Piidioksidi: Muodostuminen ja geologiset lajikkeet
Linas JuozenasJaa
Muodostus, geologia ja lajikkeet
Pii: Tähtipölystä kvartsiin, hiekkaan, opaaliin ja puolijohdekiteeseen
Geologinen ja materiaalitietoinen katsaus piihin, alkuaineeseen, joka muodostaa suurimman osan maapallon kallioperästä: kuinka se muodostuu tähdissä, kulkee planeettakierrossa, esiintyy piidioksidina ja silikaatteina sekä jalostuu puhtaaksi piiksi nykyaikaisessa teknologiassa.
- Si
- Alkuainepii
- Piidioksidi: SiO2
- Silikaattimineraalit
- Kvartsi, kalsedoni, opaali
Pii esiintyy luonnossa harvoin vapaana alkuaineena. Se on yleensä sidottuna happeen piidioksidina tai rakennettuna silikaattimineraaleihin, jotka muodostavat suurimman osan kivistä. Sama alkuaine, joka muodostaa kvartsi-juonia, kalsiumrikasta graniittia, piikiveä, akaattia ja opaalia, jalostuu ihmisen käsittelyssä puhtaaksi piimetalliksi, polykristalliseksi raaka-aineeksi ja yksikiteisiksi levyiksi.
Pii geologisena perustana
Pii, Si, on yksi maapallon kallioperän tärkeimmistä kehysalkuaineista. Yhdessä hapen kanssa se hallitsee mantereisen kuoren kemiaa.
Tavallisissa geologisissa olosuhteissa pii sitoutuu vahvasti happeen. Tuloksena on joko piidioksidi, SiO2, tai paljon suurempi silikaattimineraalien perhe, joka rakentuu SiO4-tetraedreistä. Nämä tetraedrit liittyvät eristyneiksi ryhmiksi, ketjuiksi, levyiksi ja kolmiulotteisiksi kehyksiksi, tuottaen mineraaleja, jotka ovat erilaisia kuin oliiviini, pyroksiini, liuske, kalsiitt ja kvartsi.
Pii
Alkuaine Si. Alkuainepii on metalloidi, eikä sitä esiinny luonnossa yleisenä mineraalina näkyvissä näytteissä.
Piidioksidi
Piidioksidi, SiO2Kvartsi, kalsedoni, piikivi, piikivi, kristobaliitti, koesiitti ja stishoviitti ovat kaikki piidioksidin muotoja tai piidioksidirikkaita materiaaleja.
Silikaatit
Laaja mineraaliperhe, joka rakentuu piidioksiditetraedreistä yhdistettynä muihin alkuaineisiin, kuten alumiiniin, magnesiumiin, rautaan, kalsiumiin, natriumiin ja kaliumiin.
Happi ja pii muodostavat yhdessä suurimman osan mantereisen kuoren painosta, minkä vuoksi kvartsi, kalsiitti, liuske, savimineraalit ja muut silikaatit ovat niin yleisiä maisemissa ja kivikokoelmissa.
Kosminen alkuperä: Kuinka tähdet muodostivat piin
Piitä muodostuu massiivisissa tähdissä myöhäisvaiheen ydinpoltossa. Kun nämä tähdet päättävät elämänsä supernovina, piitä sisältävä materiaali leviää tähtienväliseen avaruuteen. Osa tästä materiaalista muuttuu pölyksi myöhemmissä tähtienmuodostusalueissa, mukaan lukien silikaattihiukkaset, jotka auttavat rakentamaan protoplanetaarisia kiekkoja.
Maa peri piin tästä kosmisesta varastosta. Kun se kerran sulautui nuoreen planeettaan, pii lukittui magmaan, vaipan mineraaleihin, kuoren kiviin, sedimentteihin ja myöhemmin sedimentaarisiin ja metamorfoottisiin kiertoihin. Tässä mielessä jokainen kvartsi jyvä ja feldspaatin kide on sekä geologinen tuote että tähdellisten kemiallisten prosessien jäänne.
Piikierto Maan kuoressa
Piitä liikkuu kivien, veden, eliöiden, sedimenttien ja nesteiden kautta. Kierto on hidas, mutta se on yksi kuoren keskeisistä prosesseista.
Rapautuminen
Silikaattimineraalit hajoavat Maan pinnalla. Kemiallinen rapautuminen vapauttaa liuennutta piitä ja auttaa muodostamaan savimineraaleja kuten kaoliiniittia ja smektiittiä.
