sist endret:søndag, 08-Nov-2009 04: 44: 32 Cet

Dokument status: komplett

Kvarts Er en forbindelse av en del silisium og to deler av oksygen, silisiumdioksyd, SiO2. Dens kjemiske sammensetning (og grunnstoffet silisium, Si) ble oppdaget av den svenske kjemikeren Jö Jakob Berzelius i 1823. Silisiumdioksyd kalles vanligvis silika.

Ifølge IUPAC er følgende to navn korrekte: silisiumdioksyd og dioksosilan.

10mm
1040×800 193kb-2080×1600 684kb
Dette er et lite stykke industrielt produsert rent silisium. Det er en lys (tetthet 2.328 g / cm3), grå krystallinsk stoff med sterk metallisk glans. Det er veldig hardt (omtrent like hardt som kvarts og mye vanskeligere enn de fleste metaller), men sprøtt og ikke formbart som metaller. Silisium er grunnlaget for halvlederindustrien: rent silisium er bare en svak leder av elektrisitet ,men når spormengder av passende elementer blir tilsatt (silisiumet er dopet), nærmer dets ledningsevne seg et metall, og ved å velge type og mengde sporstoffer, kan de elektriske egenskapene til det dopet silisium styres.

Reaksjoner

ved romtemperatur Er SiO2 i alle modifikasjoner nesten inert og reagerer ikke med de fleste andre stoffer. Selv ved moderat høye temperaturer er silika kjemisk meget stabil. Av den grunn smeltet kvarts (silica glass) er mye brukt for kjemiske apparater, spesielt når katalytiske reaksjoner av metallkationer i vanlig glass må unngås. Årsaken til den lave reaktiviteten til silika er den meget sterke Si-O-bindingen, men også dens makromolekylære struktur.

å være anhydritt av en syre selv (orthosilicic acid, H4SiO4), kvarts vil generelt ikke bli angrepet av syrer. Det fremtredende unntaket ER flussyre, HF, som vil dekomponere kvarts for å danne første silisiumfluorid SiF4, deretter flusilinsyre:

SiO2 blir også angrepet av alkaliske stoffer (som kaliumhydroksid, KOH). Reaksjonshastigheten avhenger av modifikasjonen og krystallstørrelsen: Krystallinsk kvarts vil bare oppløses veldig sakte i varme vannholdige alkaliske løsninger, mens amorfe SiO2 vil bli lett oppløst ved romtemperatur:

reaksjonen er relevant for oppsamleren, da alkaliske løsninger og vaskemidler noen ganger brukes til å fjerne mose og lav fra mineralprøve. Kvarts krystaller er vanligvis ikke et problem, men jeg vil være veldig forsiktig når du rengjør kryptokrystallinske varianter.en lignende reaksjon fører til dannelsen av silikageler i betong, når de alkaliske forbindelsene i betongen, typisk Ca(OH)2, reagerer med amorf silika og kryptokrystallinsk kvarts(det vil si opal og chalcedon). Silikagelen tiltrekker seg vann, svulmer og sprekker betongen innen noen tiår.

alle former for silika oppløses i smeltet natron (Na2CO3) eller potash (K2co3) for å danne silikater:

ved høye temperaturer i mange geologiske miljøer kvarts fungerer som en syre og reagerer med mange alkaliske mineraler. Et godt kjent eksempel er dannelsen av mineral wollastonite Ca3Si3O9 fra kvarts og kalsitt i kontakt metamorfe prosesser ved temperaturer fra ca 600°C oppover:

den motsatte reaksjonen finner sted ved forvitring av silikatbergarter, her karbonsyre H2CO3 til stede, for eksempel i meteoriske farvann frigjør kiselsyre og danner karbonater.

Kvarts er» malm » av silisium. Silisium hentes ved en temperatur på omtrent 2000°C i følgende endoterme (energikrevende) reaksjon:

si-o-bindingen er mye sterkere enn C-O-bindingen, og reaksjonen virker bare fordi karbonmonoksid CO rømmer fra systemet som en gass, slik at systemets likevekt skyves til høyre side. Dannelsen av karbonmonoksid i stedet FOR karbondioksid CO2 er typisk for reduktive reaksjoner med karbon ved høye temperaturer. Silisiumet dannet i denne prosessen er ikke rent nok til chipproduksjon og må renses i en ganske komplisert prosedyre. Så til tross for overflod av malm, er rent silisium relativt dyrt.

