Как используют кремний в строительстве

КРЕМНИЙ, Si (silicium), химический элемент IVA подгруппы (C, Si, Ge, Sn и Pb) периодической системы элементов, неметалл.

Кремний в свободном виде был выделен в 1811 Ж.Гей-Люссаком и Л.Тенаром при пропускании паров фторида кремния над металлическим калием, однако он не был описан ими как элемент. Шведский химик Й.Берцелиус в 1823 дал описание кремния, полученного им при обработке калиевой соли K2SiF6 металлическим калием при высокой температуре, однако лишь в 1854 кремний был получен в кристаллической форме А.Девилем.

Кремний – второй по распространенности (после кислорода) элемент в земной коре, где он составляет более 25% (масс.). Встречается в природе в основном в виде песка, или кремнезема, который представляет собой диоксид кремния, и в виде силикатов (полевые шпаты M[AlSi3O8] (M = Na, K, Ba), каолинит Al4[Si4O10](OH)8, слюды).

Кремний можно получить прокаливанием измельченного песка с алюминием или магнием; в последнем случае его отделяют от образующегося MgO растворением оксида магния в соляной кислоте. Технический кремний получают в больших количествах в электрических печах путем восстановления кремнезема углем или коксом. Полупроводниковый кремний получают восстановлением SiCl4 или SiHCl3 водородом с последующим разложением образующегося SiH4 при 400–600 ° С. Высокочистый кремний получают выращиванием монокристалла из расплава полупроводникового кремния по методу Чохральского или методом бестигельной зонной плавки кремниевых стержней (см. также ЗОННАЯ ПЛАВКА). Элементный кремний получают в основном для полупроводниковой техники, в остальных случаях он используется как легирующая добавка в производстве сталей и сплавов цветных металлов (например, для получения ферросилиция FeSi, который образуется при прокаливании смеси песка, кокса и оксида железа в электрической печи и применяется как раскислитель и легирующая добавка в производстве сталей и как восстановитель в производстве ферросплавов).

Кремний. Химия – просто

Применение.

Наибольшее применение кремний находит в производстве сплавов для придания прочности алюминию, меди и магнию и для получения ферросилицидов, имеющих важное значение в производстве сталей и полупроводниковой техники. Кристаллы кремния применяют в солнечных батареях и полупроводниковых устройствах – транзисторах и диодах. Кремний служит также сырьем для производства кремнийорганических соединений, или силоксанов, получаемых в виде масел, смазок, пластмасс и синтетических каучуков. Неорганические соединения кремния используют в технологии керамики и стекла, как изоляционный материал и пьезокристаллы. См. также КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРЫ.

СВОЙСТВА КРЕМНИЯ

Свойства.

Кремний – темносерое, блестящее кристаллическое вещество, хрупкое и очень твердое, кристаллизуется в решетке алмаза. Это типичный полупроводник (проводит электричество лучше, чем изолятор типа каучука, и хуже проводника – меди). При высокой температуре кремний весьма реакционноспособен и взаимодействует с большинством элементов, образуя силициды, например силицид магния Mg2Si, и другие соединения, например SiO2 (диоксид кремния), SiF4 (тетрафторид кремния) и SiC (карбид кремния, карборунд). Кремний растворяется в горячем растворе щелочи с выделением водорода: Si + NaOH ® Na4SiO4 + 2H2 ­ .4 (тетрахлорид кремния) получают из SiO2 и CCl4 при высокой температуре; это бесцветная жидкость, кипящая при 58 ° С, легко гидролизуется, образуя хлороводородную (соляную) кислоту HCl и ортокремниевую кислоту H4SiO4 (это свойство используют для создания дымовых надписей: выделяющаяся HCl в присутствии аммиака образует белое облако хлорида аммония NH4Cl). Тетрафторид кремния SiF4 образуется при действии фтороводородной (плавиковой) кислоты на стекло:

SiF4 гидролизуется, образуя ортокремниевую и гексафторокремниевую (H2SiF6) кислоты. H2SiF6 по силе близка к серной кислоте. Многие фторосиликаты металлов растворимы в воде (соли натрия, бария, калия, рубидия, цезия малорастворимы), поэтому HF используют для перевода минералов в раствор при выполнении анализов. Сама кислота H2SiF6 и ее соли ядовиты.

Диоксид кремния (кремниевый ангидрид).

Природный диоксид кремния встречается преимущественно в форме кварца, хотя существуют и другие минералы – кристобалит, тридимит, китит, коусит. Кристаллический диоксид кремния широко распространен в природе в виде прозрачных бесцветных или окрашенных монокристаллов (горный хрусталь, аметист, дымчатый кварц, тридимит, кварцит, розовый кварц, агат, яшма, сердолик, кремень, опал и халцедон) и в форме обломочных пород (морской песок, гравий, галька, песчаник и конгломерат).

Окраска аметиста объясняется примесями Mn и Fe, а дымчатого кварца – органическими включениями. Опал и кремень являются слабогидратированными формами SiO2. Аморфный кремнезем встречается в диатомовых отложениях на дне морей и океанов (трепел, кизельгур); эти отложения образовались из SiO2, входившего в состав диатомовых водорослей и некоторых инфузорий.

Диатомитовая земля и трепел обнаружены в Калифорнии, Орегоне и в разных частях Европы. Ежегодно добывается до 2 млн. т SiO2 для производства абразивов, теплоизоляции, фильтрующих сред, наполнителя полимеров, красок и композиций. См. также КВАРЦ.

Кремниевые кислоты.

Две оксокислоты кремния H4SiO4 (ортокремниевая) и H2SiO3 (метакремниевая, или кремниевая) существуют только в растворе и необратимо превращаются в SiO2, если выпарить воду. Другие кремниевые кислоты получаются за счет различного количества воды в их составе: H6Si2O7 (пирокремниевая кислота из двух молекул ортокремниевой кислоты), H2Si2O5 и H4Si3O8 (ди- и трикремниевая кислоты из двух и соответственно трех молекул метакремниевой кислоты). Все кислоты кремния слабые. При добавлении в раствор силиката серной кислоты образуется гель (желатинообразное вещество), при нагревании и высушивании которого остается твердый пористый продукт – силикагель, имеющий развитую поверхность и используемый как адсорбент газов, осушитель, катализатор и носитель катализаторов.

Силикаты (соли кремниевых кислот).

В тетраэдрической структуре природных силикатов атом кремния окружен четырьмя атомами кислорода; ион щелочного или щелочноземельного металла, слишком малый по сравнению с кислородными атомами, размещается в пространстве между тетраэдрами. Иногда тетраэдры выстраиваются в протяженные цепи (например, асбест), иногда образуется слоистая структура (слюда), в других случаях формируется кольцевая структура (например, берилл).

К природным силикатам относятся полевые шпаты, слюды, глины, асбест и др. Силикаты входят в состав горных пород: гранита, гнейса, базальта, различных сланцев и т.д. Многие драгоценные камни (изумруд, топаз, аквамарин и др.) – это прозрачные кристаллы силикатов. Силикаты в большинстве своем (кроме силикатов натрия и калия) нерастворимы в воде. Силикаты натрия и калия внешне напоминают стекло, поэтому их называют растворимым стеклом.

Жидкое стекло

– это водный раствор силиката натрия или калия. Силикат натрия получается сплавлением кварцевого песка со щелочью (NaOH) или содой (Na2CO3) или кипячением смеси кварца с NaOH под давлением. Коммерческий продукт содержит Na2SiO3 с непостоянной примесью SiO2. Растворимое стекло широко используется как наполнитель в мылах.

Некоторые моющие средства тоже содержат силикат натрия. Жидкое стекло используют для придания влаго- и огнестойкости деревянным строениям, в технологии кислото- и огнеупорного цемента и бетона, керосинонепроницаемых штукатурок по бетону, для пропитывания тканей, для приготовления огнезащитных красок по дереву, для химического укрепления слабых грунтов.

Гидриды.

Подобно углероду кремний образует ковалентные связи Si–Si и Si–H. Соединения, в которых атомы кремния соединены одинарной связью, называются силанами, а если атомы кремния соединены двойной связью, –силенами. Подобно углеводородам эти соединения образуют цепи и кольца.

SiH4 называется моносилан, Si2H6 – дисилан, Si3H8 – трисилан, Si4H10 – тетрасилан и т.д. Соединения, в которых атомы кремния соединены через атом кислорода, называются силоксанами, а через атомы серы – силазанами. Силаны и силены могут образовывать связь с углеводородными радикалами и галогенами, например, метилдихлорсилан CH3SiHCl2. Все силаны могут самовозгораться, образуют взрывчатые смеси с воздухом и легко реагируют с водой.
См. также КЕРАМИКА ПРОМЫШЛЕННАЯ; ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ; СТЕКЛО; ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ.