Kuljetus
Joet, pohjavesi ja merivesi kuljettavat liuennutta piitä ja kvartsi- jyviä maisemien, tulvatasankojen, rantaviivojen ja merialtaiden läpi.
Biogeeninen otto
Diatomit, radiolariat ja sienieläimet käyttävät liuennutta piitä rakentaakseen opaliinisia tukirankoja. Niiden jäänteet voivat kerääntyä piipitoiseksi mutaksi.
Diageesi
Hautautumisen myötä opal-A järjestäytyy usein uudelleen opal-CT:ksi ja lopulta mikrokiteiseksi kvartsiiksi, muodostaen kvartsiittia, piikiveä ja siihen liittyviä piikiviä.
Tuliperäiset polut: Kuinka magmat lajittelevat piitä
Magmat eroavat piipitoisuudeltaan. Felsiset magmat ovat piirikasta ja kiteyttävät yleisesti kvartsin, alkalifeldspaatin, plagioklaasin ja mikat. Mafiset magmat sisältävät vähemmän piitä ja enemmän magnesiumia ja rautaa, suosien mineraaleja kuten oliiviinia, pyrokseenia ja kalsiumrikasta plagioklaasia.
Kun magmat kehittyvät kiteytymisen, sekoittumisen, assimilaation ja haihtuvien aineiden konsentraation kautta, pii voi keskittyä myöhäisvaiheen nesteisiin. Nämä nesteet voivat muodostaa kvartsi-suonia, akaattivuorattuja onteloita, ametistikoloja ja pegmatiittisia kvartsi-kiteitä.
| Magma-tyyppi | Tyypillinen SiO2 alue | Edustavat kivet | Yleiset piitä sisältävät mineraalit |
|---|---|---|---|
| Felsinen | Noin 65–77 % | Graniitti, ryoliitti, pegmatiitti | Kvartsi, kalifeldi, plagioklaasi, muskoviitti |
| Väli- | Noin 55–65 % | Dioriitti, andesiitti | Plagioklaasi, amfiboli, biotiitti, satunnaisesti kvartsi |
| Mafinen | Noin 45–55 % | Gabro, basaltti | Pyrokseeni, oliiviini, kalsiumrikas plagioklaasi |
Sedimentaarinen ja diageeninen pii
Kvartsi on fyysisesti kestävä ja kemiallisesti vastustuskykyinen Maan pinnalla, joten se säilyy yleisesti rapautumisen seurauksena hiekaksi. Nämä jyvät muodostavat dyynit, rannat, hiekkasärkät ja hiekkakivet. Hautautumisen ja sementoitumisen myötä hiekkakivet voivat säilyttää pitkän kuljetuksen, pyöristymisen, lajittelun ja kerrostumisenergian historian.
Piidioksidi liikkuu myös liuenneessa muodossa. Meri- ja järviympäristöissä eliöiden biogeeninen pii voi kerrostua mutana, joka hautautuessaan muuttuu piikiviksi ja piikiviksi. Pohjavesi voi myös kerrostaa kalcedonia ja kvartsia onteloihin, halkeamiin tai kyhmyihin, tuottaen akaattinauhoja, geodeja ja piin korvauksia aiemmille materiaaleille.
Kvartsihiekka
Pyöristyneet kvartsijyvät tallentavat kuljetuksen tuulen, jokien, aaltojen tai jäätiköiden toimesta. Puhdas kvartsipitoinen hiekka voi myöhemmin muuttua kvartsiareeniksi.
Kalkkikivi ja piikivi
Hienorakeiset piikivet, jotka muodostuvat diageneesillä, korvautumisella tai suoralla saostuksella. Monet murtuvat terävällä kuorimaisella murtumalla.
Akaatti ja kalcedoni
Kuitumainen mikrokiteinen pii, joka kerrostuu pulssinomaisesti piidioksidirikkaista nesteistä, usein tulivuoren onteloissa tai halkeamissa.
Metamorfoottinen ja korkeapaineinen pii
Metamorfoosi järjestelee piidioksidipitoisia kiviä uudelleen ilman, että ne välttämättä sulavat. Hiekkakivi kiteytyy uudelleen kvartsitiksi, kestäväksi kiveksi, joka koostuu toisiinsa lukkiutuvista kvartsijyvistä. Polarisoidun valon alla kvartsiti voi paljastaa jännitettyjen jyvien mosaiikin, saumattomat kontaktit ja uudelleen kiteytyneet rakenteet.
