硅石

硅石（Silicon   rock）是脈石英、石英巖、燧石和應(yīng)時(shí)砂巖統(tǒng)稱。它的主要化學(xué)成分是二氧化硅，一般含鐵、鋁、鉻和鈦的氧化物等雜質(zhì)是地球上最常見(jiàn)的礦物之一并且可以在許多巖石和土壤中找到?？捎米霾Ａг?、冶金溶劑、石料和制造硅質(zhì)耐火材料等。

硅石（不含風(fēng)化的應(yīng)時(shí)砂巖）是用于冶金熔劑、耐火材料、生產(chǎn)工業(yè)硅的主要原料等。由于其硬度高，加工成本高，除了硅資源稀缺的地區(qū)，玻璃生產(chǎn)中很少使用原料。工業(yè)硅作為現(xiàn)代新能源和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要原材料，被大規(guī)模廣泛應(yīng)用、超大規(guī)模集成電路、光纖、太陽(yáng)能電池、激光、航天、軍事等行業(yè)成為信息時(shí)代的基本支柱。二氧化硅是影響國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的重要礦產(chǎn)資源。

2022年全球硅產(chǎn)量排名前五的國(guó)家是：中國(guó)、俄羅斯、巴西、挪威和美國(guó)。

硅石的歷史可以追溯到古代文明早期人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了含有硅的石頭，并將它們用于工藝品和裝飾。在古埃及文明中，硅石的使用可以追溯到公元前3000年左右。古埃及人發(fā)現(xiàn)了應(yīng)時(shí)，并用它來(lái)制作珠寶、雕塑和裝飾品。他們還用砂巖制造玻璃，這是早期玻璃制造的一個(gè)重要里程碑。在古希臘和古羅馬文明中，硅石的應(yīng)用也得到了發(fā)展。古希臘人將水晶和應(yīng)時(shí)作為寶石，認(rèn)為它們具有神圣的力量。古羅馬人用應(yīng)時(shí)和玻璃制作珠寶、容器和建筑材料。

在中世紀(jì)和文藝復(fù)興時(shí)期，玻璃技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展，并傳播到整個(gè)歐洲。玻璃已經(jīng)成為建筑和藝術(shù)領(lǐng)域的重要材料。

1819世紀(jì)，工業(yè)革命的推動(dòng)使得二氧化硅的應(yīng)用更加廣泛。19世紀(jì)20年代，一位名叫Jons Berzelius的瑞典化學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里設(shè)法從含硅化合物中提純出硅，為現(xiàn)代硅工業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。19世紀(jì)中葉，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了二氧化硅在化學(xué)工業(yè)中的重要性。

20世紀(jì)以來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和工業(yè)的發(fā)展，二氧化硅的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，特別是電子工業(yè)和半導(dǎo)體工業(yè)的興起，使得二氧化硅成為制造集成電路和電子器件的關(guān)鍵材料。

化學(xué)組成

二氧化硅主要由硅和氧兩種元素組成它的化學(xué)成分是二氧化硅，化學(xué)式為SiO2，是硅和氧的化合物硅石是一種氧化物礦物。

硅石

物理性質(zhì)

二氧化硅的硬度相對(duì)較高，其硬度為7（根據(jù)莫氏硬度標(biāo)度），是自然界常見(jiàn)的高硬度礦物之一。因此，二氧化硅被廣泛用于研磨和拋光。硅石的密度通常為2.2至2.65克/立方厘米之間，具體數(shù)值取決于其形態(tài)和結(jié)構(gòu)。應(yīng)時(shí)的熔點(diǎn)大約是1720攝氏度。二氧化硅的顏色取決于雜質(zhì)含量，常見(jiàn)的顏色有無(wú)色、灰褐色、黑色、和粉紅色等幾種。

結(jié)晶形態(tài)

二氧化硅可以以多種晶體形式存在，其中最常見(jiàn)的是應(yīng)時(shí)。應(yīng)時(shí)具有六角形結(jié)構(gòu)，但二氧化硅也可以是無(wú)定形的（無(wú)定形）存在，如玻璃砂。其他形式包括晶體、紫水晶、瑪瑙等。二氧化硅的晶體結(jié)構(gòu)由硅氧四面體組成，硅原子和四個(gè)氧原子形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。根據(jù)晶體形態(tài)的不同，自然界中有三種不同形態(tài)的結(jié)晶二氧化硅：α石英、鱗石英和方應(yīng)時(shí)，這些不同形態(tài)的硅石有兩種變體高溫型和低溫型。因此，結(jié)晶二氧化硅實(shí)際上有六種不同的晶體形式（下面的圖片只顯示了四種不同的晶體形式）

