Кремний: образование и геологические разновидности
Linas JuozenasПоделиться
Образование, геология и разновидности
Кремний: от звёздного пепла до кварца, песка, опала и полупроводникового кристалла
Геологический и материаловедческий обзор кремния — элемента, лежащего в основе большей части земной коры: как он формируется в звёздах, проходит через планетарные циклы, проявляется в виде кремнезёма и силикатов и становится очищенным элементарным кремнием в современной технологии.
- Si
- Элементарный кремний
- Кремнезём: SiO₂2
- Силикатные минералы
- Кварц, халцедон, опал
Кремний редко встречается в природе в свободном виде. Обычно он связан с кислородом в виде кремнезёма или входит в состав силикатных минералов — структурного каркаса большинства горных пород. Тот же элемент, который образует кварцевые жилы, гранит, богатый полевым шпатом, кремень, агат и опал, также становится очищенным кремниевым металлом, поликристаллическим сырьём и монокристаллическими пластинами в результате человеческой обработки.
Кремний как геологическая основа
Кремний, Si, — один из основных каркасных элементов твёрдой Земли. Вместе с кислородом он доминирует в химии континентальной коры.
В обычных геологических условиях кремний прочно связывается с кислородом. В результате образуется либо кремнезём, SiO2, либо гораздо более крупное семейство силикатных минералов, построенных из тетраэдров SiO4. Эти тетраэдры соединяются в изолированные группы, цепочки, пласты и трёхмерные каркасы, образуя минералы, такие как оливин, пироксен, слюда, полевой шпат и кварц.
Кремний
Элемент Si. Элементарный кремний — это металлойд, редко встречающийся в природе в виде видимых минералов.
Кремнезём
Диоксид кремния, SiO₂2Кварц, халцедон, кремень, кремень, кристобалит, коезит и стишовит — все это формы диоксида кремния или кремнийсодержащие материалы.
Силикаты
Обширное семейство минералов, построенных из кремний-кислородных тетраэдров, соединённых с другими элементами, такими как алюминий, магний, железо, кальций, натрий и калий.
Кислород и кремний вместе составляют большую часть континентальной коры по массе, поэтому кварц, полевой шпат, слюда, глинистые минералы и другие силикаты так распространены в ландшафтах и коллекциях горных пород.
Космическое происхождение: как звёзды создали кремний
Кремний формируется в массивных звёздах на поздних стадиях ядерного горения. Когда эти звёзды заканчивают свою жизнь сверхновыми, кремнийсодержащие материалы рассеиваются в межзвёздном пространстве. Часть этого материала становится пылью в последующих областях звездообразования, включая силикатные зерна, которые помогают формировать протопланетные диски.
Земля унаследовала кремний из этого космического резервуара. Попав в молодой планетарный материал, кремний оказался заперт в магме, минералах мантии, коренных породах, осадках, а затем в осадочных и метаморфических циклах. В этом смысле каждое кварцевое зерно и кристалл полевого шпата — это одновременно геологический продукт и остаток звездной химии.
Цикл кремнезёма в земной коре
Кремний перемещается через породы, воду, организмы, осадки и флюиды. Этот цикл медленный, но является одной из ключевых историй земной коры.
Выветривание
Силикатные минералы разрушаются на поверхности Земли. Химическое выветривание высвобождает растворённый кремнезём и способствует образованию глинистых минералов, таких как каолинит и смектит.
Транспорт
Реки, грунтовые воды и морская вода переносят растворённый кремнезём и кварцевые зерна через ландшафты, поймы, побережья и морские бассейны.
Биогенное усвоение
Диатомовые водоросли, радиолярии и губки используют растворённый кремнезём для построения опаловых скелетов. Их останки могут накапливаться в виде кремнистого ила.
Диагенез
При захоронении опал-А обычно преобразуется в опал-СТ и в конечном итоге в микрокристаллический кварц, образуя кремень, кремнистый сланец и родственные кремнезёмные породы.
Пути магматизма: как магмы сортируют кремнезём
Магмы различаются по содержанию кремнезёма. Фелзические магмы богаты кремнезёмом и обычно кристаллизуют кварц, щелевой полевой шпат, плагиоклаз и слюды. Мафические магмы содержат меньше кремнезёма и больше магния и железа, что способствует образованию минералов, таких как оливин, пироксен и кальцийсодержащий плагиоклаз.