Paljon korkeammissa paineissa piidioksidi voi muuttua tiheämmiksi polymorfeiksi. Koosiitti liittyy korkeapaineiseen metamorfoosiin ja törmäysolosuhteisiin, kun taas stishoviitti on äärimmäisen paineen, erityisesti iskutapahtumien, tunnusmerkki. Näitä muotoja tavataan harvoin tavallisina näytekiteinä; ne vahvistetaan yleensä laboratoriotutkimuksilla erikoistuneissa geologisissa näytteissä.
Alkuainepii ja hienostettu piimetalli
Näkyvät kappaleet alkuainepiistä ovat yleensä ihmisen valmistamia, eivät luonnollisia kuoren kerättyjä kiteitä.
Luonnollisen alkuperäisen piin raportit ovat harvinaisia ja liittyvät yleensä mikroskooppisiin jyviin tai epätavallisiin yhteyksiin, kuten meteoriitteihin, tulivuorijärjestelmiin tai erittäin pelkistäviin mikroympäristöihin. Tavallisissa happipitoisissa kivissä pii esiintyy todennäköisemmin piidioksidina tai silikaattimineraaleina.
Hienostettu pii alkaa kvartsista tai muusta piidioksidirikkaasta raaka-aineesta. Sähköliesissä piidioksidi reagoi hiilen kanssa tuottaen metallurgisen tason piitä ja hiilimonoksidia. Jatkopuhdistus voi tuottaa monikiteistä piitä aurinko- ja elektroniikkateollisuuden raaka-aineeksi, yksikiteisiä piikiekkoja tai muita teknisiä muotoja.
Metallurginen pii
Tuotettu piidioksidin karbotermisellä pelkistyksellä. Se on monien teollisten piituotteiden ja jatkopuhdistusmenetelmien perusta.
Monikiteinen pii
Valmistettu monista toisiinsa lukkiutuvista kiteistä. Murtuneet palat voivat näyttää hopeanharmaalta, metalliselta pinnalta ja teräviltä kuorimaisilta murtumilta.
Yksikiteiset kiekot
Kasvatettu hallituilla kiteen kasvatusmenetelmillä, kuten Czochralskin tai kelluvavyöhykkeen kasvatus. Nämä kiekot ovat hienostunut muoto, joka liittyy mikroelektroniikkaan ja joihinkin aurinkoteknologioihin.
Murtunut pii voi olla teräväpiikkinen, piikiven kaltainen. Valmiita kappaleita käsitellään varoen, mutta piitä ei tule jauhaa, porata tai hioa ilman asianmukaisia teknisiä valvontoja.
SiO2 Polymorfit
Piidioksidi esiintyy useissa rakenteellisissa muodoissa. Kemiallinen kaava voi pysyä SiO2 kun atomijärjestys muuttuu lämpötilan, paineen tai iskun historian mukaan.
| Muoto | Tyypillinen ympäristö | Geologinen merkitys | Yleinen näkyvyys |
|---|---|---|---|
| Kvartsi | Matalan tai keskisuuren lämpötilan kuorikerrostumat | Yleisin kiteinen piimuoto tavallisissa kivissä ja suonissa. | Yleisiä kiteinä, suonina, geodeina, hiekkoina ja kvartsiitteina. |
| Tridymiitti | Korkean lämpötilan tulivuoriympäristöt | Tallentaa erikoistuneita tulivuorietoja. | Yleensä pieni ja parhaiten tutkittu petrografisesti. |
| Kristobaliitti | Korkean lämpötilan tulivuorikivet ja piipitoiset lasit | Voi muodostua tulivuoren onteloissa, obsidiaanissa ja devitrifioituneessa lasissa. | Joskus näkyvissä sfäärisenä rakenteena; usein mikroskooppinen. |
| Koesiitti | Korkeapaineiset metamorfoottiset ja iskupaikat | Merkki syvästä hautautumisesta, subduktiosta tai iskupaineesta. | Harvinainen; vaatii yleensä laboratoriovarmistuksen. |
| Stishoviitti | Äärimmäisen paineen ympäristöt, erityisesti iskushokit | Ilmaisee erittäin korkeapaineiset muodostumisolosuhteet. | Harvinainen tavallisissa kokoelmissa; analyyttinen varmistus on välttämätön. |
| Opali | Matalan lämpötilan piidioksidin saostuminen | Hydratoitunut, ei-kiteinen tai huonosti kiteinen pii; arvokas opaali näyttää diffraktiota järjestäytyneistä piipalloista. | Yleisiä koriste- ja jalokivikäytössä, mutta herkempiä kuin kvartsit. |
Piitä sisältävien materiaalien lajikkeet ja muodot
Sanaa ”pii” käytetään usein löyhästi, mutta geologinen tarkkuus on tärkeää. Alkuainepii, piimineraalit, hydratoitunut opaali ja piikarbidit liittyvät kemiallisesti, mutta ovat hyvin erilaisia alkuperältään, rakenteeltaan ja käsittelyltään.
