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硅石（Silica rock）是脉石英、石英岩、燧石和石英砂岩的统称。其主要化学成分是SiO2，一般含有铁、铝、铬和钛的氧化物等杂质，是地壳中最常见的矿物之一，在许多岩石和土壤中都可以找到。可用做玻璃原料、冶金溶剂、石料和制造硅质耐火材料等。[1]
硅石（不含风化石英砂岩）是用于冶金熔剂、耐火材料、生产工业硅等的主要原料。由于硬度大，生料加工成本高，除硅资源缺乏地区外，很少用于玻璃生产。工业硅作为现代新能源和高新技术产业的重要原材料，被广泛用于大规模、超大规模集成电路、光纤、太阳能电池、激光、航天、军事等行业，已成为信息时代的基础支柱。硅石是一种影响国家发展战略的重要矿产资源。[4][5]
历史
硅石的历史可以追溯到古代文明时期，早期的人类就已经发现了含有硅的石头，并利用它们进行工艺和装饰。[6]
在古埃及文明中，硅石的使用可以追溯到公元前3000年左右。古埃及人发现了石英[注1]，并将其用于制作首饰、雕塑和装饰品。他们还使用砂石进行玻璃制作，这是早期玻璃制造的重要里程碑。[6][7]在古希腊和古罗马文明中，硅石的应用也得到了发展。古希腊人将水晶和石英作为宝石使用，认为它们具有神圣的力量。古罗马人使用石英和玻璃来制作珠宝、容器和建筑材料。[8]
在中世纪和文艺复兴时期，玻璃[注2]工艺得到了进一步的发展，并在欧洲各地传播。玻璃成为建筑和艺术领域的重要材料。[9][10]
到了18世纪和19世纪，工业革命的推动使得硅石的利用更加广泛。19世纪20年代，一位名叫Jons Berzelius的瑞典化学家在实验室中设法从含硅化合物中纯化出了硅，为现代硅工业的发展奠定了基础。19世纪中叶，科学家发现了硅石在化学工业中的重要性。[11]
20世纪以来，随着科学技术的进步和工业的发展，硅石的应用领域不断扩大，特别是电子行业和半导体工业的兴起，使得硅石成为制造集成电路和电子器件的关键材料。[4]
化学组成
物理性质
硅石的硬度相对较高，它的硬度为7（根据莫氏硬度标尺），是自然界中常见的硬度较高的矿物之一。因此在研磨和抛光的过程中硅石被广泛应用。硅石的密度一般在2.2至2.65克/立方厘米之间，具体数值取决于其形式和结构。石英的熔点约为1,720摄氏度。[8]
| 物化性质名称 | 单位 | 大小 |
|---|---|---|
| 熔点 | K | 2000 |
| 沸点 | K | 3048 |
| 熔化热 | kJ/mol | 8.54 |
| 蒸发热 | kJ/mol | 697.8 |
| 升华热 | kJ/mol | 562.3 |
| 导热系数（1273K） | W/(m · K) | 2.01 |
| 比热（298K） | kJ/(kg · K) | 0.931 |
| 动力粘度（2273K） | kPa · s | 39.9 |
| 莫氏硬度 | — | 7 |
| 显微硬度 | MPa | 11130.95 |
| 比电阻（1973K） | Ω · m | 90 |
| 密度 | g/cm3 | 2.59~2.65 |
硅石的颜色取决于杂质含量的多少，常见硅石的颜色有无色、灰褐色、黑色、和粉红色等几种。[3]
| 硅石的颜色 | 杂质含量/% | ||
|---|---|---|---|
| Fe2O3 | Al2O3 | CaO | |
| 透明 | 0.18 | 0.06 | 0.25 |
| 浅灰色 | 0.23 | 0.55 | 0.16 |
| 白色 | 0.37 | 0.95 | 0.19 |
| 暗灰色 | 0.46 | 0.75 | 0.18 |
| 玫瑰色 | 0.69 | 0.48 | 0.22 |