По мере эволюции магм через кристаллизацию, смешивание, ассимиляцию и концентрацию летучих веществ кремнезём может концентрироваться в поздних флюидах. Эти флюиды могут образовывать кварцевые жилы, агатовые полости, аметистовые карманы и пегматитовые кристаллы кварца.
| Тип магмы | Типичный SiO2 Диапазон | Типичные породы | Распространённые кремнийсодержащие минералы |
|---|---|---|---|
| Фелзические | Около 65–77% | Гранит, риолит, пегматит | Кварц, калиевый полевой шпат, плагиоклаз, мусковит |
| Промежуточные | Около 55–65% | Диорит, андезит | Плагиоклаз, амфибол, биотит, иногда кварц |
| Мафические | Около 45–55% | Габбро, базальт | Пироксен, оливин, кальцийсодержащий плагиоклаз |
Осадочная и диагенетическая кремнезём
Кварц физически прочен и химически устойчив на поверхности Земли, поэтому обычно сохраняется при выветривании в виде песка. Эти зерна образуют дюны, пляжи, барры и песчаники. При захоронении и цементации песчаники могут сохранять длительную историю транспорта, округления, сортировки и энергии осадконакопления.
Кремнезём также перемещается в растворённой форме. В морских и озёрных условиях биогенный кремнезём от организмов может накапливаться в виде ила, затем при захоронении превращаться в кремень и кремнистый сланец. Подземные воды также могут откладывать халцедон и кварц в полостях, трещинах или узлах, образуя агатовые полосы, жеоды и замещения кремнезёмом более ранних материалов.
Кварцевый песок
Округлые зерна кварца свидетельствуют о переносе ветром, реками, волнами или ледниками. Чистый кварцевый песок может впоследствии превратиться в кварцевый аренит.
Кремень и кремнистый сланец
Тонкозернистые кремнезёмные породы, образованные диагенезом, замещением или прямым осаждением. Многие ломаются с острым раковинным изломом.
Агат и халцедон
Волокнистый микрокристаллический кремнезём, отложенный импульсами из кремнезёмсодержащих растворов, часто в вулканических полостях или трещинах.
Метаморфический и высокодавленый кремнезём
Метаморфизм перестраивает породы, содержащие кремнезём, без их плавления. Песчаник перекристаллизуется в кварцит — прочную породу, состоящую из взаимосвязанных зерен кварца. Под поляризованным светом кварцит может показывать мозаику напряжённых зерен, сшитые контакты и перекристаллизованные текстуры.
При гораздо более высоких давлениях кремнезём может превращаться в более плотные полиморфы. Коезит связан с метаморфизмом при высоком давлении и ударными процессами, тогда как стишовит является признаком экстремального давления, особенно при ударных событиях. Эти формы редко встречаются в виде обычных демонстрационных кристаллов; обычно их подтверждают лабораторным анализом в специализированных геологических образцах.
Элементарный кремний и очищенный кремниевый металл
Видимые куски элементарного кремния обычно искусственного происхождения, а не природные кристаллы, собранные из коры.
Сообщения о природном кремнии встречаются редко и обычно связаны с микроскопическими зернами или необычными условиями, такими как метеориты, вулканические системы или сильно восстановительные микроокружения. В обычных кислородсодержащих породах кремний гораздо чаще встречается в виде кремнезёма или силикатных минералов.
Очищенный кремний начинается с кварца или другого сырья, богатого кремнезёмом. В электрической печи кремнезём реагирует с углеродом, образуя металлургический кремний и угарный газ. Дальнейшая очистка может привести к получению поликристаллического кремния для солнечной и электронной промышленности, монокристаллических кремниевых пластин или других технических форм.
Металлургический кремний
Производится карботермическим восстановлением кремнезёма. Является основой для многих промышленных кремниевых продуктов и дальнейших путей очистки.
Поликристаллический кремний
Состоят из множества взаимосвязанных кристаллов. Осколки могут иметь серебристо-серые, металлические поверхности и острые раковинные изломы.
Монокристаллические пластины
Выращены контролируемыми методами кристаллизации, такими как метод Чохральского или зонного плавления. Эти пластины являются очищенной формой, связанной с микроэлектроникой и некоторыми солнечными технологиями.