| Kategoria | Mikä se on | Tyypillinen ulkonäkö | Muodostumiskonteksti |
|---|---|---|---|
| Alkuainepii | Si, yleensä ihmisten jalostama | Hopeanharmaat palat, levyt tai tekniset fragmentit metallinhohtoisilla pinnoilla. | Valmistettu piistä ja hiilestä, sitten puhdistettu teolliseen tai elektroniseen käyttöön. |
| Makrokiteinen kvarts | Kiteinen SiO2 | Läpinäkyvät, valkoiset, violetit, keltaiset, savuiset, vaaleanpunaiset tai sisäiset kiteet ja geodit. | Hydrotermiset suonet, pegmatiitit, ontelot, kammikot ja metamorfoituneet kivet. |
| Kalsedoni ja akaatti | Mikrokiteinen tai kryptokiteinen piioksidi | Vahamaiset, raidalliset, läpikuultavat tai läpinäkymättömät massat; sisältää akaatin, jaspiksen, kvartsiitin ja piikiven. | Nesteen saostuminen, diageeninen korvaaminen, onteloiden täyttyminen ja piipitoiset pohjavedet. |
| Opali | Hydratoitunut amorfinen piioksidi | Yleinen opaali, arvokas opaali, tulen opaali ja opaloitunut materiaali. | Matalan lämpötilan piidioksidin saostuminen halkeamiin, sedimentteihin, tulivuorikiviin tai rapautuneisiin profiileihin. |
| Piikarbidit | SiC, tunnetaan luonnollisena moissaniittina tai synteettisenä karborundumina | Hiontahiottu moissaniitti, irisoivat synteettiset klusterit, hiontakiteet tai tekniset waferit. | Luonnollinen moissaniitti on harvinainen; suurin osa näkyvästä SiC:stä on laboratoriossa tai uunissa kasvatettua. |
Ametisti
Violetti kvartsi, jonka värin aiheuttavat rautaan liittyvät värikeskukset ja säteilytys. Yleisesti löydetty geodeista ja hydrotermisistä kammioista.
Sitriini
Keltainen tai hunajankeltainen kvartsi. Osa sitriinistä on luonnollista; suuri osa kaupallisesta materiaalista on lämpökäsiteltyä ametistia tai savukvartsia.
Savukvartsi
Harmaasta ruskeaan kvartsi, jonka värin aiheuttaa luonnollinen säteily, joka vaikuttaa alumiiniin liittyviin virheisiin.
Ruusuquartsi
Vaaleanpunainen kvartsi, jonka väri voi liittyä hivenaineisiin, virheisiin tai hienoihin kuitumaisiin inkluusioihin materiaalityypistä riippuen.
Akaatti
Raidallinen kalcedoni, joka on kerrostunut toistuvissa piidioksidirikkaissa pulssissa, usein tulivuoren kammioissa tai sedimenttikivissä.
Jaspis
Läpinäkymätön, epäpuhtaa kalcedonia, jota värjää rautaoksidit, savi, orgaaninen aine tai muut inkluusiot.
Kalkkikivi ja piikivi
Tiheät mikrokiteiset piidioksidikivet, jotka usein halkeavat konkoidisesti ja säilyttävät sedimentaariset tai biogeeniset piidioksidihistoriat.
Arvokas opaali
Hydratoitunut piidioksidi, jossa on järjestäytyneitä mikroskooppisia palloja, jotka taittavat valoa väripelin muodostamiseksi, kun rakenne on riittävän säännöllinen.
Terminologia, dokumentaatio ja käsittelytietoisuus
Selkeä terminologia estää sekaannuksia. ”Pii” tarkoittaa alkuaine Si:tä. ”Piidioksidi” viittaa SiO:hon.2”Silikaatti” viittaa laajempaan mineraaliperheeseen, joka rakentuu pii-happi-tetraedreistä. ”Silikoni” on polymeeriperhe eikä mineraali.
- Alkeellisen piin osalta: kuvaa se jalostetuksi piiksi, piimetalliksi, polykristalliseksi piiksi tai yksikiteiseksi piiksi, kun se on tiedossa.