| 褐色 | 3.08 | 0.97 | 0.20 |
结晶形态
硅石可以以多种结晶形态存在，其中最常见的是石英。石英具有六方晶系结构，但硅石还可以以非晶态（无定形）存在，如玻璃砂。其他形态还包括水晶、紫水晶、玛瑙等。硅石的晶体结构由硅氧四面体构成，硅原子与四个氧原子形成稳定的结构。结晶态二氧化硅根据晶型的不同，在自然界存在着三种不同的形态：α石英、鳞石英和方石英，这几种不同形态的二氧化硅又各有高温型和低温型两种变体。因而，结晶态二氧化硅实际上有六种不同的晶型（以下图片仅展示其中四种不同结晶形态）。[12][13]
分类
结晶硅石
是由硅质砂岩（石英砂岩）经变质作用再结晶而成得变质岩。硅质砂岩中的硅质胶结物在地质条件作用下而在原石英颗粒表面再结晶，成为石英颗粒的增大部分。因此，其组织结构特征是：由结晶的石英颗粒所组成，石英颗粒间没有胶结物或极少（3%~8%）；由于变质过程中的再结晶作用而使石英颗粒紧密地连接在一起，并且构成了原硅质砂岩所没有的各种变晶结构，如锯齿结构、花岗岩结构和镶嵌结构等。[14]
胶结硅石
石英颗粒被硅质胶结物结合而成的沉积岩，胶结构主要是隐晶质的二次石英，胶结物含量通常约占30%~75%。胶结硅石中的石英颗粒结晶较小，杂质含量多，加热时易于转变。[14]
| 组织分类 | 结晶硅石 | 胶结硅石 | ||
|---|---|---|---|---|
| 岩石分类 | 石英岩 | 脉石英 | 石英砂岩 | 燧石岩 |
| 组织结构 | 石英砂岩手动力变质作用而成，由石英颗粒组成，石英晶粒0.15~0.25mm，夹杂物较少，质纯 | 分浆沉淀，火成岩，显晶质石英，晶粒粗大，一般>2mm，质地纯净 | 以蛋白石或玉髓等隐晶质胶结物结合石英颗粒。颗粒大小不同，粗粒者1~0.5mm，细粒者0.1 ~0.25mm | 以玉髓为基质，其中含有脉石英晶粒 |
| 化学成分 | SiO2>98% | SiO2>99% | SiO2>95%，Al2O3 1%~3% | SiO2>95% |
| 矿物组成 | 石英为主，有的含有粘土、云母、绿泥石、长石、金红石、赤铁砂、褐铁矿等 | 石英为主，有的夹有红色或黄褐色水锈 | 石英>90%，含少量长石、云母 | 石英、玉髓为主。有的含氧化铁、石灰石、绿泥石 |
| 转变特征 | 不易转变 | 难于转变 | 不易转变 | 易转变 |
| 制砖适应性 | 制砖废品率高 | 制造各种硅砖 | 制造一般硅砖 | 制造各种硅砖 |
分布区域
硅石在全球范围内分布极其广泛，主要分布在美国、中国、俄罗斯、法国、挪威、哈萨克斯坦、冰岛、马来西亚、巴西、不丹。例如美国加利福尼亚州、科罗拉多州、亚利桑那州、得克萨斯州等地区产出大量的硅石，包括石英、水晶等。俄罗斯的乌拉尔山脉、西伯利亚地区和远东地区也有丰富的硅石资源。巴西的米纳斯吉拉斯州、巴拉圭州和巴伊亚州等地区产出大量的硅石，其中包括高品质的石英和水晶。中国的硅石资源主要分布于云南、江西、安徽、河南和甘肃等省份。中国的硅石产量大部分用于工业和建筑材料。[2][15][16]
主要产地
开采和运输
冶炼和提纯
硅石的冶炼通常是采用木炭或其他含碳物质如煤、焦油等来还原石英砂，得到硅，硅的质量分数为98%~99%，称为冶金级硅。冶金级硅也称为粗硅或硅铁，主要含有铁、铝、碳、硼、磷、铜等杂质，这种纯度的硅是冶金工业用硅。化学反应为二氧化硅在高温（1600~1800℃）下被碳还原得到单质硅和一氧化碳气体，具体反应式如下：[20]
粗硅的提纯是一系列物理化学过程。因为硅不溶于酸，所以粗硅的初步提纯一般用酸洗方法，先去除含量大的铁、铝等金属杂质；进一步的提纯一般采用蒸馏方法，而蒸馏方法只能提纯液态混合物，所以需要将酸洗过的硅转化为液态硅化物，提纯后再将液态硅化物还原，由此得到电子级高纯度多晶硅。[20]