Андрианов К.А. Методы элементоорганической химии. Кремний. М., 1968
Воронков М.Г. и др. Кремний и жизнь. Рига, 1978
Самсонов Г.В. и др. Силициды. М., 1979
Айлер Р. Химия кремнезема. М., 1982

Источник: www.krugosvet.ru

Кремний: характеристики, особенности и области применения

Как самостоятельный химический элемент кремний стал известен человечеству всего лишь в 1825 году. Что, конечно, не мешало применять соединения кремния в таком количестве сфер, что проще перечислить те, где элемент не используется. Данная статья прольет свет на физические, механические и полезные химические свойства кремния и его соединений, области применения, также мы расскажем о том, как влияет кремний на свойства стали и иных металлов.

Что такое кремний

Для начала давайте остановимся на общей характеристике кремния. От 27,6 до 29,5% массы земной коры составляет кремний. В морской воде концентрация элемента тоже изрядная – до 3 мг/л.

По распространенности в литосфере кремний занимает второе почетное место после кислорода. Однако наиболее известная его форма – кремнезем, является диоксидом, и именно его свойства и стали основой для столь широкого применения.

О том, что такое кремний, расскажет этот видеосюжет:

Понятие и особенности

Кремний – неметалл, однако при разных условиях может проявлять и кислотные, и основные свойства. Является типичным полупроводником и чрезвычайно широко используется в электротехнике. Физические и химические его свойства во многом определяются аллотропным состоянием. Чаще всего дело имеют с кристаллической формой, поскольку ее качества более востребованы в народном хозяйстве.

• Кремний – один из базовых макроэлементов в человеческом теле. Его нехватка губительно сказывается на состоянии костной ткани, волос, кожи, ногтей. Кроме того, кремний оказывает влияние на работоспособность иммунной системы.
• В медицине элемент, вернее говоря, его соединения нашли свое первое применение именно в этом качестве. Вода из колодцев, выложенных кремнием, отличались не только чистотой, но и положительно сказывалась на стойкости к инфекционным болезням. Сегодня соединение с кремнием служат основой для препаратов против туберкулеза, атеросклероза, артрита.
• В целом неметалл малоактивен, однако и в чистом виде встретить его сложно. Связано это с тем, что на воздухе он быстро пассивируется слоем диоксида и перестает реагировать. При нагревании химическая активность увеличивается. В результате человечество гораздо ближе знакомо с соединениями вещества, а не с ним самим.

Так, кремний образует сплавы практически со всеми металлами – силициды. Все они отличаются тугоплавкостью и твердостью и применяются на соответствующих участках: газовые турбины, нагреватели печей.

Размещается неметалл в таблице Д. И. Менделеева в 6 группе вместе с углеродом, германием, оловом, что указывает на определенную общность с этими веществами. Так, с углеродом его «роднит» способность к образованию соединений по типу органических. При этом кремний, как и германий может проявить свойства металла в некоторых химических реакциях, что используется в синтезе.

Плюсы и минусы

Как и всякое другое вещество с точки зрения применения в народном хозяйстве, кремний обладает определенными полезными или не слишком качествами. Важны они именно для определения области использования.

• Немалым достоинством вещества является его доступность. В природе он, правда, находится не в свободном виде, но все же, технология получения кремния не так уж и сложна, хотя и энергозатратна.
• Второе важнейшее достоинство – образование множества соединений с необыкновенно полезными свойствами. Это и силаны, и силициды, и диоксид, и, конечно, разнообразнейшие силикаты. Способность кремния и его соединений образовывать сложные твердые растворы практически бесконечна, что позволяет бесконечно же получать самые разные вариации стекла, камня и керамики.
• Полупроводниковые свойства неметалла обеспечивает ему место базового материала в электро- и радиотехнике.
• Неметалл является нетоксичным, что допускает применение в любой отрасли промышленности, и при этом не превращает технологический процесс в потенциально опасный.

К недостаткам материала можно отнести лишь относительную хрупкость при хорошей твердости. Кремний не используется для несущих конструкций, но зато это сочетание позволяет обрабатывать должным образом поверхность кристаллов, что важно для приборостроения.

Давайте теперь поговорим про основные свойства кремния.

Свойства и характеристики

Поскольку в промышленности чаще всего эксплуатируется кристаллический кремний, то именно его свойства и являются более важными, и именно они и приводятся в технических характеристиках. Физические свойства вещества таковы:

• температура плавления – 1417 С;
• температура кипения – 2600 С;
• плотность составляет 2,33 г/куб. см, что свидетельствует о хрупкости;
• теплоемкость, как и теплопроводность не постоянны даже на самых чистых пробах: 800 Дж/(кг·К), или 0,191 кал/(г·град) и 84-126 вт/(м·К), или 0,20-0,30 кал/(см·сек·град) соответственно;
• прозрачен для длинноволнового ИК-излучения, что используется в инфракрасной оптике;
• диэлектрическая проницаемость – 1,17;
• твердость по шкале Мооса – 7.

Электрические свойства неметалла сильно зависят от примесей. В промышленности эту особенность используют, модулируя нужный тип полупроводника. При нормальной температуре кремний хрупок, но при нагревании выше 800 С возможна пластическая деформация.

Свойства аморфного кремния разительно отличаются: он сильно гигроскопичен, намного активнее вступает в реакцию даже при нормальной температуре.

Структура и химический состав, а также свойства кремния рассмотрены в видеоролике ниже:

Состав и структура

Кремний существует в двух аллотропных формах, одинаково устойчивых при нормальной температуре.

• Кристаллический имеет вид темно-серого порошка. Вещество, хотя и имеет алмазоподобную кристаллическую решетку, является хрупким – из-за чересчур длинной связи между атомами. Интерес представляют его свойства полупроводника.
• При очень высоких давлениях можно получить гексагональную модификацию с плотностью 2,55 г/куб. см. Однако эта фаза практического значения пока не нашла.
• Аморфный – буро-коричневый порошок. В отличие от кристаллической формы намного активнее вступает в реакцию. Связано это не столько с инертностью первой формы, сколько с тем, что на воздухе вещество покрывается слоем диоксида.

Кроме того, необходимо учитывать и еще один тип классификации, связанный с величиной кристалла кремния, которые в совокупности образуют вещество. Кристаллическая решетка, как известно, предполагают упорядоченность не только атомов, но и структур, которые эти атомы образуют – так называемый дальний порядок. Чем он больше, тем более однородным по свойствам будет вещество.

• Монокристаллический – образец представляет собой один кристалл. Структура его максимально упорядочена, свойства однородны и хорошо предсказуемы. Именно такой материал наиболее востребован в электротехнике. Однако он же относится к самому дорогому виду, поскольку процесс его получения сложен, а скорость роста низка.
• Мультикристаллический – образец составляет некоторое количество крупных кристаллических зерен. Границы между ними формируют дополнительные дефектные уровни, что снижает производительность образца, как полупроводника и приводит к более быстрому износу. Технология выращивания мультикристалла проще, потому и материал дешевле.
• Поликристаллический – состоит из большого количества зерен, расположенных хаотически относительно друг друга. Это наиболее чистая разновидность промышленного кремния, применяется в микроэлектронике и солнечной энергетике. Довольно часто используется в качестве сырья для выращивания мульти- и монокристаллов.
• Аморфный кремний и в этой классификации занимает отдельную позицию. Здесь порядок расположения атомов удерживается только на самых коротких дистанциях. Однако в электротехнике он все же используется в виде тонких пленок.

Далее мы расскажем вам про сырье для производства кремния, вредность добычи, технологию его изготовления в мировых масштабах и в России.

Производство неметалла

Получить чистый кремний не так уж и просто, учитывая инертность его соединений и высокую температуру плавления большинства из них. В промышленности чаще всего прибегают к восстановлению углеродом из диоксида. Проводят реакцию в дуговых печах при температуре 1800 С. Таким образом получают неметалл чистотой в 99,9%, что для его применения недостаточно.

Полученный материал хлорируют с тем, чтобы получить хлориды и гидрохлориды. Затем соединения очищают всеми возможными методами от примесей и восстанавливают водородом.

Очистить вещество можно и за счет получения силицида магния. Силицид подвергают действию соляной или уксусной кислоты. Получают силан, а последний очищают различными способами – сорбционным, ректификацией и так далее. Затем силан разлагают на водород и кремний при температуре в 1000 С. В этом случае получают вещество с долей примеси 10 -8 –10 -6 %.

Применение вещества

Для промышленности наибольший интерес представляют электрофизические характеристики неметалла. Его монокристаллическая форма является непрямозонным полупроводником. Свойства его определяются примесями, что позволяет получать кристаллы кремния с заданными свойствами. Так, добавка бора, алюминия, индия дает возможность вырастить кристалл с дырочной проводимостью, а введение фосфора или мышьяка – кристалл с электронной проводимостью.