Oppløselighet i Vann

oppløseligheten av silisiumdioksyd i vann er avhengig av temperaturen, trykket, overflatestrukturen og dens strukturelle modifikasjon. Følgende tabell gir en oversikt over oppløseligheten ved romtemperatur og normalt trykk.

Data fra:
– ➛Hollemann & Wiberg, 1985
– ➛rykart, 1995

ved romtemperatur er kvarts praktisk talt uoppløselig i vann. Kranvann er vanligvis nesten mettet med oppløst silika (med hensyn til kvarts), og oppløsningsprosessen er veldig langsom, så det er ikke nødvendig å bekymre seg for at kvartskrystaller blir skadet ved gjentatt rengjøring.

likevel spiller oppløsningen av silika i berggrunn og jord en viktig rolle i varmt fuktig klima. Dannelsen av laterittjord er knyttet til silika som gradvis vaskes ut av overflatelagene og en anrikning av forbindelser som – i hvert fall under disse klimaforholdene – er mindre oppløselige i vann, som jern og aluminiumoksider.

ved temperaturer over 100°C og høyt trykk øker oppløseligheten av kvarts raskt. Ved 300 hryvnias C er det mellom 700 og 1200 mg / l, avhengig av trykket.

SiO2 oppløses i vann ved å danne ortosilinsyre, H4SiO4:

Ortosilinsyre er en svært svak syre, svakere enn karbonsyre, for eksempel. Det dissosierer med en pK1 av 9.51 i henhold til

det finnes ingen sio2 molekyler eller aggregater Av sio4 tetraeder til stede i en vannaktig løsning. Den reverserte reaksjonen er måten kvartskrystaller vokser på, men Et h4sio4-molekyl kan ikke bare avhende 2 molekyler vann, det trenger et Annet H4SiO4-molekyl eller et allerede tilstede silikamolekyl med en hydroksyl (- OH) slutt:

Orthosilicic acid er bare stabil i en fortynnet vannaktig løsning, man kan ikke trekke ut den rene syren. Den mest interessante egenskapen til ortosilinsyre er dens tendens til å polymerisere i vannholdige løsninger for å danne først en sol og senere en gel av polysilinsyrer: ortosilinsyremolekyler kondensat til store molekyler i henhold til reaksjoner og . Så snart Du begynner å konsentrere En H4SiO4-løsning, vil molekylene polymerisere. Ved romtemperatur under laboratorieforhold er sluttpunktet av denne prosessen dannelsen av amorf silika. Geler av polymerisert kiselsyre er sannsynligvis også forgjengerne til opal og kryptokrystallinske kvartsvarianter (chalcedon i bredere forstand) i naturen.

Grunnstruktur Av Silika

SiO2 forekommer i ikke mindre enn 13 forskjellige strukturelle modifikasjoner. Deres krystallstrukturer (hvis de finnes) kan variere, men de deler alle noen grunnleggende egenskaper. Følgende gjelder for alle endringer i silika unntatt der det er angitt. Den molekylære strukturen som er spesifikk for kvarts, er dekket i kapittelstrukturen.

de kjemiske bindingene i silika er kovalente: de er basert på molekylære orbitaler hvor 2 elektroner deles mellom atomene (i motsetning til ioniske bindinger som finnes i salter som fluoritt eller bordsalt; her overføres elektroner fra ett element til et annet for å danne ioner med motsatt elektrisk ladning, og i en krystall holdes disse ioner sammen av elektrostatisk tiltrekning).

Fig.1: SiO4-Tetraeder

Fig.2

Fig.3: SiO4-Ionisk Bindingsmodell

den grunnleggende byggesteinen i nesten alle modifikasjoner av silika (unntakene er svært høytrykksmodifikasjoner) Er SiO4-enheten, hvor et sentralt silisiumatom er omgitt av fire oksygenatomer.

