Křemík: Tvorba a geologické odrůdy
Linas JuozenasSdílet
Tvorba, geologie a druhy
Křemík: Od hvězdného popela ke křemenu, písku, opálu a polovodičovým krystalům
Geologický a materiálový přehled křemíku, prvku, který tvoří většinu zemské horninové kůry: jak vzniká ve hvězdách, prochází planetárními cykly, objevuje se jako oxid křemičitý a silikáty a stává se rafinovaným elementárním křemíkem v moderní technologii.
- Si
- Elementární křemík
- Oxid křemičitý: SiO₂2
- Silikátové minerály
- Křemen, chalcedon, opál
Křemík se v přírodě jen zřídka vyskytuje jako volný prvek. Obvykle je vázán na kyslík jako oxid křemičitý nebo zabudován do silikátových minerálů, které tvoří strukturální rámec většiny hornin. Stejný prvek, který tvoří křemenné žíly, žulové horniny bohaté na živce, křemenec, achát a opál, se také lidským zpracováním mění na rafinovaný křemíkový kov, polykrystalický materiál a monokrystalické plátky.
Křemík jako geologický základ
Křemík, Si, je jedním z hlavních stavebních prvků zemské kůry. Spolu s kyslíkem dominuje chemii kontinentální kůry.
V běžných geologických podmínkách se křemík silně váže s kyslíkem. Výsledkem je buď oxid křemičitý, SiO2, nebo mnohem větší skupina silikátových minerálů, postavených ze SiO4 tetraedrů. Tyto tetraedry se spojují do izolovaných skupin, řetězců, vrstev a trojrozměrných rámců, čímž vznikají minerály tak rozdílné jako olivín, pyroxen, slída, živec a křemen.
Křemík
Prvek Si. Elementární křemík je polokov a jako přírodní minerál je vzácný ve viditelných vzorcích.
Křemičitan
Oxid křemičitý, SiO₂2Křemen, chalcedon, křemenec, pazourek, kristobalit, kóesit a stishovit jsou všechny formy oxidu křemičitého nebo materiály bohaté na oxid křemičitý.
Silikáty
Obrovská skupina minerálů postavených ze silikon-kyslíkových tetraedrů spojených s dalšími prvky, jako jsou hliník, hořčík, železo, vápník, sodík a draslík.
Kyslík a křemík dohromady tvoří většinu kontinentální kůry podle hmotnosti, což je důvod, proč jsou křemen, živce, slídy, jílové minerály a další silikáty tak běžné v krajinách a sbírkách hornin.
Kosmický původ: Jak hvězdy vytvořily křemík
Křemík se tvoří v masivních hvězdách během pozdních fází jaderného hoření. Když tyto hvězdy skončí svůj život jako supernovy, materiál obsahující křemík je rozptýlen do mezihvězdného prostoru. Některý z tohoto materiálu se později stává prachem v oblastech, kde vznikají nové hvězdy, včetně silikátových zrn, která pomáhají budovat protoplanetární disky.
Země zdědila křemík z tohoto kosmického rezervoáru. Jakmile byl začleněn do mladé planety, křemík se uzamkl v magmatu, minerálech pláště, horninách kůry, sedimentech a později v sedimentárních a metamorfních cyklech. V tomto smyslu je každé zrnko křemene a krystal živce jak geologickým produktem, tak pozůstatkem hvězdné chemie.
Cyklus křemíku v zemské kůře
Křemík se pohybuje horninami, vodou, organismy, sedimenty a tekutinami. Cyklus je pomalý, ale je jedním z hlavních příběhů zemské kůry.
Zvětrávání
Silikátové minerály se na povrchu Země rozkládají. Chemické zvětrávání uvolňuje rozpuštěný křemík a pomáhá tvořit jílové minerály jako kaolinit a smektit.
Transport
Řeky, podzemní voda a mořská voda přenášejí rozpuštěný křemík a křemenná zrnka krajinou, záplavovými oblastmi, pobřežími a mořskými pánvemi.
Biogenní příjem
Diatomy, radiolárie a houby využívají rozpuštěný křemík k tvorbě opálových kosterních struktur. Jejich pozůstatky se mohou hromadit jako křemičitý kal.
Diageneze
Při zakrytí se opál-A běžně přeměňuje na opál-CT a nakonec na mikrokřemičitý křemen, čímž vznikají křemence, pazourek a příbuzné křemičité horniny.
Vyvřelé cesty: Jak magma třídí křemík
Magmata se liší obsahem křemíku. Felsická magmata jsou bohatá na křemík a běžně krystalizují křemen, alkalický živec, plagioklas a slídy. Mafická magmata obsahují méně křemíku a více hořčíku a železa, což podporuje minerály jako olivín, pyroxen a vápníkem bohatý plagioklas.