• Кремний в буквальном смысле слова служит основой современной электротехники. Из него изготавливают транзисторы, фотоэлементы, интегральные схемы, диоды и так далее. Причем функциональность прибора определяет практически всегда только приповерхностный слой кристалла, что обуславливает весьма специфические требования именно к обработке поверхности.
• В металлургии технический кремний применяют и как модификатор сплавов – придает большую прочность, и как компонент – в бронзах, например, и как раскислитель – при производстве чугуна.
• Сверхчистый и очищенный металлургический составляют основу солнечной энергетики.
• Диоксид неметалла встречается в природе в очень разных формах. Его кристаллические разновидности – опал, агат, сердолик, аметист, горный хрусталь, нашли свое место в ювелирном деле. Не столь привлекательные внешне модификации – кремень, песок, кварц, используются и в металлургии, и в строительстве, и в радиоэлектротехнике.
• Соединение неметалла с углеродом – карбид, применяется и в металлургии, и в приборостроении, и в химической промышленности. Он является широкозональным полупроводником, отличается высокой твердостью – 7 по шкале Мооса, и прочностью, что и позволяет применять его в качестве абразивного материала.
• Силикаты – то есть, соли кремниевой кислоты. Неустойчивы, легко разлагаются под действием температуры. Примечательность их в том, что они образуют многочисленные и разнообразные соли. А вот последние являются основой при производстве стекла, керамики, фаянса, хрусталя, цемента и бетона. Можно смело сказать, что современное строительство зиждется на разнообразных силикатах.
• Стекло представляет здесь наиболее интересный случай. Основой его служат алюмосиликаты, но ничтожные примеси других веществ – обычно оксидов, придают материалу массу разных свойств, в том числе и цвет. Керамика – клинкер, фаянс, фарфор, по сути, имеет ту же формулу, хотя и с другим соотношением компонентов, и ее разнообразие тоже поразительно.
• Неметалл обладает еще одной способностью: образует соединения по типу углеродных, в виде длинной цепочки из атомов кремния. Такие соединения носят название кремнийорганических. Сфера их применения не менее известна – это силиконы, герметики, смазки и так далее.

Кремний – очень распространенный элемент и имеет необыкновенно большое значение в очень многих сферах народного хозяйства. Причем активно используется не только само вещество, но все его разнообразные и многочисленные соединения.

Источник: stroyres.net

Кремний

Процессор? Песок? А какие у вас с этим словом ассоциации? А может Кремниевая долина?
Как бы там ни было, с кремнием мы сталкиваемся каждый день и если вам интересно узнать что такое Si и с чем его едят, прошу под кат.

Введение

Будучи студентом одного из московских вузов с специальностью «Наноматериалы», я хотел познакомить тебя, дорогой читатель, с самыми важными химическими элементами нашей планеты. Я долго выбирал с чего начать, углерод или кремний, и все таки решил остановиться именно на Si, потому что сердце любого современного гаджета основано именно на нем, если можно так выразиться конечно. Излагать мысли постараюсь предельно просто и доступно, написав этот материал я рассчитывал, в основном на новичков, но и более продвинутые люди смогут почерпнуть что-то интересное, так же хотелось бы сказать, что статья написана исключительно для расширения кругозора заинтересовавшихся. Итак, приступим.

Silicium

Кремний (лат. Silicium), Si, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; атомный номер 14, атомная масса 28,086.
В природе элемент представлен тремя стабильными изотопами: 28Si (92,27%), 29Si (4,68%) и 30Si (3,05%).
Плотность (при н.у.) 2,33 г/см³
Температура плавления 1688 K

Порошковый Si

Историческая справка

Соединения Кремния, широко распространенные на земле, были известны человеку с каменного века. Использование каменных орудий для труда и охоты продолжалось несколько тысячелетий. Применение соединений Кремния, связанное с их переработкой, — изготовление стекла — началось около 3000 лет до н. э. (в Древнем Египте). Раньше других известное соединение Кремния — оксид SiO2 (кремнезем).

В 18 веке кремнезем считали простым телом и относили к «землям» (что и отражено в его названии). Сложность состава кремнезема установил И. Я. Берцелиус. Он же впервые, в 1825, получил элементарный Кремний из фтористого кремния SiF4, восстанавливая последний металлическим калием. Новому элементу было дано название «силиций» (от лат. silex — кремень). Русское название ввел Г. И. Гесс в 1834.

Кремний очень распространен в природе в составе обыкновенного песка

Распространение Кремния в природе

Физические свойства Кремния

Думаю тут останавливаться особо не стоит, все физические свойства имеются в свободном доступе, а я же перечислю самые основные.
Температура кипения 2600 °С
Кремний прозрачен для длинноволновых ИК-лучей
Диэлектрическая проницаемость 11,7
Твердость Кремния по Моосу 7,0
Хотелось бы сказать, что кремний хрупкий материал, заметная пластическая деформация начинается при температуре выше 800°С.
Кремний — полупроводник, именно поэтому он находит большое применение. Электрические свойства кремния очень сильно зависят от примесей.

Химические свойства Кремния

Тут много конечно можно сказать, но остановлюсь на самом интересном. В соединениях Si (аналогично углероду) 4-валентен.
На воздухе кремний благодаря образованию защитной оксидной пленки устойчив даже при повышенных температурах. В кислороде окисляется начиная с 400 °С, образуя оксид кремния (IV) SiO2.
Кремний устойчив к кислотам и растворяется только в смеси азотной и фтористоводородной кислот, легко растворяется в горячих растворах щелочей с выделением водорода.
Кремний образует 2 группы кислородсодержащих силанов — силоксаны и силоксены. С азотом Кремний реагирует при температуре выше 1000 °С, Важное практическое значение имеет нитрид Si3N4, не окисляющийся на воздухе даже при 1200 °С, стойкий по отношению к кислотам (кроме азотной) и щелочам, а также к расплавленным металлам и шлакам, что делает его ценным материалом для химической промышленности, а так же для производства огнеупоров. Высокой твердостью, а также термической и химической стойкостью отличаются соединения Кремния с углеродом (карбид кремния SiC) и с бором (SiB3, SiB6, SiB12).

Получение Кремния

Кремний технической чистоты (95-98%) получают в электрической дуге восстановлением кремнезема SiO2 между графитовыми электродами. В связи с развитием полупроводниковой техники разработаны методы получения чистого и особо чистого кремния. Это требует предварительного синтеза чистейших исходных соединений кремния, из которых кремний извлекают путем восстановления или термического разложения.
Поликристаллический кремний («поликремний») — наиболее чистая форма промышленно производимого кремния — полуфабрикат, получаемый очисткой технического кремния хлоридными и фторидными методами и используемый для производства моно- и мультикристаллического кремния.
Традиционно поликристаллический кремний получают из технического кремния путём перевода его в летучие силаны (моносилан, хлорсиланы, фторсиланы) с последующими разделением образующихся силанов, ректификационной очисткой выбранного силана и восстановлением силана до металлического кремния.
Чистый полупроводниковый кремний получают в двух видах: поликристаллический (восстановлением SiCl4 или SiHCl3 цинком или водородом, термическим разложением SiI4 и SiH4) и монокристаллический (бестигельной зонной плавкой и «вытягиванием» монокристалла из расплавленного кремния — метод Чохральского).

Тут можно увидеть процесс выращивания кремния, методом Чохральского.

Метод Чохральского — метод выращивания кристаллов путём вытягивания их вверх от свободной поверхности большого объёма расплава с инициацией начала кристаллизации путём приведения затравочного кристалла (или нескольких кристаллов) заданной структуры и кристаллографической ориентации в контакт со свободной поверхностью расплава.

Применение Кремния

Специально легированный кремний широко применяется как материал для изготовления полупроводниковых приборов (транзисторы, термисторы, силовые выпрямители тока, тиристоры; солнечные фотоэлементы, используемые в космических кораблях, а так же много всякой всячины).
Поскольку кремний прозрачен для лучей с длиной волны от 1 до 9 мкм, его применяют в инфракрасной оптике.
Кремний имеет разнообразные и все расширяющиеся области применения. В металлургии Si
используется для удаления растворенного в расплавленных металлах кислорода (раскисления).
Кремний является составной частью большого числа сплавов железа и цветных металлов.
Обычно Кремний придает сплавам повышенную устойчивость к коррозии, улучшает их литейные свойства и повышает механическую прочность; однако при большем его содержании Кремний может вызвать хрупкость.
Наибольшее значение имеют железные, медные и алюминиевые сплавы, содержащие кремний.
Кремнезем перерабатываются стекольной, цементной, керамической, электротехнической и другими отраслями промышленности.
Сверхчистый кремний преимущественно используется для производства одиночных электронных приборов (например процессор твоего компьютера) и однокристальных микросхем.
Чистый кремний, отходы сверхчистого кремния, очищенный металлургический кремний в виде кристаллического кремния являются основным сырьевым материалом для солнечной энергетики.
Монокристаллический кремний — помимо электроники и солнечной энергетики используется для изготовления зеркал газовых лазеров.

Сверхчистый кремний и продукт его производства

Кремний в организме

Заключение

Ну вот и все, если вы дочитали до конца и немного вникли, то вы на шаг ближе к успеху. Надеюсь писал я не зря и пост понравился хоть кому-то. Спасибо за внимание.