 . |O| - | - .O-Si-O. - | - |O| .

geometrien til denne enheten er vist i en ball-and-stick gjengivelse I Fig.1, med silisium symbolisert av en elfenben farget, oksygen av en rød sfære, og kjemiske bindinger av grå rør mellom dem. Størrelsen på atomene er ikke å skalere. Oksygenatomene okkuperer posisjoner rundt silisiumatomet som holder dem i størst mulig avstand fra hverandre, slik at de danner de fire hjørnene av en tetraeder, symbolisert av den gjennomsiktige grå pyramiden. Merk at oksygenatomer ikke er koblet til hverandre, de grå linjene mellom dem er bare trukket for å visualisere den tetraedrale geometrien. Vinkelen til de sentrale o-Si-o-bindingene er svært nær verdien i et ideelt tetraeder (109,5°, gråblå bue I Fig.1), med en silisium oksygen avstand på ca 0.161 nm for alle oksygenatomer, så den enkelte tetraeder har en nesten kubisk symmetri. Si – o-bindingen er svært polar, med elektroner som blir mer tiltrukket av oksygen, noe som fører til en ujevn fordeling av elektriske ladninger i tetraeder: hjørnene er mer negativt, senteret er mer positivt ladet.

Individuelle molekyler bygget som O=Si = O (med en lineær struktur som karbondioksid CO2) kan bare finnes I En SiO2-gass ved temperaturer over 2500°C. Mange lærebøker forklarer geometrien Til SiO4-tetraeder og andre mineralstrukturer som bestemt av de relative størrelsene til de forskjellige ioner, som vist I Fig.2: jo større den relative størrelsen på den sentrale ion, jo flere ioner av motsatt ladning er nødvendig for å omslutte den. Følgelig er SiO4-tetraeder ofte tegnet som en liten Si4 + kation omsluttet av fire store O2-anioner (Fig.3). Man kan hevde at dette er unøyaktig: Silisium og oksygen er forbundet med polare kovalente bindinger av sammenføyde elektronorbitaler, slik at de danner en enhet, og er ikke på samme måte skilt og fritt bevegelige som ioner i et salt. Forbindelser Med Si4 + – ioner eksisterer faktisk ikke. Det er noe variasjon i tolkningen av de eksperimentelle funnene, og mens noen forfattere ser Si-O-bindingen som primært kovalent, understreker andre de ioniske egenskapene til bindingen. For en gjennomgang, se Gibbs et al. 1994 Og Cohen 1994.,

 | | O O | | -O-Si-O-Si-O- | | | | O O O O | | | |-O-Si-O-Si-O-Si-O-Si-O- | | | | O O O O | | | | -O-Si-O- | O |

Fig.4: Silica Network

Oksygen er bivalent, og oksygenatomer i hjørnene av tetraeder er hver knyttet til et annet silisiumatom i et nærliggende tetraeder. Så kvarts og silika generelt kan beskrives som et tredimensjonalt nettverk Av sammenkoblet SiO4 tetraeder. En skjematisk visning av strukturen i kjemiske symboler er vist I Fig.4. Mer forseggjorte figurer av kvartsmolekylær struktur finnes i kapittelstrukturen.

Fig.5 480×640 29kb Fig.6

si-O-Si-bindingen som forbinder to tetraeder er ikke rett (180°), men danner en vinkel på 144° i kvarts (Fig .5). Som et resultat er den samlede krystallstrukturen av kvarts ganske kompleks. I andre silikaendringer er denne vinkelen forskjellig, mens vinklene inne I sio4 tetraeder (definert Av O-Si-o-bindingen) forblir i utgangspunktet de samme. Tabellen nedenfor viser vinkler og avstander for noen få silikaendringer.

Data fra:
➛Hollemann & wiberg, 1985
➛rykart, 1995
Måling Med JMol basert på enhetcellekoordinater.Oksygen har en iboende tendens til å danne en vinkel X-O-X-binding, som gjør sine naboer i det periodiske system av elementer. Figur 6 viser modeller av fire hydrogenforbindelser, vann (H2O), metan (CH4),ammoniakk (NH3) og silan (SiH4). De interatomiske avstandene Og de relative størrelsene Av C, N, O og Si skal skaleres, men hydrogenatomene er overdimensjonert for lesbarhet. CH4-og SiH4-molekylene er åpenbart tetrahedrale. NH3 OG H2O er nesten formet som et metanmolekyl med 1 eller 2 hydrogenatomer fjernet, med En H-O-H-vinkel på 104,5° og En H-N-H-vinkel på 106,8°. Årsaken til denne likheten er geometrien til bindende elektronorbitaler, de fire såkalte sp3 hybridorbitaler, som danner et tetraeder. Et tetrahedral arrangement av fire sp3 hybrid orbitaler finnes også i silisium og er hovedårsaken til den tetrahedrale formen Og stivheten Til SiO4-enheten i silika og silikater.