Сломанный кремний может иметь острые, похожие на кремень края. Готовые изделия следует обрабатывать осторожно, но кремний не следует шлифовать, сверлить или истончать вне соответствующих технических условий.
SiO.2 Полиморфы.
Кремнезём встречается в нескольких структурных формах. Химическая формула может оставаться SiO.2 в то время как атомное строение меняется с температурой, давлением или историей шока.
| Форма. | Типичная среда. | Геологическое значение. | Распространённость. |
|---|---|---|---|
| Кварц | Низкотемпературные и умеренные условия в коре. | Самая распространённая кристаллическая форма кремнезёма в обычных породах и жилах. | Распространён в виде кристаллов, жил, жеод, песков и кварцитов. |
| Тридимит. | Вулканические среды при высоких температурах. | Отражает специализированные вулканические условия. | Обычно мелкий и лучше всего изучается петрографически. |
| Кристобалит. | Вулканические породы и кремнезёмные стекла при высоких температурах. | Может образовываться в вулканических полостях, обсидиане и девитрифицированном стекле. | Иногда виден как сферолитовая текстура; часто микроскопический. |
| Коэсит. | Высокое давление в метаморфических и ударных условиях. | Маркер глубокого погружения, субдукции или ударного давления. | Редко; обычно требует лабораторного подтверждения. |
| Стишовит. | Экстремальные условия давления, особенно ударный шок. | Указывает на условия формирования при очень высоком давлении. | Редко встречается в обычных коллекциях; необходим аналитический контроль. |
| Опал | Осаждение кремнезёма при низких температурах. | Гидратированный, некристаллический до слабо кристаллического кремнезём; драгоценный опал показывает дифракцию от упорядоченных сфер кремнезёма. | Распространён в декоративных и ювелирных целях, но более чувствителен, чем кварц. |
Варианты и формы материалов, содержащих кремний.
Слово «кремний» часто используется свободно, но геологическая точность важна. Элементарный кремний, минералы кремнезёма, гидратированный опал и карбид кремния связаны химически, но сильно различаются по происхождению, структуре и уходу.
| Категория | Что это такое. | Типичный внешний вид. | Контекст формирования. |
|---|---|---|---|
| Элементарный кремний | Si, обычно очищаемый человеком. | Серебристо-серые куски, пластины или технические фрагменты с металлическим блеском. | Производится из кремнезёма и углерода, затем очищается для промышленного или электронного использования. |
| Макрокристаллический кварц. | Кристаллический SiO.2 | Прозрачные, белые, фиолетовые, жёлтые, дымчатые, розовые или включённые кристаллы и жеоды. | Гидротермальные жилы, пегматиты, полости, вузы и метаморфические породы. |
| Халцедон и агат. | Микрокристаллический до криптокристаллического кремнезём. | Восковидные, полосатые, полупрозрачные или непрозрачные массы; включает агат, яшму, кремень и кремень. | Флюидное отложение, диагенетическая замена, заполнение полостей и системы грунтовых вод, богатых кремнезёмом. |
| Опал | Гидратированная аморфная кремнезём. | Обычный опал, драгоценный опал, огненный опал и опализированный материал. | Низкотемпературное осаждение кремнезёма в трещинах, осадках, вулканических породах или выветрившихся профилях. |
| Карбид кремния | SiC, известный как природный моиссанит или синтетический карборунд | Гранёный моиссанит, радужные синтетические кластеры, абразивные зерна или технические пластины. | Природный моиссанит редок; большая часть видимого SiC выращена в лаборатории или печи. |
Аметист
Фиолетовый кварц, окрашенный центрами цвета, связанными с железом, и облучением. Часто встречается в жеодах и гидротермальных полостях.
Цитрин
Жёлтый до медового кварц. Некоторые цитрины природные; большая часть коммерческого материала — термически обработанный аметист или дымчатый кварц.
Дымчатый кварц
Серый до коричневого кварц, окрашенный естественной радиацией, взаимодействующей с дефектами, связанными с алюминием.
Розовый кварц
Розовый кварц, цвет которого может быть связан с примесями, дефектами или тонкими волокнистыми включениями в зависимости от типа материала.
Агат
Полосчатый халцедон, отложенный в повторяющихся кремнезёмных импульсах, часто в вулканических полостях или осадочных узлах.