Источник: habr.com

Кремний: применение, химические и физические свойства

Один из самых распространенных в природе элементов — это silicium, или кремний. Такое широкое расселение говорит о важности и значимости данного вещества. Это быстро поняли и усвоили люди, которые научились правильно использовать в своих целях кремний. Применение его основано на особых свойствах, о которых и поговорим дальше.

Кремний — химический элемент

Если давать характеристику данного элемента по положению в периодической системе, то можно обозначить следующие важные пункты:

1. Порядковый номер — 14.
2. Период — третий малый.
3. Группа — IV.
4. Подгруппа — главная.
5. Строение внешней электронной оболочки выражается формулой 3s 2 3p 2 .
6. Элемент кремний обозначается химическим символом Si, который произносится как «силициум».
7. Степени окисления, которые он проявляет: -4; +2; +4.
8. Валентность атома равна IV.
9. Атомная масса кремния равна 28,086.
10. В природе существует три устойчивых изотопа данного элемента с массовыми числами 28, 29 и 30.

Таким образом, атом кремния с химической точки зрения — достаточно изученный элемент, описано множество различных его свойств.

История открытия

Так как в природе очень популярны и массовы по содержанию именно различные соединения рассматриваемого элемента, издревле люди использовали и знали о свойствах именно многих из них. Чистый же кремний долгое время оставался за гранью познаний человека в химии.

Наиболее популярными соединениями, которыми пользовались в быту и промышленности народы древних культур (египтяне, римляне, китайцы, русичи, персы и прочие), были драгоценные и поделочные камни на основе оксида кремния. К ним относятся:

• опал;
• горный хрусталь;
• топаз;
• хризопраз;
• оникс;
• халцедон и другие.

Также издревле принято использовать кварц и кварцевый песок в строительном деле. Однако сам элементарный кремний оставался нераскрытым вплоть до XIX века, хотя многие ученые тщетно пытались выделить его из разных соединений, используя для этого и катализаторы, и высокие температуры, и даже электрический ток. Это такие светлые умы, как:

• Карл Шееле;
• Гей-Люссак;
• Тенар;
• Гемфри Дэви;
• Антуан Лавуазье.

Осуществить удачно получение кремния в чистом виде удалось Йенсу Якобсу Берцелиусу в 1823 году. Для этого он проводил опыт по сплавлению паров фтористого кремния и металлического калия. В результате получил аморфную модификацию рассматриваемого элемента. Этим же ученым было предложено латинское название открытому атому.

Еще несколько позже, в 1855 году, другой ученый — Сент Клер-Девилль — сумел синтезировать другую аллотропную разновидность — кристаллический кремний. С тех пор знания о данном элементе и его свойствах стали очень быстро пополняться. Люди поняли, что он обладает уникальными особенностями, которые можно очень грамотно использовать для удовлетворения собственных нужд. Поэтому сегодня один из самых востребованных элементов в электронике и технике — это кремний. Применение его лишь расширяет свои границы с каждым годом.

Русское название атому дал ученый Гесс в 1831 году. Именно оно и закрепилось до сегодняшнего дня.

Содержание в природе

По распространенности в природе кремний занимает второе место после кислорода. Его процентное соотношение в сравнении с другими атомами в составе земной коры — 29,5%. Кроме того, углерод и кремний — это два особых элемента, способных формировать цепи, соединяясь друг с другом. Именно поэтому для последнего известно более 400 различных природных минералов, в составе которых он и содержится в литосфере, гидросфере и биомассе.

Где конкретно содержится кремний?

1. В глубоких слоях почвы.
2. В горных породах, залежах и массивах.
3. На дне водоемов, особенно морей и океанов.
4. В растениях и морских обитателях царства животных.
5. В организме человека и наземных животных.

• полевые шпаты;
• слюды;
• амфиболы;
• опалы;
• халцедоны;
• силикаты;
• песчаники;
• алюмосиликаты;
• глины и прочие.

Накапливаясь в панцирях и наружных скелетах морских животных, кремний со временем формирует мощные залежи кремнезема на дне водоемов. Это один из природных источников данного элемента.

Кроме того, было установлено, что силициум может существовать в чистом самородном виде — в виде кристаллов. Но подобные месторождения очень редки.

Физические свойства кремния

Если давать характеристику рассматриваемого элемента по набору физико-химических свойств, то в первую очередь следует обозначить именно физические параметры. Вот несколько основных:

1. Существует в виде двух аллотропных модификаций — аморфный и кристаллический, которые отличаются по всем свойствам.
2. Кристаллическая решетка очень схожа с таковой у алмаза, ведь углерод и кремний в этом отношении практически одинаковы. Однако расстояние между атомами разное (у кремния больше), поэтому алмаз гораздо тверже и прочнее. Тип решетки — кубическая гранецентрированная.
3. Вещество очень хрупкое, при высоких температурах становится пластичным.
4. Температура плавления равна 1415˚С.
5. Температура кипения — 3250˚С.
6. Плотность вещества — 2,33 г/см 3 .
7. Цвет соединения — серебристо-серый, выражен характерный металлический блеск.
8. Обладает хорошими полупроводниковыми свойствами, которые способны варьировать при добавлении тех или иных агентов.
9. Не растворяется в воде, органических растворителях и кислотах.
10. Специфически растворим в щелочах.

Обозначенные физические свойства кремния позволяют людям управлять им и применять для создания различных изделий. Так, например, на свойствах полупроводимости основано использование чистого кремния в электронике.

Химические свойства

Химические свойства кремния очень сильно зависят от условий проведения реакции. Если говорить о чистом веществе при стандартных параметрах, то нужно обозначить очень низкую активность. Как кристаллический, так и аморфный кремний очень инертны. Не взаимодействуют ни с сильными окислителями (кроме фтора), ни с сильными восстановителями.

Это связано с тем, что на поверхности вещества мгновенно формируется оксидная пленка SiO2, которая препятствует дальнейшим взаимодействиям. Она способна образоваться под влиянием воды, воздуха, паров.

Если же изменить стандартные условия и произвести нагревание кремния до температуры свыше 400˚С, то его химическая активность сильно возрастет. В этом случае он будет вступать в реакции с:

• кислородом;
• всеми видами галогенов;
• водородом.

При дальнейшем повышении температуры возможно образование продуктов при взаимодействии с бором, азотом и углеродом. Особое значение имеет карборунд — SiC, так как он является хорошим абразивным материалом.

Также химические свойства кремния четко прослеживаются при реакциях с металлами. По отношению к ним он окислитель, поэтому продукты носят название силицидов. Известны подобные соединения для:

• щелочных;
• щелочноземельных;
• переходных металлов.

Необычными свойствами обладает соединение, получаемое при сплавлении железа и кремния. Оно носит название ферросилициевой керамики и успешно применяется в промышленности.

Со сложными веществами кремний во взаимодействие не вступает, поэтому из всех их разновидностей способен растворяться лишь в:

• царской водке (смесь азотной и соляной кислот);
• едких щелочах.

При этом температура раствора должна быть не меньше 60˚С. Все это еще раз подтверждает физическую основу вещества — алмазоподобную устойчивую кристаллическую решетку, придающую ему прочность и инертность.

Способы получения

Получение кремния в чистом виде — процесс достаточно затратный экономически. Кроме того, в силу его свойств любой способ дает лишь на 90-99 % чистый продукт, в то время как примеси в виде металлов и углерода остаются все равно. Поэтому просто получить вещество недостаточно. Его следует еще и качественно очистить от посторонних элементов.

В целом же производство кремния осуществляется двумя основными путями:

1. Из белого песка, который представляет собой чистый оксид кремния SiO2. При прокаливании его с активными металлами (чаще всего с магнием) происходит образование свободного элемента в виде аморфной модификации. Чистота такого способа высока, продукт получается с 99,9-процентным выходом.
2. Более широко распространенный способ в промышленных масштабах — это спекание расплава песка с коксом в специализированных термических печах для обжига. Данный способ был разработан русским ученым Бекетовым Н. Н.

Дальнейшая обработка заключается в подвергании продуктов методам очистки. Для этого используются кислоты или галогены (хлор, фтор).

Аморфный кремний

Характеристика кремния будет неполной, если не рассмотреть отдельно каждую его аллотропную модификацию. Первая из них — это аморфная. В таком состоянии рассматриваемое нами вещество представляет собой порошок буро-коричневого цвета, мелкодисперсный. Обладает высокой степенью гигроскопичности, проявляет достаточно высокую химическую активность при нагревании. В стандартных условиях способен взаимодействовать только с сильнейшим окислителем — фтором.

Называть аморфный кремний именно разновидностью кристаллического не совсем правильно. Его решетка показывает, что данное вещество — это лишь форма мелкодисперсного кремния, существующего в виде кристаллов. Поэтому как таковые эти модификации — одно и то же соединение.