fra Denne forventer Si-O-si-vinkelen å være mindre, så hvorfor er Den mer åpen? For en, fordi Si-o-bindingen er svært polar og oksygenatomene er negativt polarisert, er det repulsive krefter Mellom sio4-gruppene, og en rett Si-O-Si vil holde oksygenatomene på større avstand. I tillegg er lengden På si-o-bindingen kortere enn beregnet for en enkeltbinding: verdien skal være 0,181 nm, men er faktisk rundt 0,161 nm i kvarts og har lignende verdier i andre silikaendringer. Dette er en indikasjon på en delvis dobbeltbindende karakter av denne bindingen (Hollemann & Wiberg, 1985), som også ville forklare sin store styrke . Dette dobbeltobligasjonen er i overensstemmelse Med større Enn forventet si-O-Si-vinkelen (144° i stedet for 109.5°). Merk At si-O-avstanden er korteste i β-tridymitt, og denne modifikasjonen har En si-O-Si-vinkel på 180°. Teorien bak den delvise dobbeltbindende karakteren er ganske kompleks, og jeg vil ikke gå videre inn i den.

Silika og Silikater

selv om kjemisk talt silika er et oksid, i Angloamerikansk mineralogisk litteratur kvarts og alle andre silika modifikasjoner er vanligvis klassifisert som silikater (basert På en klassifisering ordningen etablert Av Dana). Begrunnelsen for å kalle kvarts et silikat er at det er bygget opp Av et nettverk Av SiO4 tetraeder. Silikater er klassifisert i henhold Til Måten SiO4 tetraeder er integrert i krystallstrukturen og om og hvordan tetraedra er koblet til hverandre, og i henhold til dette kalles kvarts et tektosilikat («nettverkssilikat «eller»rammesilikat»). et silikat er et salt av kiselsyrer og en eller flere metaller. Orthosilicic acid, H4SiO4, er bare den enkleste formen, andre kiselsyrer er laget Av Flere koblede SiO4-enheter med festet hydrogen.

man kan tro at silikater dannes når et metallhydroksid og orthosilicic acid reagerer, som

men dette er ikke måten silikater vanligvis dannes i naturen. Silikater kan dannes når et metalloksid eller karbonat reagerer med silika, som

Lignende reaksjoner forekommer faktisk i naturen, dannelsen av wollastonitt under metamorfe prosesser er allerede nevnt (reaksjon ). Men den normale måten å silikatdannelse er en transformasjon: silikater reagerer med hverandre for å danne nye silikater. Når sio4 tetraeder er dannet, er det ikke lett brutt fra hverandre, og kan bare brukes i reaksjoner for å danne nye ringer, kjeder, ark eller nettverk av tetraeder. Bare svært sjelden og i svært spesielle miljøer kan man finne silisium i ikke-silikatmineraler.

Renhet Av Kvartskrystaller

I Motsetning til de fleste mineraler er en klar kvartskrystall alltid kjemisk ren, Med Et SiO2-innhold som nærmer seg 99,5%, ofte mer. Det er i utgangspunktet to grunner til dette.for det Første har kvarts en makromolekylær struktur. Det inneholder ikke isolerte ioner av noe element som lett kan erstattes av et annet element. Hvis for eksempel et salt (en forbindelse laget av isolerte ioner holdt sammen av elektrostatiske krefter) vokser i en vannaktig løsning, kan dets ioner nesten vilkårlig erstattes så lenge størrelsen og ladningen av de erstattende ionene har en identisk verdi. Når kvarts vokser fra en vannaktig løsning, er det bokstavelig talt ingenting «attraktivt» på den voksende overflaten til andre ioner i løsningen. Bare hvis for eksempel en gruppeenhet er bygget inn i stedet For En SiO4-enhet, blir strukturen elektrisk ubalansert og tillater en ekstra liten monovalent kation (for det meste H+, Men Også Na+ eller Li+) å bli inkludert. Bare noen få elementer oppfyller kriteriene for å fungere som erstatning for silisium I SiO4-enheten, som aluminium i -, fosfor i + eller jern i – og utløse inkludering av ytterligere ioner. Interessant, mineral berlinitt, AlPO4, som kan tolkes som formelen O2 er en strukturell isomorph av kvarts, viser nesten identiske strukturelle og symmetri egenskaper, og svært like fysiske egenskaper:

For Det Andre er det tredimensjonale nettverket Av sio4 tetraeder ganske stivt. Mange mineraler kan tolerere relativt store mengder visse andre atomer og / eller ioner i deres krystallgitter uten å vise store avvik i deres fysiske egenskaper. Fargen kan endres helt, men krystallene vises klare og ensartede, da krystallgitteret er noe fleksibelt eller romslig og opprettholder sin opprinnelige struktur som helhet. Krystallgitteret av kvarts er imidlertid stramt og svært ufleksibelt (gjør det vanskelig, men sprøtt), og bare svært små mengder av en rekke andre elementer med små kationer (vanligvis Li, Na, H) kan bygges inn under vekst uten å forvride gitterets struktur. Og faktisk er mengden monovalente kationer funnet i kvarts omtrent proporsjonal med mengden aluminium. Kvarts som inneholder større mengder andre stoffer er gjennomskinnelig til ugjennomsiktig, og ofte kjedelig, fordi krystallet «vokser rundt» de vedlagte mineralene, og lyset er spredt ved grensene til de forskjellige materialene.

dette er generelt ikke sant for de andre modifikasjonene av silika, og det ser ut til at for noen av dem har tilstedeværelsen av sporstoffer faktisk en stabiliserende effekt på strukturen.Men mens den samlede sammensetningen av klare kvartskrystaller er bemerkelsesverdig ren (i hvert fall sammenlignet med de fleste andre mineraler), er urenhetene vanligvis ikke jevnt fordelt i krystallet. Konsentrasjonene av individuelle elementer kan variere med en størrelsesorden innen noen få mikrometer avstand. For eksempel kan konsentrasjonen av aluminium variere mellom mindre enn 5 ppma (deler per million atomer) til 10000 ppma i en enkelt krystall (➛Perny et al. 1992). Mønsteret av sporelementfordelingen kan gjøres synlig med en teknikk som kalles katodoluminescens: høy-energi elektronstråler («katodestråler») induserer kortvarige luminescenseffekter som kan fanges på vanlig film. De resulterende fotografier av tynne skiver av krystaller viser en fin laminær mønster. Lagene ligger parallelt med krystallflatene, som ligner på fantomer, så dette mønsteret av sporelementfordeling skyldes raske endringer i vekstmiljøet.

Kjemisk ren Er fortsatt ofte ikke ren nok til tekniske formål. En perfekt, homogen krystall er like gjennomsiktig som et vakuum, men sporstoffer forårsaker forvrengninger og defekter i krystallgitteret, og dette påvirker igjen de optiske egenskapene. De fleste elementene som er innebygd i kvarts (H, Li, Al, Na, Ti, Fe) er allestedsnærværende og så videre rensing av silika er komplisert og dyrt. Av den grunn er forekomster av kvarts med lavt sporelementinnhold fortsatt ettertraktet (se for eksempel ➛Larsen et al. 2000).

Ytterligere Informasjon, Litteratur, Lenker

en tabell med kvartsegenskaper finnes på mindat.org:

Et annet bord på www.webmineral.com:

Fotnoter

1 IUPAC er en organisasjon som tar sikte på å eliminere tvetydigheter og morsomme, men kjente navn Som Knallsä (tysk for «banging acid», fulminic acid) fra kjemisk nomenklatur. Gamle navn er fortsatt gyldige så lenge de er entydige.