Jak magma prochází krystalizací, mícháním, asimilací a koncentrací těkavých látek, může se křemík koncentrovat v pozdních fázích tekutin. Tyto tekutiny mohou vytvářet křemenné žíly, dutiny vyložené achátem, amethystové kapsy a pegmatitické křemenné krystaly.
| Typ magmatu | Typické SiO2 rozsah | Reprezentativní horniny | Běžné minerály obsahující křemík |
|---|---|---|---|
| Felsické | Přibližně 65–77 % | Granity, ryolit, pegmatit | Křemen, draselný živec, plagioklas, muskovit |
| Střední | Přibližně 55–65 % | Diorit, andezit | Plagioklas, amfibol, biotit, občas křemen |
| Mafické | Přibližně 45–55 % | Gabro, bazalt | Pyroxen, olivín, vápníkem bohatý plagioklas |
Sedimentární a diagenezní křemík
Křemen je fyzicky odolný a chemicky rezistentní na povrchu Země, proto běžně přežívá zvětrávání jako písek. Tyto zrnka tvoří duny, pláže, písečné náspy a pískovce. Při zakrytí a zcementování mohou pískovce uchovat dlouhý záznam o transportu, zaoblení, třídění a depoziční energii.
Oxid křemičitý se také pohybuje v rozpuštěné formě. V mořských a jezerních prostředích se biogenní oxid křemičitý z organismů může hromadit jako kal, který se během pohřbívání přeměňuje na křemenec a pazourek. Podzemní voda může také ukládat chalcedon a křemen v dutinách, trhlinách nebo uzlech, čímž vznikají pásy achátu, geody a křemičité náhrady dřívějších materiálů.
Křemenný písek
Zaoblená křemenná zrna zaznamenávají transport větrem, řekami, vlnami nebo ledovci. Čistý křemenný písek se může později stát křemenným arenitem.
Křemenec a pazourek
Jemnozrnné křemičité horniny vzniklé diagenezí, náhradou nebo přímou precipitací. Mnohé se lámou s ostrým ulitovitým lomem.
Achát a chalcedon
Vláknitý mikrokřemičitý oxid ukládaný v pulzech z oxid křemičitémi bohatých kapalin, často v sopečných dutinách nebo trhlinách.
Metamorfní a vysokotlaký oxid křemičitý
Metamorfóza přeuspořádává horniny obsahující oxid křemičitý, aniž by je nutně roztavila. Pískovec se přeměňuje na křemenný pískovec, pevnou horninu složenou z propojených křemenných zrn. Pod polarizovaným světlem může křemenný pískovec odhalit mozaiku deformovaných zrn, srostlých kontaktů a přeměněných textur.
Při mnohem vyšších tlacích může oxid křemičitý přecházet do hustších polymorf. Coesit je spojen s vysokotlakou metamorfózou a impaktními situacemi, zatímco stishovit je znakem extrémního tlaku, zejména šokových událostí. Tyto formy se zřídka vyskytují jako běžné ukázkové krystaly; obvykle jsou potvrzeny laboratorní analýzou ve specializovaných geologických vzorcích.
Elementární křemík a rafinovaný křemíkový kov
Viditelné kusy elementárního křemíku jsou obvykle lidského původu, nikoli přírodní krystaly sbírané z kůry.
Zprávy o přirozeném elementárním křemíku jsou vzácné a obvykle zahrnují mikroskopická zrna nebo neobvyklé kontexty, jako jsou meteority, sopečné systémy nebo vysoce redukční mikroprostředí. V běžných kyslíkem bohatých horninách se křemík vyskytuje spíše jako oxid křemičitý nebo silikátové minerály.
Rafinovaný křemík začíná křemenem nebo jiným surovinovým materiálem bohatým na oxid křemičitý. V elektrické peci reaguje oxid křemičitý s uhlíkem za vzniku metalurgického křemíku a oxidu uhelnatého. Další čištění může vést k polykristalickému křemíku pro solární a elektronické suroviny, jednokrystalickým křemíkovým destičkám nebo jiným technickým formám.
Metalurgický křemík
Vyrobený karbotermickou redukcí křemíku. Je základem mnoha průmyslových produktů z křemíku a dalších cest čištění.
Polykristalický křemík
Vyrobeno z mnoha vzájemně propojených krystalů. Rozlomené kusy mohou mít stříbrnošedé, kovově vypadající plochy a ostré ulitovité zlomy.
Jednokristalické destičky
Pěstováno kontrolovanými krystalizačními metodami, jako je Czochralského nebo float-zone růst. Tyto destičky jsou rafinovanou formou spojenou s mikroelektronikou a některými solárními technologiemi.
