二氧化硅的工业化生产
15页1、1 二氧化硅的工业化生产1.1 二氧化硅的种类二氧化硅也称硅质原料, 不仅包括天然矿物, 也包括各种合成产品,其产品可分为结晶态和无定形态两类。二氧化硅天然矿物通常包括结晶态二氧化硅矿物石英砂、脉石英、粉石英和无定形硅矿物硅藻土。合成产品主要是白炭黑(无定形二氧化硅),包括气相白炭黑(气相二氧化硅)、沉淀白炭黑(沉淀二氧化硅)。石英是二氧化硅天然矿物的主要矿物组分,化学成分为SiO2,玻璃光泽, 断口呈油脂光泽。 贝壳状断口,莫氏硬度7,密度 2.652.66 。颜色不一,无色透明的叫水晶,乳白色的叫乳石英。按其结晶习性分,三方晶系的为低温石英,又叫 - 石英;六方晶系的为高温石英,又称 - 石英。石英砂是一个矿产品的专门名词,它泛指石英成分占绝对优势的各种砂,诸如海砂、河砂、湖砂等。地质学按成因将它们划分为冲积砂、洪积砂、残积砂等。石英砂的矿物含量变化很大,以石英为主,其次包含各类长石、岩屑、重矿石(石榴子石、电气石、辉石、角闪石、榍石、黄玉、绿帘石、钛铁矿等)以及云母、绿泥石、黏土矿物等。石英砂岩, 是一种固结的砂质岩石,常简称为砂岩,是自然界最常见、最普通的硅质矿物原料之一,其石
2、英和硅质碎屑含量一般在2 95% 以上,副矿物多为长石、云母和黏土矿物,重矿物含量很少。常见的重矿物有电气石、金红石、磁铁矿等。石英岩是由石英砂岩或其他硅质岩石经过变质作用而形成的变质岩。脉石英是与花岗岩有关的岩浆热液矿脉,其矿物组成几乎全部为石英。粉石英是一种颗粒极细、 二氧化硅含量很高的天然石英矿。粉石英这一词过去叫法很多, 它既包括天然的粉石英, 同时也包括了由硅质矿物原料(石英岩、脉石英)加工而成的石英细粉。硅砂是以石英为主要成分的砂矿飞总称。以天然颗粒状态从地表或地层中产出的硅砂, 以及石英岩、 石英砂岩风化后呈粒状产出的砂矿称为“天然硅砂” (或简称“硅砂”) 。与此对应,将块状石英岩、石英砂岩粉碎成粒状则称“人造硅砂”。1.2 二氧化硅的性质1.2.1 性质二氧化硅在自然界分布很广,如石英、石英砂等。白色或无色,含铁量较高的是淡黄色。 密度 2.652.66 。熔点 1670(鳞石英);1710(方石英)。沸点2230。不溶于水微溶于酸,微粒时能与熔融和碱类起作用。二氧化硅的化学式SiO2,式量 60.08 ,也叫硅石,是一种坚硬难溶的固体。 它常以石英、鳞石英、方石英三
3、种变体出现。从地面往下16 千米几乎 65为二氧化硅的矿石。天然的二氧化硅分为晶态和无3 定形两大类,晶态二氧化硅主要存在于石英矿中。 纯石英为无色晶体,大而透明的棱柱状石英为水晶。 二氧化硅是硅原子跟四个氧原子形成的四面体结构的原子晶体,整个晶体又可以看作是一个巨大分子,SiO2 是最简式,并不表示单个分子。无定形二氧化硅为白色固体或粉末。二氧化硅的化学性质很稳定, 不溶于水也不跟水反应, 是酸性氧化物,不跟一般酸反应。二氧化硅的性质不活泼,它不与除氟、 氟化氢和氢氟酸以外的卤素、卤化氢和氢卤素以及硫酸、硝酸、高氯酸作用。氟化氢 ( 氢氟酸)是唯一可使二氧化硅溶解的酸, 生成易溶于水的氟硅酸。反应式如下所示:SiO2 4HF = SiF4 2H2O 二氧化硅与碱性氧化物SiO2 CaO =(高温) CaSiO3 二氧化硅能溶于浓热的强碱溶液:SiO2 2NaOH = Na2SiO3 H2O (盛碱的试剂瓶不能用玻璃塞而用橡胶塞)在高温下,二氧化硅能被碳、镁、铝还原:SiO22C=Si2CO 1.2.2 二氧化硅结构在大多数微电子工艺感兴趣的温度范围内,二氧化硅的结晶率低到可以被忽略。
4、 尽管熔融石英不是长范围有序,但她却表现出短的有序结构,它的结构可认为是 4 个氧原子位于三角形多面的脚上。多面体4 中心是一个硅原子。这样, 每 4 个氧原子近似共价键合到硅原子,满足了硅的化合价外壳。 如果每个氧原子是两个多面体的一部分,则氧的化合价也被满足, 结果就成了称为石英的规则的晶体结构。在熔融石英中,某些氧原子, 成为氧桥位,与两个硅原子键合。某些氧原子没有氧桥, 只和一个硅原子键合。 可以认为热生长二氧化硅主要是由人以方向的多面体网络组成的。 与无氧桥位相比,有氧桥的部分越大,氧化层的粘合力就越大, 而且受损伤的倾向也越小。 干氧氧化层的有氧桥与无氧桥的比率远大于湿氧氧化层。因此,可以认为,SiO2 与其说是原子晶体, 却更近似于离子晶体。 氧原子与硅原子之间的价键向离子键过渡。二氧化硅是制造玻璃、石英玻璃、水玻璃、光导纤维和耐火材料的原料。当二氧化硅结晶完美时就是水晶;二氧化硅胶化脱水后就是玛瑙;二氧化硅含水的胶体凝固后就成为蛋白石;二氧化硅晶粒小于几微米时,就组成玉髓、燧石、次生石英岩。物理性质和化学性质均十分稳定的矿产资源,晶体属三方晶系的氧化物矿物,即低温石英(
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