Джаспер
Непрозрачный, загрязнённый халцедон, окрашенный оксидами железа, глиной, органическими веществами или другими включениями.
Кремень и кремнистый сланец
Плотные микрокристаллические кремнезёмные породы, часто с конхоидальным изломом, сохраняющие осадочные или биогенные истории кремнезёма.
Драгоценный опал
Гидратированный кремнезём с упорядоченными микроскопическими сферами, которые преломляют свет, создавая игру цвета при достаточно регулярной структуре.
Терминология, документация и осведомлённость об обработке
Чёткая терминология предотвращает путаницу. «Кремний» должен означать элемент Si. «Кремнезём» относится к SiO2«Силикат» относится к более широкой группе минералов, построенных вокруг кремний-кислородных тетраэдров. «Силикон» — это семейство полимеров и не является минералом.
- Для элементарного кремния: описывайте его как рафинированный кремний, кремниевый металл, поликристаллический кремний или монокристаллический кремний, если это известно.
- Для разновидностей кварца: используйте признанные названия минералов и различайте природный цвет от термически обработанного или облучённого материала, если это известно.
- Для агата и халцедона: указывайте окрашивание, стабилизацию, заполнение трещин или другие обработки, если они известны или подозреваются.
- Для опала: различайте цельный опал, даблет, триплет, обычный опал, драгоценный опал и обработанный или стабилизированный материал.
- Для коэсита или стишовита: ожидается аналитическая документация. Это не обычные минералы для демонстрации кремнезёма.
Уход и обращение
Материалы, содержащие кремний, сильно различаются по прочности. Кварц твёрдый и стабильный; опал может быть чувствителен к теплу, сухости и химикатам; треснувший кремний может порезать кожу; вдыхание кремниевой пыли представляет серьёзную опасность.
Кварц и халцедон
В целом прочный, но избегайте ненужного воздействия химикатов. Пористые или окрашенные изделия следует беречь от агрессивных чистящих средств и замачивания.
Опал
Избегайте теплового шока, длительного прямого солнечного света, агрессивных химикатов, ультразвуковой очистки и резкого высыхания. Для двойников и тройников требуется дополнительная осторожность с влажностью.
Элементарный кремний
Обращайтесь с разбитыми кусками как с острым техническим материалом. Не измельчайте, не пилите, не сверлите и не шлифуйте кремний без соответствующих мер контроля.
Пыль кремнезёма
Не режьте, не шлифуйте и не полируйте породы, богатые кремнезёмом, без соответствующих профессиональных мер контроля пыли. Проблема не в выставочном объекте, а в вдыхаемой пыли.
Часто задаваемые вопросы
Встречается ли кремний в природе в виде кристаллов?
Видимые природные кристаллы элементарного кремния крайне редки. В обычных геологических условиях кремний встречается в виде минералов кремнезёма и силикатов. Серебристо-серые куски элементарного кремния, обычно видимые в учебных или выставочных образцах, — это очищенный промышленный материал.
В чём разница между кремнием, кремнезёмом, силикатом и силиконом?
Кремний — это элемент Si. Кремнезём — диоксид кремния, SiO2. Силикаты — это минералы, построенные из тетраэдров кремний-кислород, соединённых с другими элементами. Силикон — это синтетический полимер, а не минерал или порода.
Как образуются агаты и геоды?
Агаты образуются, когда кремнезёмсодержащие жидкости откладывают халцедон слоями, часто внутри полостей в вулканических породах или узлах в осадочных условиях. Геоды формируются, когда полости выстилаются кристаллами, обычно кварцем, после циркуляции минералосодержащих жидкостей.
Является ли моиссанит формой кремния?
Моиссанит — это карбид кремния, SiC, а не элементарный кремний и не кремнезём. Натуральный моиссанит редок, в то время как большинство огранённых драгоценных моиссанитов и карборунда выращены в лабораториях или печах.
Почему существует так много разновидностей кварца?
Кварц имеет одну основную химию — SiO2, но цвет и текстура меняются в зависимости от примесных элементов, облучения, включений, условий роста, нагрева, истории жидкости и постростовых изменений.
Являются ли коэсит и стишовит коллекционными минералами кремнезёма?
Они имеют научное значение, но не являются обычными кабинетными минералами. Коэсит и стишовит обычно встречаются в специализированных условиях высокого давления или ударных воздействий и требуют аналитического подтверждения.