Rozbitý křemík může mít ostré, pazourkovité hrany. Hotové kusy mohou být opatrně manipulovány, ale křemík by neměl být broušen, vrtán ani obrušován mimo vhodné technické kontroly.
SiO2 Polymorfy
Křemík se vyskytuje v několika strukturálních formách. Chemický vzorec může zůstat SiO2 zatímco atomové uspořádání se mění s teplotou, tlakem nebo historií šoku.
| Forma | Typické prostředí | Geologický význam | Běžná viditelnost |
|---|---|---|---|
| Křemen | Nízkoteplotní až středně teplotní kůrové prostředí | Nejběžnější krystalická forma křemíku v běžných horninách a žilách. | Běžný jako krystaly, žíly, geody, písky a křemence. |
| Tridymit | Vysokoteplotní sopečné prostředí | Zaznamenává specializované sopečné podmínky. | Obvykle malý a nejlépe studovaný petrograficky. |
| Kristobalit | Vysokoteplotní sopečné horniny a křemíkem bohatá skla | Může vznikat v sopečných dutinách, obsidiánu a devitrifikovaném skle. | Někdy viditelný jako sferulitické textury; často mikroskopický. |
| Kozit | Vysokotlaké metamorfní a nárazové prostředí | Značka hlubokého uložení, subdukce nebo tlakového šoku. | Vzácný; obvykle vyžaduje laboratorní potvrzení. |
| Stishovit | Extrémně vysokotlaké prostředí, zejména nárazový šok | Indikuje velmi vysokotlaké podmínky vzniku. | Vzácné v běžných sbírkách; analytické potvrzení je nezbytné. |
| Opál | Srážení křemíku při nízkých teplotách | Hydratovaný, nekryštalický až slabě krystalický křemík; drahý opál vykazuje difrakci od uspořádaných křemíkových koulí. | Běžné v dekorativních a drahokamových kontextech, ale citlivější než křemen. |
Druhy a formy materiálů obsahujících křemík
Slovo „křemík“ se často používá volně, ale geologická přesnost je důležitá. Elementární křemík, křemičité minerály, hydratovaný opál a karbid křemíku jsou chemicky příbuzné, ale velmi odlišné původem, strukturou a péčí.
| Kategorie | Co to je | Typický vzhled | Kontext vzniku |
|---|---|---|---|
| Elementární křemík | Si, obvykle rafinovaný lidmi | Stříbrně šedé kusy, plátky nebo technické fragmenty s kovově vypadajícími plochami. | Vyrobený z křemíku a uhlíku, poté čištěný pro průmyslové nebo elektronické použití. |
| Makrokrystalický křemen | Krystalický SiO2 | Čiré, bílé, fialové, žluté, kouřové, růžové nebo inkluzní krystaly a geody. | Hydrotermální žíly, pegmatity, dutiny, pukliny a metamorfované horniny. |
| Chalcedon a achát | Mikrokrystalický až kryptokrystalický křemík | Voskovité, pruhované, průsvitné nebo neprůhledné hmoty; zahrnuje achát, jaspis, křemenec a křemen. | Ukládání z fluid, diagenezní nahrazení, vyplňování dutin a systémy podzemních vod bohatých na křemík. |
| Opál | Hydratovaný amorfní křemík | Běžný opál, drahý opál, ohnivý opál a opalizovaný materiál. | Srážení křemíku při nízkých teplotách v prasklinách, sedimentech, sopečných horninách nebo zvětralých profilech. |
| Křemík karbidový | SiC, známý jako přírodní moissanit nebo syntetický karborundum | Brusný moissanit, irizující syntetické shluky, brusné zrno nebo technické plátky. | Přírodní moissanit je vzácný; většina viditelného SiC je laboratorně nebo pecí vyráběná. |
Ametyst
Fialový křemen zbarvený železem souvisejícími barevnými centry a ozařováním. Běžně se vyskytuje v geodách a hydrotermálních dutinách.
Citrín
Žlutý až medově zbarvený křemen. Některý citrín je přírodní; většina komerčního materiálu je tepelně upravený ametyst nebo záhněda.
Záhněda
Šedý až hnědý křemen zbarvený přirozeným zářením interagujícím s defekty souvisejícími s hliníkem.
Růženín
Růžový křemen, jehož barva může souviset s příměsemi stopových prvků, defekty nebo jemnými vláknitými inkluzemi v závislosti na typu materiálu.
Achát
Pruhovaný chalcedon ukládaný v opakovaných pulzech bohatých na křemík, často ve vulkanických dutinách nebo sedimentárních uzlech.
Jaspis
Neprůhledný, nečistý chalcedon zbarvený oxidy železa, jílem, organickou hmotou nebo jinými inkluzemi.