Однако свойства их различаются, поэтому и принято говорить об аллотропии. Сам по себе аморфный кремний обладает высокой светопоглотительной способностью. Кроме того, при определенных условиях данный показатель в разы превышает подобный у кристаллической формы. Поэтому его используют в технических целях.

В рассматриваемом виде (порошок) соединение легко наносится на любую поверхность, будь то пластик или стекло. Поэтому так удобен для использования именно аморфный кремний. Применение основано на изготовлении солнечных батарей различных размеров.

Хотя износ батарей подобного типа довольно быстрый, что связано с истиранием тонкой пленки вещества, однако применение и востребованность только растет. Ведь даже за короткий срок службы солнечные батареи на основе аморфного кремния способны обеспечить энергией целые предприятия. К тому же производство подобного вещества безотходное, что делает его очень экономным.

Получают такую модификацию путем восстановления соединений активными металлами, например, натрием или магнием.

Кристаллический кремний

Серебристо-серая блестящая модификация рассматриваемого элемента. Именно такая форма является самой распространенной и наиболее востребованной. Это объясняется набором качественных свойств, которыми обладает данное вещество.

Характеристика кремния с кристаллической решеткой включает в себя классификацию его видов, так как их несколько:

1. Электронного качества — самый чистый и максимально высококачественный. Именно такой вид используется в электронике для создания особо чувствительных приборов.
2. Солнечного качества. Само название определяет область использования. Это также достаточно высокий по чистоте кремний, применение которого необходимо для создания качественных и долго работающих солнечных батарей. Фотоэлектрические преобразователи, созданные на основе именно кристаллической структуры, более качественны и износостойки, нежели те, что созданы с использованием аморфной модификации путем напыления на различного типа подложки.
3. Технический кремний. В данную разновидность включаются те образцы вещества, в которых содержится около 98 % чистого элемента. Все остальное уходит на различного рода примеси:

• бор;
• алюминий;
• хлор;
• углерод;
• фосфор и прочие.

Последняя разновидность рассматриваемого вещества используется с целью получения поликристаллов кремния. Для этого проводятся процессы перекристаллизации. Вследствие этого по чистоте получаются такие продукты, которые можно относить к группам солнечного и электронного качества.

По своей природе поликремний — это промежуточный продукт между аморфной модификацией и кристаллической. С таким вариантом легче работать, он лучше подвергается переработке и очистке фтором и хлором.

Продукты, которые получаются в результате, можно классифицировать так:

• мультикремний;
• монокристаллический;
• профилированные кристаллы;
• кремниевый скрап;
• технический кремний;
• отходы производства в виде осколков и обрезков вещества.

Каждый из них находит применение в промышленности и используется человеком полностью. Поэтому производственные процессы, касающиеся кремния, считаются безотходными. Это значительно снижает его экономическую стоимость, при этом не влияя на качество.

Использование чистого кремния

Производство кремния в промышленности налажено достаточно хорошо, а его масштабы довольно объемны. Это связано с тем, что данный элемент, как чистый, так и в виде различных соединений, широко распространен и востребован в разных отраслях науки и техники.

Где же используется кристаллический и аморфный кремний в чистом виде?

1. В металлургии как легирующая добавка, способная менять свойства металлов и их сплавов. Так, он используется при выплавке стали и чугуна.
2. Разные виды вещества уходят на изготовление более чистого варианта — поликремния.
3. Соединения кремния с органическими веществами — это целая химическая отрасль, которая получила особую популярность сегодня. Кремнийорганические материалы используются в медицине, при изготовлении посуды, инструментов и многого другого.
4. Изготовление различных солнечных батарей. Этот способ получения энергии является одним из самых перспективных в будущем. Экологически чисто, экономически выгодно и износостойко — основные достоинства такого получения электричества.
5. Кремний для зажигалок используется уже очень давно. Еще в древности люди использовали кремень для получения искры при розжиге огня. Этот принцип заложен в основу производства зажигалок различного рода. Сегодня встречаются виды, в которых кремень заменен на сплав определенного состава, дающий еще более быстрый результат (искрение).
6. Электроника и солнечная энергетика.
7. Изготовление зеркалец в газовых лазерных устройствах.

Таким образом, чистый кремний имеет массу преимущественных и особенных свойств, позволяющих использовать его для создания важных и нужных продуктов.

Применение соединений кремния

Помимо простого вещества, используются и различные соединения кремния, причем очень широко. Существует целая отрасль промышленности, которая называется силикатной. Именно она основана на использовании различных веществ, в состав которых входит этот удивительный элемент. Какие это соединения и что из них производят?

1. Кварц, или речной песок — SiO2. Используется для изготовления таких строительных и декоративных материалов, как цемент и стекло. Где используются эти материалы, всем известно. Ни одно строительство не обходится без данных компонентов, что подтверждает значимость соединений кремния.
2. Силикатная керамика, в которую входят такие материалы, как фаянс, фарфор, кирпич и продукты на их основе. Данные компоненты используются в медицине, при изготовлении посуды, декоративных украшений, предметов быта, в строительстве и прочих бытовых областях деятельности человека. — силиконы, силикагели, силиконовые масла.
3. Силикатный клей — используется как канцелярский, в пиротехнике и строительстве.

Кремний, цена на который варьирует на мировом рынке, но не пересекает сверху вниз отметку в 100 рублей РФ за килограмм (за кристаллический), является востребованным и ценным веществом. Естественно, что и соединения этого элемента так же широко распространены и применимы.

Биологическая роль кремния

• 0,002 % — мышечная;
• 0,000017 % — костная;
• кровь — 3,9 мг/л.

Каждый день внутрь должно попадать около одного грамма кремния, иначе начнут развиваться заболевания. Смертельно опасных среди них нет, однако длительное кремниевое голодание приводит к:

• выпадению волос;
• появлению угревой сыпи и прыщей;
• хрупкости и ломкости костей;
• легкой проницаемости капилляров;
• усталости и головным болям;
• появлению многочисленных синяков и кровоподтеков.

Для растений кремний — важный микроэлемент, необходимый для нормального роста и развития. Опыты на животных показали, что лучше растут те особи, которые ежедневно потребляют достаточное количество кремния.

Источник: fb.ru

Как используют кремний в строительстве

• Главная
• КРЕМНИСТЫЕ ПОРОДЫ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИХ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

КРЕМНИСТЫЕ ПОРОДЫ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИХ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Оглавление

ВведениеГлава 1. Геологические условия образования кремнистых пород и их характеристика……………………………………………………………………4

1.2. Классификация и описание опал-кристобалитовых пород………….……5

1.3. Описание кварцевых песков……………………………………………..…..7

Глава 2. Свойства кремнистых пород и области их использование……….….9

2.1. Свойства опал-кристобалитовых по…………………………………….…..9

2.2. Свойства кварцевых песков ………………..………………………………..9

Глава 3.История разработки и эксплуатации Балашейского месторождения кремнистых пород……………………………………………………………….13

3.1. История открытия месторождения формовочных песков…………….…13

3.2. Описание месторожднгия опал-кристобалитовых ……………………. 15

В настоящей работе представлены данные по кремнистым породам, которые могут использоваться в качестве сырья в строительной промышленности. Такое сырье расположено на территории Сызранского района Самарской области и к нему относятся кварцевые пески и опал-кристобалитовые породы Балашейского месторождения.Исследование и изучение истории их образования и использования имеет интерес с точки зрения экономического развития района. Исходя из этого,Актуальностью настоящей работы является изучение использования кремнистых опал-кристобалитовых пород, что открывает широкие перспективы расширения сырьевой базы для производства различных строительных изделий. Промышленное использование кремнистых пород основано на ряде их физических и химических свойств, из которых главными являются их значительная термостойкость, наличие «активного» кремнезема и химическая стойкость по отношению к кислотам. Эти уникальные свойства делают кремнистые породы сырьем многоцелевого назначения. В этой связи задача повышения эффективности использования местных сырьевых ресурсов (кремнистых пород) для получения различных видов современных, дешевых строительных материалов, рассматриваемая в настоящей исследовательской работе, является актуальной

Кроме этого, изучение истории эксплуатации формовочных песков также актуально, так как пески могут использоваться в строительной промышленности.Цель работы: исследовать кремнистые породы и области их применения в строительной промышленности на примере Балашейского месторождения Самарской области.Задачи:1. Проанализировать литературу по данному вопросу2.

Рассмотреть классификацию кремнистых пород (опал-кристобалитовых и квацевых песков).3. Описать характеристику каждой группы.4. Выполнить анализ свойств кремнистых пород.5. Исследовать историю разработки и использование кремнистых пород Балашейского месторождения.Гипотеза исследования заключается в том, что изучение кремнистых пород и история из разработки в родном крае будет способствовать расширению областей использования местного сырья и охране окружающей среды.

Глава 1. Геологические условия образования кремнистых пород и их характеристика.1.1. Условия образования

Кремнистые породы, силициты — группа осадочных и вулканогенно-осадочных пород, состоящих полностью или более чем на 50% из водного или свободного кремнезёма, обычно в той или иной степени раскристаллизованного.

