌کنند. ترکیب شیمیایی سیلیس به معنای درصد SiO2 و میزان سایر اکسیدها در سنگ است.
اکسیدهای همراه SiO2 در کانسارها نیز باید در محدوده‌ای مشخص باشند، چرا که اگر درصد هر یک از این اکسیدها از حد معینی فراتر رود، ممکن است استفاده از آن در برخی صنایع محدود یا حتی غیرممکن شود.
علاوه بر درصد SiO2، ساختار کانی‌شناسی سنگ نیز نقش مهمی در تعیین کیفیت و کاربرد آن دارد. زیرا SiO2 ممکن است به شکل‌های مختلف سیلیکاتی وجود داشته باشد و این مسئله روی روش‌های فرآوری و حذف ناخالصی‌ها تأثیرگذار است.
مصرف سیلیس در ایران
مصرف اصلي این ماده در ايران در زمينه شيشه سازي، ريخته‌گري، توليد فروسيليس و مصارف صنعتي خصوصاً جهت پوشش سطح قطعات مي باشد، كه عمدتاً تأكيد بر مصرف در شيشه سازي و ريخته گري است.
روش های استخراج سیلیس
کانسارهای نرم به روش روباز و با استفاده از ماشین‌آلاتی همچون لودر، بیل مکانیکی، لایروب، و یا از طریق فشار آب استخراج، بارگیری و به کارخانه فرآوری منتقل می‌شوند.
کانسارهای سخت نیز با روش روباز استخراج می‌شوند، اما ابتدا عملیات حفاری و انفجار انجام شده و سپس برداشت و بارگیری صورت می‌گیرد. برخی از معادن زیرزمینی نیز به روش‌های معمول انفجار و حفاری استخراج و بارگیری می‌شوند.
تریپلی به روش زیرزمینی اتاق و پایه استخراج می‌شود، که در آن یک تونل دسترسی در راستای شیب ایجاد می‌گردد. بلورهای کوارتز نیز پس از برداشتن روباره‌ها با بلدوزر به‌صورت دستی استخراج می‌شوند.
روش های عمده برای فرآوری سیلیس
ذرات ماسه و شن باید دارای محدوده متنوعی از اندازه‌ها باشند و از مواد ناخالصی مانند میکا، رس، لای و مواد آلی پاک شوند. این ناخالصی‌ها معمولاً با شستشو، غربال‌گری و در برخی موارد جداسازی در محیط‌های سنگین از بین می‌روند.
سپس، سنگ‌ها خرد می‌شوند تا اندازه قلوه‌سنگ‌ها و تخته‌سنگ‌ها به اندازه ذرات ریزتر تبدیل شود. کوارتز گرانولی و ماسه‌های غربال‌شده نیز با روش‌های جداسازی مغناطیسی، لرزش، شستشو، شناورسازی یا اسیدشویی خالص‌سازی می‌شوند.
نواکولیت نیز با چکش و قلم به اندازه دلخواه درمی‌آید و بر اساس کیفیت، در کارخانه به اندازه‌های مشخص برش داده می‌شود. بلورهای کوارتز به‌صورت محلی توسط مصرف‌کنندگان نهایی جداسازی و درجه‌بندی می‌شوند.