Křemenec a pazourek
Husté mikrokryštalické křemíkové horniny, které často lámou konchoidálně a zachovávají sedimentární nebo biogenní historii křemíku.
Drahý opál
Hydratovaný křemík s uspořádanými mikroskopickými kuličkami, které při dostatečně pravidelné struktuře lámou světlo do barevného efektu.
Terminologie, dokumentace a povědomí o úpravách
Jasná terminologie zabraňuje záměně. „Křemík“ by měl znamenat prvek Si. „Křemík“ (silica) označuje SiO₂.2„Silikát“ označuje širší minerální rodinu založenou na křemíko-kyslíkových tetraédrech. „Silikon“ je rodina polymerů a není minerálem.
- Pro elementární křemík: popisujte jej jako rafinovaný křemík, křemíkový kov, polykrystalický křemík nebo monokrystalický křemík, pokud je to známo.
- Pro odrůdy křemene: používejte uznávané názvy minerálních odrůd a rozlišujte přirozenou barvu od teplem upraveného nebo ozařovaného materiálu, pokud je to známo.
- Pro achát a chalcedon: uvádějte barvení, stabilizaci, vyplňování trhlin nebo jiné úpravy, pokud jsou známy nebo podezřelé.
- Pro opál: rozlišujte mezi masivním opálem, dvojitým, trojitým, běžným opálem, drahým opálem a upraveným nebo stabilizovaným materiálem.
- Pro kóesit nebo stishovit: očekávejte analytickou dokumentaci. Nejedná se o běžné minerály křemíku určené k vystavení.
Péče a zacházení
Materiály obsahující křemík se velmi liší v odolnosti. Křemen je tvrdý a stabilní; opál může být citlivý na teplo, sucho a chemikálie; prasklý křemík může řezat kůži; a vdechování křemíkového prachu je vážné nebezpečí.
Křemen a chalcedon
Obecně odolné, ale vyhněte se zbytečnému vystavení chemikáliím. Pórovité nebo barvené kusy by měly být chráněny před agresivními čisticími prostředky a namáčením.
Opál
Vyhněte se tepelnému šoku, dlouhodobému přímému slunci, agresivním chemikáliím, ultrazvukovému čištění a náhlému vysychání. Dvojité a trojité vrstvy vyžadují zvýšenou opatrnost ohledně vlhkosti.
Elementární křemík
S rozbitými kusy zacházejte jako s ostrým technickým materiálem. Nekruťte, neřežte, nevrtajte ani neobrušujte křemík mimo správná opatření.
Křemenný prach
Nekrájejte, nebrušte ani neleštěte horniny bohaté na křemen bez vhodných profesionálních opatření proti prachu. Problémem není vystavený předmět, ale vdechovatelný prach.
Často kladené otázky
Vyskytuje se křemík přirozeně jako krystaly?
Viditelné přírodní krystaly elementárního křemíku jsou extrémně vzácné. V běžných geologických podmínkách se křemík vyskytuje jako minerály křemene a silikátů. Stříbrošedé kusy elementárního křemíku, které se obvykle vidí ve vzdělávacích nebo výstavních kontextech, jsou rafinovaný průmyslový materiál.
Jaký je rozdíl mezi křemíkem, křemenem, silikátem a silikonem?
Křemík je prvek Si. Křemen je oxid křemíku, SiO2. Silikáty jsou minerály postavené ze silikon-kyslíkových tetraedrů spojených s dalšími prvky. Silikon je syntetická polymerní rodina, není to minerál ani hornina.
Jak vznikají acháty a geody?
Acháty vznikají, když křemíkem bohaté tekutiny ukládají chalcedon v opakovaných vrstvách, často uvnitř dutin v sopečných horninách nebo v uzlech sedimentárních prostředí. Geody vznikají, když se dutiny vyloží krystaly, obvykle křemenem, poté co jimi cirkulují minerály obsahující tekutiny.
Je moissanit formou křemíku?
Moissanit je karbid křemíku, SiC, nikoli elementární křemík ani křemen. Přírodní moissanit je vzácný, zatímco většina broušených drahokamových moissanitů a většina karborundu je laboratorně nebo v peci vyráběná.
Proč existuje tolik odrůd křemene?
Křemen má jednu základní chemii, SiO2, ale barva a textura se mění v závislosti na stopových prvcích, ozáření, inkluzích, podmínkách růstu, zahřívání, historii tekutin a pozdějších změnách po růstu.
Jsou koesit a stishovit sběratelské minerály křemíku?
Jsou vědecky důležité, ale nejsou to běžné kabinetní minerály. Koesit a stishovit se obvykle vyskytují ve specializovaných vysokotlakých nebo šokových podmínkách a vyžadují analytické potvrzení.