[科普中国]-硅石

硅石性质物理性质

二氧化硅又称硅石(石英砂)2，化学式SiO2。自然界中存在有结晶二氧化硅和无定形二氧化硅两种。结晶二氧化硅因晶体结构不同，分为石英、鳞石英和方石英三种。纯石英为无色晶体，大而透明棱柱状的石英叫水晶。若含有微量杂质的水晶带有不同颜色，有紫水晶、茶晶、墨晶等。普通的砂是细小的石英晶体，有黄砂(较多的铁杂质)和白砂(杂质少、较纯净)。二氧化硅晶体中，硅原子的4个价电子与2个氧原子形成4个共价键，硅原子位于正四面体的中心，4个氧原子位于正四面体的4个顶角上，整个晶体是一个巨型分子，SiO2是表示组成的最简式不表示单个二氧化硅分子，仅是表示二氧化硅晶体中硅和氧的原子个数之比。SiO2中Si—O键的键能很高，熔点、沸点较高(熔点1723℃，沸点2230℃)。自然界存在的硅藻土是无定形二氧化硅，是低等水生植物硅藻的遗体，为白色固体或粉末状，多孔、质轻、松软的固体，吸附性强。

化学性质酸性氧化物、硅酸的酸酐。化学性质很稳定。不溶于水也不跟水反应，不跟一般的酸起作用。能与氟化氢气体或氢氟酸反应生成四氟化硅气体。SiO2+4HF SiF4↑+2H2O有酸性氧化物的其它通性，高温下能与碱(强碱溶液或熔化的碱)反应生成盐和水。常温下强碱溶液与SiO2缓慢地作用生成相应的硅酸盐。强碱溶液能腐蚀玻璃，故贮存强碱溶液的玻璃瓶不能用磨口玻璃塞，若采用玻璃塞(玻璃中含SiO2)，会生成有粘性的硅酸钠，将玻璃瓶塞和瓶口粘结在一起。玻璃瓶内不能久放浓碱液。高温下二氧化硅与碱性氧化物或某些金属的碳酸盐共熔，生成硅酸盐。SiO2+CaO CaSiO3(炼铁造渣)将此高温下熔融状态的硅酸钠降温、冷却，可得石英玻璃，它有良好的透过紫外线性能，可作水银灯罩、耐高温的化学仪器、石英坩埚和光学仪器等。来源多由岩浆热液形成的或沉积形成。

性质评价外观性质外观性质主要是硅石的外形、断面、颜色、光泽、夹杂物等。通过外观，可以初步判定硅石是结晶硅石还是胶结硅石，是否是脉石英等1。

结晶硅石外观一般呈乳白色、灰白色、淡黄色以及红褐色。有鲜明的光泽，断面平滑连续，并带有锐利棱角，硬度、强度都很大。脉石英呈致密块状，纯白色，半透明，发油脂光泽，断面呈贝壳状，石英结晶颗粒多在2mm以上，肉眼可辨。

胶结硅石外观有白色、灰白色、黄灰色、黑色、红色等，断面致密，呈贝壳状，没有明显的粒状组织结构，断面的锐棱不明显，几乎没有光泽。

优良的硅石应该呈致密块状，有时有贝壳状或鳞状断面，没有明显的层状结构，在层与层之间没有夹杂物，并且不带石灰石外壳。其颜色取决于杂质，通常铁质化合物使硅石呈红褐色，有机物杂质则使硅石带灰色、黑色等。

组织结构研究硅石的微观组织结构对评价硅石的质量很重要。用它可以正确判定硅石的结晶类型、石英颗粒的大小与分布、杂质及分布状况。我国主要产地硅石的显微结构特征如表1-5所列1。

表1-5硅石的显微结构特征

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根据硅石的显微特征在一定程度上可以判断硅石的加热性质与转变情况，为制砖提供工艺依据。胶结硅石的活性较大，其转变速度比结晶硅石快；胶结物愈多，其转变速度愈快。石英颗粒的粗细及变形程度也影响转变速度，一般结晶颗粒粗大的较细小的慢。对于结晶硅石，如果石英结晶比较小，粒度大小不一，并以锯齿状结构交错紧密结合，则煅烧时容易转变，膨胀也不大，并且不易松散；如果硅石的石英结晶较大且直径大小接近并呈圆形，则烧成膨胀大，转变慢，易松散，烧成容易产生裂纹，硅砖的气孔率高，强度低。

化学成分与耐火度硅石中SiO2是主成分，Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、TiO2等均为杂质。硅石的化学成分愈纯，SiO2含量愈高，其耐火度也愈高。一般要求：SiO2≥96%，Na2O+K2O≤0.2%～0.4%。

Al2O3的存在除增加硅石在高温下形成液体的趋势外，还会延缓硅石的分解。Al2O3含量多时还会显著降低砖体的荷重软化点，Al2O3为2%，荷重软化点降低125°C；Al2O3为6%时，则降低275°C。因此，一般控制Al2O399%），煅烧时转化迟钝，膨胀性大，直接用于制砖较为困难。

⑵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。

结晶硅石与胶结硅石的特征对比如表1-1所列。

表1-1结晶硅石与胶结硅石的特征

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按转变速度分类从硅砖的制造工艺观点出发，依照硅石原料在1450°C时煅烧1小时的真比重大小，可将硅石非为极慢、慢速、中速和快速转变四种类型（表1-2）。因鳞石英的真比重（2.242）较小，烧后真比重越小，则表明转变成鳞石英的数量也多。

表1-2硅石的转变速度分类

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