- Kvartsi-lajien osalta: käytä tunnustettuja mineraalilajikkeiden nimiä ja erottele luonnollinen väri lämpökäsitellystä tai säteilytetystä materiaalista, kun se on tiedossa.
- Agaatin ja kalcedonin osalta: ilmoita värjäys, stabilointi, halkeamien täyttö tai muut käsittelyt, kun ne ovat tiedossa tai epäiltyjä.
- Opaalin osalta: erottele kiinteä opaali, kaksois- ja kolmoiskerros, tavallinen opaali, arvokas opaali sekä käsitelty tai stabiloitu materiaali.
- Koesiitin tai stishoviitin osalta: odota analyyttistä dokumentaatiota. Nämä eivät ole tavallisia piidioksidin näytemineraleja.
Hoito ja käsittely
Piitä sisältävät materiaalit vaihtelevat suuresti kestävyydeltään. Kvartsi on kova ja vakaa; opaali voi olla herkkä lämmölle, kuivuudelle ja kemikaaleille; halkeillut pii voi viiltää ihoa; ja hengitetty piipöly on vakava vaara.
Kvartsi ja kalcedoni
Yleisesti kestävä, mutta vältä tarpeetonta kemikaalialtistusta. Huokoiset tai värjätyt kappaleet tulisi pitää poissa voimakkaiden puhdistusaineiden ja liotuksen vaikutuksesta.
Opali
Vältä lämpöshokkia, pitkäaikaista suoraa auringonvaloa, voimakkaita kemikaaleja, ultraäänipuhdistusta ja äkillistä kuivumista. Kaksois- ja kolmoiskiteet vaativat erityistä kosteuden varovaisuutta.
Alkuainepii
Käsittele rikkoutuneet kappaleet terävinä teknisinä materiaaleina. Älä jauha, sahaa, poraa tai hio piitä ilman asianmukaisia hallintatoimia.
Piidioksidipöly
Älä leikkaa, hio tai kiillota piidioksidirikkaita kiviä ilman asianmukaisia ammatillisia pölynhallintatoimia. Näyttelyesine ei ole ongelma; hengitettävä pöly on.
Usein kysytyt kysymykset
Löytyykö piitä luonnollisina kiteinä?
Näkyvät luonnolliset alkuainepiin kiteet ovat erittäin harvinaisia. Tavallisissa geologisissa olosuhteissa pii esiintyy piidioksidina ja silikaattimineraaleina. Hopeanharmaat alkuainepiipalat, joita yleensä nähdään opetuksessa tai näyttelyissä, ovat jalostettua teollisuusmateriaalia.
Mikä on ero piin, piidioksidin, silikaatin ja silikonin välillä?
Pii on alkuaine Si. Piidioksidi on piidioksidi, SiO2. Silikaatit ovat mineraaleja, jotka rakentuvat piidioksiditetraedreistä yhdistettynä muihin alkuaineisiin. Silikoni on synteettinen polymeeriperhe, ei mineraali tai kivi.
Miten akaatit ja geodit muodostuvat?
Akaatit muodostuvat, kun piidioksidirikkaat nesteet kerrostavat kalsedonia kerroksittain, usein tulivuorikivien onteloissa tai sedimenttien noduleissa. Geodit muodostuvat, kun ontelot vuorautuvat kiteillä, tavallisesti kvartseilla, mineraalipitoisten nesteiden kiertäessä niiden läpi.
Onko moissaniitti piin muoto?
Moissaniitti on piikarbidia, SiC, ei alkuainepiitä eikä piidioksidia. Luonnollinen moissaniitti on harvinainen, kun taas suurin osa hiotusta jalokivimoissaniitista ja karborundumista on laboratoriossa tai uunissa kasvatettua.
Miksi kvartsilla on niin monia lajikkeita?
Kvartsilla on yksi peruskemia, SiO2, mutta väri ja rakenne muuttuvat hivenaineiden, säteilyn, inkluusioiden, kasvuehtojen, lämmityksen, nestehistoriaan ja kasvun jälkeisen muutoksen mukaan.
Ovatko koesiitti ja stishoviitti keräilykelpoisia piidioksidimineraaleja?
Ne ovat tieteellisesti tärkeitä, mutta eivät tavallisia kaappimineraaleja. Koesiitti ja stishoviitti esiintyvät yleensä erikoistuneissa korkeapaine- tai iskuyhteyksissä ja vaativat analyyttisen varmistuksen.