Породообразующие минералы: опал, кристобалит, халцедон и кварц. В зависимости от минеральной формы кремнистого вещества кремнистые породы подразделяются на опаловые, кристобалит-опаловые, халцедоновые, кварцевые и смешанные, по структуре — на органогенные, микрозернистые и скрытокристаллические. По условиям залегания кремнистые породы могут быть пластовыми и желваковыми.

По происхождению различают хемогенные (гейзерит, джеспилит) и органогенные (диатомит,радиолярит, спонголит) кремнистые породы. Кроме того, выделяются криптогенные кремнистые породы (опока, трепел и др.) и диагенетические (кремень). При формировании многих кремнистых пород (яшмы, гейзериты и др.) существенную роль играет вулканогенно-осадочный процесс.

Кремнистые породы известны начиная с докембрия, когда в геосинклинальных и платформенных условиях отлагались железисто-кремнистые толщи джеспилитов. В палеозое в образовании кремнистых пород существенную роль приобретают организмы (радиолярии, губки).

Начиная с мелового периода господствующим стало органогенное образование кремнистых пород в связи с появлением в конце юры диатомей. Кремнистые породы получили распространение в осадках Мирового океана и на материковых платформах; они сохранили также значительное развитие в геосинклиналях. В современную эпоху накапливаются только органогенные кремнистые породы.

Месторождения кристобалит-опаловых пород на территории CCCP по условиям их образования делятся на 5 типов. К первому типу относятся месторождения кремнистых пород, связанные с морскими платформенными бассейнами; они, как правило, имеют крупные запасы и высокое качество, формирование их проходило в периоды усиления химического выветривания пород питающих провинций и повышенного сброса в бассейн растворённого кремнезёма. Второй тип месторождений кремнистых пород тяготеет к морским геосинклинальным бассейнам. К третьему типу относятся месторождения диатомитов и трепелов, связанные с отложениями морских бассейнов предгорных прогибов; к четвёртому — месторождения, формирование которых происходило в озёрах геосинклинальных областей; по запасам они уступают первому типу, но также имеют высокое качество.

Формирование месторождений второго, третьего и четвёртого типов происходило в этапы активного вулканизма. Месторождения пятого типа связаны с озёрами послеледникового времени. Условия образования кристобалит-опаловых пород предопределяют тип, форму и размер залежей. Тип залежи обычно пластовый, линзовидный, реже гнездовый.

Халцедоновые и кварцевые кремнистые породы возникают в результате раскристаллизации опаловых (1). Кремнистые породы — нерудное минеральное сырьё многоцелевого назначения. Единых норм и требований к качеству кремнистого сырья не существует. Каждая из отраслей промышленности предъявляет свои требования к показателям химического состава и физико-механическим свойствам. Кремнистые породы используются в качестве гидравлических добавок при производстве различных видов цементов (трепел, опока и др.); в теплоизоляционной и строительной промышленности (диатомит, трепел и др.); как фильтры и адсорбенты на водоочистных станциях, в пищевой и нефтеперерабатывающей промышленности (диатомит, трепел, опока и др.); в качестве катализаторов и носителя катализаторов в химических процессах (опока, диатомит и др.); как наполнители при производстве резины и пластмасс (диатомит, трепел); в абразивной промышленности (диатомит, кремень); для производства огнеупоров, футеровки шаровых мельниц и изготовления мельничных шаров (кремень). Различно окрашенные яшмы — поделочный материал для украшений, а также для технических целей (изготовление лабораторных ступок, пестиков, подпятников в точных приборах и т.д.).(6)

1.2. Классификация и описание опал-кристобалитовых пород

Кремнистые породы, в составе которых преобладают опал, кристобалит и их промежуточные разности, по петрографическим признакам подразделяются на две группы. В первую группу входят диатомиты, спонголиты, радиоляриты и силикофлагеллиты, во вторую – опоки и трепелы. Промышленный интерес среди них представляют диатомиты, опоки и трепелы, в меньшей степени – спонголиты.

Диатомит – мягкая легкая тонкопористая порода белого или светло- и желтовато-серого, иногда серого и темно-серого цвета, состоящая более, чем на 50 % из мельчайших (обычно 0,01–0,04 мм) опаловых панцирей (цельных или обломков) диатомей. В качестве примесей присутствуют: обломочный материал (обычно кварц), глауконит, глинистые минералы.

Объемная масса диатомитов в куске обычно не превышает единицы (увеличивается с возрастанием содержания обломочного и глинистого материала) и у лучших разностей составляет 0,5–0,7 т/м 3 , пористость достигает 70–75 %.

Спонголит – кремнистая порода, состоящая более, чем на 50 % из спикул кремневых губок (спонгий), представленных опал-кристобалитом, преобладающий размер их 0,02–1 мм. Цементирующая масса – опал-кристобалитовая и кристобалит-халцедоновая. В различном количестве присутствуют остатки раковин радиолярий и фораминифер. Цвет от светло-серого до зеленовато- и буровато-серого. Обычно спонголиты представлены твердыми, уплотненными (напоминающими по внешнему виду опоки) разностями, среди которых нередко встречаются линзы, прослои и гнезда рыхлых разновидностей, сложенных преимущественно окатанными обломками спикул губок (спонгиевые пески). Объемная масса спонголитов изменяется от 0,8 до 1,5 т/м 3 , пористость составляет 60–70 %.

Опока – легкая плотная микропористая порода, сложенная в основном мельчайшими (менее 0,005 мм) частицами опал-кристобалитового кремнезема. В различном количестве присутствует обломочный (преимущественно кварцевый) и глинистый материал. Органические остатки (панцири диатомей, раковины радиолярий, спикулы губок) редки и плохой сохранности.

Цвет от светло-серого, буровато-серого до темно-серого и даже черного. Объемная масса составляет 1,1–1,8 т/м 3 , пористость до 55 % (обычно 30–40 %). Прочность «нормальных» разностей от 5 до 20, выветрелых (трепеловидных) – от 3 до 7, крепких кремнеподобных – до 150 МПа, в некоторых разностях (обычно слабокарбонатных) присутствует цеолитовый компонент (до 10–20 %) (3)1.3. Описание кварцевых песков

Песок — осадочная горная порода, а также искусственный материал, состоящий из зёрен горных пород. Очень часто состоит из почти чистого минерала кварца (вещество — диоксид кремния).

Выделяют естественную и искусственную разновидности песка, отличающиеся способом добычи.

Этот вид песка повсеместно распространен в природе и находится на дне водных бассейнов и в составе толщи грунта. Размеры большей части его зерен составляют от 0,2 до 1 мм.

Существуют несколько путей добычи кварцевого песка:

разработка карьеров – является основным способом. Если добыча проводится над уровнем моря, то полученный песок называется горным. Разновидности почвенного песка извлекаются при разработке грунта на равнинах. Внешний вид карьерного песка отличается заостренными формами и часто – шершавой поверхностью, что делает данный его ценным строительным материалом.

Извлеченный песок может подвергаться дополнительной обработке – просеиванию, промыванию и просушке. Чем строже требования к свойствам песка в какой-либо отрасли, тем тщательнее требуется подготовка. В строительстве небольших сооружений песок обычно не подвергают никакому воздействию и поставляют прямо с места его добычи;

разработка водных бассейнов – песок вымывается земснарядом и характеризуется высокой чистотой, обеспечиваемой естественной промывкой. Добыча ведется в руслах рек, озерах, а также морских акваториях. Морской песок несколько менее ценен из-за большего содержания минеральных примесей. Речной песок отличается гладкой формой – под увеличением микроскопа песчинки напоминают морскую гальку. Использование гладких (окатанных) песков распространено в самовыравнивающихся смесях – песчинки не цепляются друг за друга.

Глава 2. Свойства кремнистых пород и области их использования

2.1. Свойства опал-кристобалитовых пород.

В 1976 г. коллективом сотрудников Всесоюзного научно-исследовательского института геологии нерудных полезных ископаемых в Казани под руководством У.Г. Дистанова была издана книга, в которой обобщена и систематизирована обширная информация о закономерностях распространения, условиях образования, возможностях промышленного использования и дальнейшего изучения кремнистых опаловых и опалкристобалитовых пород.

Предлагается следующая схема использования кремнистых пород в строительных отраслях промышленности:

– цементная (в качестве гипсоцементного вяжущего, пуццоланового портландцемента, белого декоративного цемента, известково-трепельного вяжущего);

– теплоизоляционная (обжиговые изделия, естественные заполнители, блоки, мастичная изоляция);

– строительная (дорожное строительство, легкий наполнитель бетонов). (1)

2.2. Свойства кварцевых песков.