应用领域
玻璃制造：制备玻璃的重要原料之一就是硅石，玻璃是一种无定形的硅石材料，具有透明、耐热、耐腐蚀等特性，被广泛用于建筑、家具、包装和光学器件等领域。[21]
电子和半导体工业：硅石是制备硅的主要原料，而硅又是电子和半导体工业的关键材料。硅被用于制造集成电路、太阳能电池、半导体器件等，是现代电子产品的基础。[22]
珠宝和装饰品：石英等硅石形式在珠宝和装饰品制作中广泛应用。它们被用于制作首饰、摆件、吊坠等。[21]
建筑和建材：石英砂和砾石，常用于建筑材料的制备。硅石可以用于制造混凝土、砂浆、砖块等建筑材料，用于道路建设和房屋建设。[21]
耐火材料：硅石可用于制备耐火材料，用于高温环境下的保温和隔热。[14]
硅石具有广泛的应用，除了上述领域外硅石还用于化妆品、橡胶和塑料添加剂、防火材料、纺织品和悬浮剂并可用作合金添加剂，用于改善金属的力学性能和耐腐蚀性能等。硅石是一种广泛应用的矿物，具有重要的工业和商业价值。硅石的广泛应用对于现代工业和日常生活起着重要的作用。[12][16][21]
环境影响
硅矿石的开采会破坏地表植被，造成土壤侵蚀和水土流失，影响土地的肥力和利用价值。同时硅矿石的开采会产生大量的废弃物，如尾矿、废渣、废水等，如果不进行有效的处理和处置，会污染周围的水源、土壤和空气，危害人畜健康。硅矿石的开采还会改变地形地貌，降低地区的生态服务功能和美学价值，影响生物多样性和景观资源。[23]
硅矿石冶炼属于高耗能生产，会消耗大量的电力和煤炭，造成能源浪费和温室气体排放；硅矿石冶炼过程中会产生大量的粉尘、废水、废渣等固体废物，如果不进行有效的收集、处理和利用，会对土壤、水源和空气造成污染；硅矿石冶炼过程中还会产生一些有毒有害的气体，如二氧化硫、氯化氢、氢氟酸等，对人体健康和生态环境也有危害。[24]
参考资料 24
- 硅石 — 术语在线
- silicon — Britannica
- 参考 3
- 参考 4
- 参考 5
- Egyptian Faience: Technology and Production — Department of Objects Conservation, The Metropolitan Museum of Art
- Ancient Egypt — Britannica
- Quartz History&Uses — Variance Objects
- ABOUT MEDIEVAL GLASS — CORNING MUSEUM OF CLASS
- Stained Glass in Medieval Europe — Met Museum
- 10 Facts About Silicon — MENTAL FLOSS
- 参考 12
- Different crystal forms of silica — ResearchGate
- 参考 14
- siliceous rock — Britannica
- 参考 16
- Major countries in silicon production worldwide 2022 — Statista
- Silicon Statistics and Information — USGS
- 参考 19
- 参考 20
- 参考 21
- 参考 22
- 参考 23
- 工业硅行业自律公约 — 中国有色金属工业协会硅业分会
注释
- 石英和水晶都是硅石的其中一种，石英石和硅石的区别主要在于二氧化硅的含量，二氧化硅含量在98.5%以下的为硅石，以上的为石英石。[2]
- 硅石可以制作玻璃，即作为生产玻璃的原材料。[5]