2 noen av dere kan finne det fristende å gjøre noen eksperimenter med hydrogenfluorid. Hydrogenfluorid er et veldig farlig stoff. Bare slå opp en sak i en god lærebok om toksikologi; etter forelesningen vil du ikke røre den selv med en pol. Den vandige løsningen er ikke en sterk syre( ren HF er), og de uoppløselige små hf-molekylene trenger lett inn i huden og binder kalsium i cellene for å danne uoppløselig fluoritt, CaF2. Kalsium er viktig for levende funksjoner i alle kroppens celler. En liten dråpe på en finger som går ubemerket som det ikke umiddelbart vondt kan – etter noen forsinkelse – forårsake betydelig skade og stor smerte.
La oss raskt gjøre matematikken: 1 Mol HF = 20g. en dråpe (omtrent 50 µ) av en 20% løsning inneholder 0.00005 l x (200g/l) = 0.01 g. 10 mg, det høres ikke ut som mye.
1 Mol Ca = 40g og 1 Mol F = 19g. 1 Ca vil binde 2 F, dermed 40g Ca vil binde 38g F fra 40g HF. 1 ml kroppsvev inneholder ca 0,1 mg Ca, og 0,1 mg HF vil la det utfelle nesten helt. I teorien kan 10mg HF i den lille dråpen utfelle det meste Av Ca i 100 ml vev, og drepe alle celler i den.
og nei, jeg er ikke imot vannfluoridering (ingen ironi her).3begrepet «meteorisk vann» refererer til opprinnelsen fra atmosfæren, ikke fra meteoritter. Grekerne trodde stjerneskudd kom fra samme sfære som skyene: Stjerner og planeter ble ansett som evige vesener, noe skyer og skyte stjerner er åpenbart ikke. Tenk på «meteorologi».

4det er derfor kvarts i vulkanske bergarter ofte ledsages av kalsitt.

5dette er noe motintuitivt, men en mettet løsning er i en termodynamisk likevekt med krystallet. Når et molekyl er innlemmet i en krystallstruktur, nye bindinger vil bli dannet, og avhengig av geometrien av krystallstrukturen, mer eller mindre energi frigjøres eller forbrukes. For å oppløse et stoff er det nødvendig med energi for å bryte opp bindingene, men energi frigjøres også når vannmolekyler orienterer seg mot det oppløste molekylet og danner nye elektrostatiske bindinger (hydratiseringsenergi). En mer stabil modifikasjon av en forbindelse er generelt mindre løselig, da mer energi er nødvendig for å bryte bindingene.
Dette har ingenting å gjøre med reaksjonshastigheten. Under visse forhold vil en mer ustabil modifikasjon dannes først fra en løsning, og først senere vil den bli erstattet av den stabile modifikasjonen: Kryptokrystallinsk kvarts dannes vanligvis fra en vannaktig løsning, men med cristobalitt og opal som mellomliggende trinn, fordi kinetikken til reaksjonene er til fordel for opaldannelse. Og når du legger en kvartskrystall i 1 liter rent vann ved romtemperatur, kan du være ganske sikker på at når du tar den ut neste dag, vil den ikke veie 2,9 mg mindre. Sannsynligvis vil det være svært vanskelig å måle forskjellen. Kanskje etter en måned, eller etter et år.6tetraederet i kvarts er faktisk ikke helt isometrisk som et ideelt tetraeder, men litt forvrengt, fordi avstanden til det sentrale silisiumatomet er 0,16101 nm for 2 oksygenatomer og 0,16145 nm for de 2 andre oksygenatomer. Denne avviket fra den ideelle formen er ubetydelig for de fleste praktiske formål, da den er mindre enn 0,3%.

7 oksidasjonstallene For Si Og O er faktisk henholdsvis + 4 og -2. Energien som trengs for å faktisk fjerne 4 elektroner fra Si er for høy til å tillate en stabil rent ionisk binding. Selv SiF4 er en forbindelse med polare, men kovalente bindinger, til tross for høy elektronegativitet av fluor. Men Si4-anionforbindelser eksisterer (Som Ca2Si).

8Rykart (1995) gir verdiene henholdsvis 152.8 hryvnja og 143.5 hryvnja for α – og hryvnja-quartz. Dette ser ut til å være en typografisk feil, verdiene skal byttes.

9men det er ikke sant at «noe går». Når et mineral dannes, bygges elementer og ioner inn i krystallgitteret når de oppfyller visse kriterier, som en bestemt ladning, størrelse eller elektronegativitet, og dermed ligner de som allerede danner gitteret.

Utskriftsvennlig Versjon