Отправной точкой в системе классификации являются свойства материала и способы его подготовки. Выделяют следующие направления классификации кварцевого песка:

По крупности (фракционному составу)

Численное выражение является средним значением размеров частиц или диапазоном их размеров (фракцией):

1.Пылевидный кварц – представляет фракцию менее 0,1 мм (просеивается в сито с диаметром пор 0,1 мм) и обычно встречается при дроблении кристаллов кварца; 2.Мелкозернистый песок – фракция 0,1-0,25 мм; 3.Средний песок – фракция 0,25-0,5 мм; 4.Крупнозернистый песок – фракция 0,5-1 (редко до 3) мм.

Кварцевый песок подразделяется на необогащенный и обогащенный песок:

Высокая чистота кварцевой смеси является необходимым требованием в ряде технологических процессов. Начальная ступень обогащения включает фракционирование и промывку – с их помощью удаляются наиболее грубые примеси.

Следующим этапом является использование специальных технологий, таких как:

гравитационное обогащение – основной способ, сущность которого заключается в разделении компонентов смеси по плотности. Более легкие частицы уносятся водным потоком, тогда как тяжелые оседают на дно аппарата. Гравитационное воздействие можно усилить центрифугированием или добавлением химических реагентов, изменяющих смачиваемость компонентов песка;

электрическая и магнитная сепарация – представляет собой воздействие электрическим током и магнитным полем, приводящим к отделению некоторых примесей. Так, магнитное воздействие особо эффективно при очистке от частиц железа, обладающих магнитными свойствами.

Бывает природный и окрашенный. Природный кварцевый песок имеет цвет от бледно-желтого до коричневато-желтого. Искусственное окрашивание проводится устойчивыми красками на основе синтетических связующих, позволяя создавать из песка оригинальные многоцветные орнаменты. Такой песок может быть цветным и белым.

По степени подготовки

В зависимости от технологических требований, песок может выпускаться в следующих разновидностях:

Фракционированный – представляет собой конкретную фракцию песка, размеры которой ограничены техническим регламентом;

Сухой – высушенный до воздушно-сухого состояния. Вместе с фракционированным песком может применяться в качестве рабочего тела пескоструйных аппаратов;

Окатанный кварцевый песок – обладает менее абразивными свойствами, поэтому подходит для деликатного применения, например, песочниц на детских площадках;

Формовочный кварцевый песок – применяется для получения литых кварцевых изделий и отличается высокой степенью обогащения.

На территории России существует значительное количество крупных месторождений кварцевого песка. К наиболее известным относятся Чулковское (Московская обл.), Козловское (Брянская обл.), Елшанское (Волгоградская обл.), Березичское (Калужская обл.) Балашейское (Самарская обл.) месторождения и ряд других.

Отличия кварцевого строительного песок, добываемого из этих мест, заключаются в изначально высоких параметрах качества и большей стоимости. Важно понимать, что свойства песка из ближайшего карьера будут вполне достаточны для строительства небольших дачных сооружений, поэтому не стоит переплачивать. Если же целью является постройка крупного особняка, то экономия на качестве песка может негативно отразиться на долговечности дома.

Чем нормируются характеристики песка

Основным регулирующим документом является ГОСТ 2138-91, также существуют и другие нормативные документы (гост 22551 77, гост 51641 2000, 8736 93). В них отражены требования к основным параметрам качества и свойствам, а именно:

Содержание глинистой составляющей. Выделяют 5 групп с установленными количествами глины от 0,2 до 2,0 %;

Содержание диоксида кремния – от 99 % до 93 %, соответствующих группам от К1 до К5;

Коэффициент однородности, отражающий вариацию размеров частиц относительно среднего (в %). Чем больше значение, тем однороднее песчаная смесь. Всего существует пять групп (от О1 до О5), отличающихся коэффициентом однородности (от 80 до 50 %);

Фракционный состав. Данный параметр отражает средние размеры частиц кварцевого песка: до 0,14 мм; 0,14-0,18 мм, 0,19-0,23 мм, 0,24-0,28 мм, более 0,28 мм;

Влажность. Сухие пески содержат не более 0,5 % влаги, влажные – не более 4,0 %, сырые – не более 6,0 %;

К параметрам материала, влияющим на качество работы и определяющим сферу применения, относятся:

насыпная плотность – составляет порядка 1300-1500 кг/м3;

истинная плотность – находится в диапазоне 2600-2700 кг/м3. Значение истинной плотности применяется при расчетах объема цементного или бетонного раствора, получаемого при смешивании компонентов;

теплопроводность кварцевого песка – около 0,30 Вт/(м?°С). Значительное влияние на теплоизолирующие свойства оказывает форма и размеры песчаных гранул – чем плотнее их расположение и меньше зазоры, тем коэффициент теплопроводности выше;

температура плавления — максимальная рабочая температура кварцевого песка оценивается в 1050 °С, что вполне достаточно для любых строительных работ. При литье кварцевых изделий используются температуры 1700 °С и выше.

обычный кварцевый песок в рыхлом состоянии имеет объемный вес 1 500 кг/м3, а объемный вес составляет 1600 кг/м3. (10)

3.История разработки и эксплуатации Балашейского месторождения кремнистых пород

3.1. История открытия месторождения формовочных песков.

Город Сызрань и прилагаемые к нему территории всегда считались оживленным местом, стоящим на перекрестке водных и караванных путей из Европы в Азию и с Севера на Юг. Поэтому, пришедшая сюда более 120 лет назад железная дорога дала новый толчок промышленному развитию этого богатого природным разнообразием и красотой края.

Близость заповедной Самарской луки, Жигулевских гор, раскинувшиеся за широкой Волгой степные просторы создали прекрасную природную жемчужину Среднего Поволжья, знаменитую не только богатой и разнообразной флорой и фауной, но и большим разнообразием и целой гирляндой полезных ископаемых. Здесь наряду с залежами нефти, сланцев, гранитного щебня, опоки и известняков различной твердости было открыто месторождение кварцевых песков.В 1941 году геолог конторы «Форморазведка» Е. А. Жидкова, обследовавшая местность вдоль железной дороги Москва — Куйбышев в районе ст.

Балашейка, обратила внимание на огромный холм, возвышающийся над равниной. Местные жители его так и называли — » Балашейский бугор». При более тщательном обследовании оказалось, что он практически весь состоит из кварцевых песков.Так было открыто Балашейское месторождение формовочных песков.

Благоприятные условия — близость железной дороги, небольшая вскрыша, а также высокое качество песков — поставили это месторождение в разряд первоочередных для проведения на нем детальных геологоразведочных работ, которые и были проведены в том же 1941 году. А грянувшая война и эвакуированный в Куйбышев из Воронежа авиационный завод потребовали начать промышленную разработку месторождения формовочных песков для отливки деталей военных самолетов. Всю войну Балашейка непрерывно снабжала авиастроителей формовочным песком, являясь структурной единицей — цехом № 78 — Куйбышевского моторостроительного завода им. М. В. Фрунзе.В 1948 году Балашейскому карьеру присваивается статус предприятия союзного значения и оно включается в состав Министерства станко­строительной и инструментальной промышленности.В 1949 году была произведена доразведка Балашейского месторождения, которая показала, что полезная толща представлена тремя горизонтами песков: сверху — глинистые, средние — кварцевые среднезернистые пески, а внизу -крупнозернистые.

А между средним и нижним горизонтами был обнаружен промежуточный горизонт слабоглинистых песков.Если в 40-е годы песок в основном добывался и грузился вручную, то в начале 50-х здесь появляется первая землеройная техника. Объемы отгрузки возрастают, продукцию карьера уже получают десятки крупных заводов Урала, Поволжья, Башкирии и других регионов страны.Развитию Балашейки способствует в эти годы добываемая рядом опока и диатомит, а также построенная и пущенная в эксплуатацию Волжская ГЭС -основной поставщик электроэнергии в регион.

Но поистине вторым рождением для карьера явилось строительство Волжского автомобильного завода в г. Тольятти. Технология литейного производства итальянского гиганта автомобилестроения — фирмы «Фиат» — была отлажена на формовочные пески знаменитого на всю Европу карьера «ToppeдельЛaгo». И в начале освоения литейного производства в Тольятти весь формовочный песок был итальянский.

Но когда в лаборатории фирмы «Фиат» исследовали песок Балашейского месторождения, то было сделано безоговорочное заключение — песок Балашейки нисколько не уступает по качеству песку из Италии, а значит, может быть использован в литейном производстве нового завода «Фиат» в Тольятти.В ноябре 1967 года Совет Министров СССР принял решение о строительстве на базе Балашейского месторождения обогатительной фабрики для обеспечения Волжского и других автомобильных заводов формовочным песком высшего качества.Генеральным подрядчиком строительства обогатительного комплекса был назначен Сызранский монтажно-строительный трест № 4. В период с 1969 года по 1972 год, кроме производственных корпусов, были построены жилые дома, средняя школа, детский сад. Большое развитие получила железнодорожная станция Балашейка. В значительно короткие сроки с 1969 года по 1974 гол было закончено строительство основного технологического производства и Балашейское карьероуправление формовочных материалов было преобразовано в Балашейский горнообогатительный комбинат формовочных материалов. В состав комбината вошли Балашейский и Чаадаевский (Пензенская обл.) участковые карьеры, обогатительная фабрика, транспортный цех, цех по вы­пуску противопригарных паст и покрытий, центральная лаборатория, другие производственные службы, обеспечивающие основное’ производство, а также жилищно-коммунальное хозяйство, детский комбинат и столовая.Основными заказчиками комбината стали автогиганты страны: ВАЗ, КамАЗ, ГАЗ, УАЗ, МиАЗ, Челябинский тракторный и Чебоксарский агрегатный заводы, Саранский центролит.

3.2. Описание месторождения опал-кристобалитовых пород.

Интерес, проявляемый к изучению кремнистых пород, определяется их свойствами. К ним следует отнести: тонкопористую структуру с развитой внутренней поверхностью; высокую химическую активность; малую плотность; низкие теплопроводность, кислото- и термостойкость. Эти особенности придают опал-кристобалитовым породам адсорбционные, фильтровальные, каталитические, связующие, теплоизоляционные и другие свойства. Свойства кремнистых пород определяют их направления использования, объемы потребления, промышленное значение.

Распространение кремнистого сырья, особенности фазового состава и структуры раскрывают широкую сферу его использования в различных отраслях.Основной потребитель кремнистых пород (более 70% добываемого сырья) — цементная промышленность, где они используются в качестве активных минеральных добавок, которые устраняют вредное влияние гидрата оксида кальция, переводя его в трудно растворимые в воде гидросиликаты кальция. Как минеральные добавки разрабатываются в основном месторождения опок и трепелов. В связи с тем, что потребности строительной индустрии в качественном цементе постоянно возрастают, ученые во всем мире занимаются поиском путей развития цементной промышленности. Одним из возможных вариантов развития считается использование в составе клинкерных вяжущих природных минеральных добавок. (5)

Кремнистые породы (диатомиты, трепелы, опоки) благодаря наличию в их составе аморфной активной кремнекислоты обладают рядом очень ценных свойств: тонкопористой структурой, сравнительно малой объемной массой и теплопроводностью. Совокупность указанных свойств предопределяет их эффективное использование в производстве строительных материалов и в частности при производстве керамических изделий. Опыт показывает, что использование кремнистых и глинистых пород в смеси с углесодержащими отходами позволяет значительно улучшить физико-механические свойства керамики за счет создания в процессе обжига восстановительной среды и перехода трехвалентного железа в более легкоплавкое двухвалентное, что обеспечивает более интенсивное спекание. (2)

«Жигулевские стройматериалы» — это единый комплекс по производству цемента и нерудных материалов, обеспечивающий своей продукцией строительные площадки Приволжского и Уральского федеральных округов.

Решение о создании комбината строительных материалов в Куйбышевской области приняли в 1955 году. Жигулевск для такого производства оказался местом самым подходящим: большие запасы сырья, топливно-энергетическая база, водные, железнодорожные и автомобильные дороги. Проектирование комбината поручили институту Гипроцемент, строительство и монтаж – Куйбышевгидрострою.

Годовая мощность будущего предприятия должна была равняться 1 миллиону 80 тысячам тонн цемента в год. На возведение жигулевского «первенца» тяжелой индустрии отвели всего 40 месяцев, вдвое меньше прежних норм Госстроя для сооружения цементных заводов средней мощности.

14 августа 1958 года начала действовать первая технологическая линия по производству цемента. Эта дата считается «днем рождения» предприятия. Руководить новым производством назначили Виктора Никитина. К декабрю 1958 года в эксплуатации находились уже две технологические линии по производству цемента, а через два года ввели в строй третью. (9) Приложение 3

Заключение

По итогам проведенного исследования мы сделали следующие выводы и сформулировали практические рекомендации.

1. Детальный анализ литературу показал, что изучение кремнистых пород и история их разработки в родном крае будет способствовать расширению областей использования местного сырья и охране окружающей среды

2. Рассмотрев классификацию кремнистых пород, в составе которых преобладают опал, кристобалит и их промежуточные разности, по петрографическим признакам, мы выяснили, что они подразделяются на две группы. В первую группу входят диатомиты, спонголиты, радиоляриты и силикофлагеллиты, во вторую – опоки и трепелы. Промышленный интерес среди них представляют диатомиты, опоки и трепелы, в меньшей степени – спонголиты.

Песок — осадочная горная порода, а также искусственный материал, состоящий из зёрен горных пород. Очень часто состоит из почти чистого минерала кварца (вещество — диоксид кремния). Выделяют естественную и искусственную разновидности песка, отличающиеся способом добычи.

3.Описание кремнистых пород позволило нам выяснить, что Диатомит – мягкая легкая тонкопористая порода белого или светло- и желтовато-серого, иногда серого и темно-серого цвета, состоящая более, чем на 50 % из мельчайших (обычно 0,01–0,04 мм) опаловых панцирей (цельных или обломков) диатомей.. Объемная масса диатомитов в куске обычно не превышает единицы (увеличивается с возрастанием содержания обломочного и глинистого материала) и у лучших разностей составляет 0,5–0,7 т/м 3 , пористость достигает 70–75 %.

Спонголит – кремнистая порода, состоящая более, чем на 50 % из спикул кремневых губок (спонгий), представленных опал-кристобалитом, преобладающий размер их 0,02–1 мм. Цементирующая масса – опал-кристобалитовая и кристобалит-халцедоновая. В различном количестве присутствуют остатки раковин радиолярий и фораминифер. Цвет от светло-серого до зеленовато- и буровато-серого.

Обычно спонголиты представлены твердыми, уплотненными (напоминающими по внешнему виду опоки) разностями, среди которых нередко встречаются линзы, прослои и гнезда рыхлых разновидностей, сложенных преимущественно окатанными обломками спикул губок (спонгиевые пески)..

Опока – легкая плотная микропористая порода, сложенная в основном мельчайшими (менее 0,005 мм) частицами опал-кристобалитового кремнезема. В различном количестве присутствует обломочный (преимущественно кварцевый) и глинистый материал. Органические остатки (панцири диатомей, раковины радиолярий, спикулы губок) редки и плохой сохранности. Цвет от светло-серого, буровато-серого до темно-серого и даже черного. Объемная масса составляет 1,1–1,8 т/м 3 , пористость до 55 % (обычно 30–40 %). Прочность «нормальных» разностей от 5 до 20, выветрелых (трепеловидных) – от 3 до 7, крепких кремнеподобных – до 150 МПа, в некоторых разностях (обычно слабокарбонатных) присутствует цеолитовый компонент (до 10–20 %)

4. Анализ свойств кремнистых пород показал, что диатомиты, трепелы, опоки благодаря наличию в их составе аморфной активной кремнекислоты обладают рядом очень ценных свойств: тонкопористой структурой, сравнительно малой объемной массой и теплопроводностью. Совокупность указанных свойств предопределяет их эффективное использование в производстве строительных материалов и в частности при производстве керамических изделий. Опыт показывает, что использование кремнистых и глинистых пород в смеси с углесодержащими отходами позволяет значительно улучшить физико-механические свойства керамики за счет создания в процессе обжига восстановительной среды и перехода трехвалентного железа в более легкоплавкое двухвалентное, что обеспечивает более интенсивное спекание

5. Исследовав историю разработки кремнистых пород мы видим, что Балашейское месторождение играет важную роль в хозяйстве, экономике и внешних связях Сызранского района. Подводя итоги, можно смело утверждать, что Сызранский район — один из важнейших во всей экономике Самарской области. Однако экономика Сызранского района сталкивается с некоторыми проблемами как, например, отраслевые диспропорции и проблемы экологии.

Но следует также заметить, что Балашейское месторождение Сызранского района обладает огромным количеством перспектив и возможностей для дальнейшего развития экономики района и области.

Теперь необходимо искать новые отрасли использования такого уникального по свойствам сырья или искать новых заказчиков, которые изготавливают цементы. Проанализировав Российский рынок мы составили список возможных заказчиков (7) Приложение 2.

1.М.Н. Баранова, С.Ф. Коренькова, Н.Г. Чумаченко – История освоения кремнистых пород

2.Полезные ископаемые Самарской области. Твёрдые неметаллические. Подземные воды. Углеводороды / А. А. Фёдоров, Н. Н. Пригода, Е.Я. Суровиков и др. — Самара: Издат. дом «Агни», 2008. — 168 с.

3.В кн.: Ерофеев, В.В. Самарская губерния — край родной / В. В. Ерофеев, Е.А. Чубачкин Т.1. — Самара: «Самар. кн. изд», 2007. — С.333-352

4.В кн.: Самарский краевед: историко-краеведческий сборник / сост. А.Н. Завальный. — Куйбышев:Кн. изд-во, 1990. — С.311-335

5.Евдокимов, А.Я. Влияние технической реконструкции в цементной промышленности на повышение объёмов производства, улучшение условий труда, социальной сферы и экологии в регионах. — Самара, 2000. — 62 с.

Источник: school-science.ru