耐火材料工業(yè)中使用的二氧化硅可分為結(jié)晶二氧化硅（再結(jié)晶石英巖）和膠結(jié)硅石（膠結(jié)石英巖）

結(jié)晶硅石

是由硅質(zhì)砂巖（石英砂巖）變質(zhì)巖是通過(guò)變質(zhì)作用重結(jié)晶而得到的。硅質(zhì)砂巖中的硅質(zhì)膠結(jié)物在地質(zhì)條件的作用下，在原應(yīng)時(shí)顆粒表面重結(jié)晶，成為應(yīng)時(shí)顆粒的放大部分。因此，其組織結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：它由結(jié)晶的應(yīng)時(shí)顆粒組成，應(yīng)時(shí)顆粒之間沒(méi)有膠結(jié)物或非常少（3%~8%由于變質(zhì)過(guò)程中的重結(jié)晶作用，應(yīng)時(shí)顆粒緊密連接在一起，形成各種變質(zhì)構(gòu)造，如鋸齒構(gòu)造，這是原生硅質(zhì)砂巖中所沒(méi)有的、花崗巖結(jié)構(gòu)和鑲嵌結(jié)構(gòu)等。

膠結(jié)硅石

應(yīng)時(shí)顆粒由硅質(zhì)膠結(jié)物組成膠體結(jié)構(gòu)主要為隱晶次生應(yīng)時(shí)，膠結(jié)物含量通常占30左右%~75%結(jié)合二氧化硅中的應(yīng)時(shí)顆粒結(jié)晶小，雜質(zhì)多，受熱易轉(zhuǎn)化。

二氧化硅在世界上分布廣泛，主要集中在美國(guó)、中國(guó)、俄羅斯、法國(guó)、挪威、哈薩克斯坦、冰島、馬來(lái)西亞、巴西、不丹。比如美國(guó)加州、科羅拉多州、亞利桑那州、德克薩斯和其他地區(qū)生產(chǎn)大量的硅石，包括應(yīng)時(shí)、水晶等。俄羅斯 烏拉爾山脈、西伯利亞和遠(yuǎn)東也有豐富的硅石資源。巴西米納斯吉拉斯、巴拉圭和巴伊亞出產(chǎn)大量硅石，包括高質(zhì)量的應(yīng)時(shí)和水晶。中國(guó)硅石資源主要分布在云南、江西、安徽、河南甘肅兩省。中國(guó)大部分地區(qū)二氧化硅產(chǎn)品用于工業(yè)和建筑材料。

目前硅礦開(kāi)采的主流技術(shù)是用小型鉆機(jī)鉆孔，采用深孔多排微差爆破法。其中，較大的礦石進(jìn)行破碎，合適的粒度裝車運(yùn)輸?shù)胶Y分場(chǎng)進(jìn)行破碎篩分，直至得到合適的硅礦石。

冶煉提純

硅石通常與木炭或其他含碳材料如煤一起熔煉、焦油等還原石英砂得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%~99%，稱為冶金級(jí)硅。冶金級(jí)硅又稱粗硅或硅鐵，主要含鐵、鋁、碳、硼、磷、銅和其他雜質(zhì)，這種純度的硅用于冶金工業(yè)。高溫下二氧化硅的化學(xué)反應(yīng)（1600~1800℃）碳被還原得到單質(zhì)硅和一氧化碳?xì)怏w，具體反應(yīng)式如下：

粗硅的提純是一系列物理和化學(xué)過(guò)程。由于硅不溶于酸，粗硅的初步提純一般采用酸洗的方法，先去除高鐵含量、鋁等金屬雜質(zhì)；進(jìn)一步提純一般采用蒸餾法，蒸餾法只能提純液體混合物，因此需要將酸洗后的硅轉(zhuǎn)化為液體硅化物，再將提純后的液體硅化物還原，從而獲得電子級(jí)高純多晶硅。

玻璃制造：制備玻璃的重要原料之一是二氧化硅玻璃是一種透明的無(wú)定形二氧化硅材料、耐熱、耐腐蝕等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑中、家具、封裝和光學(xué)器件等領(lǐng)域。

電子和半導(dǎo)體工業(yè)：二氧化硅是制備硅的主要原料，硅是電子和半導(dǎo)體工業(yè)的關(guān)鍵材料。硅被用來(lái)制造集成電路、太陽(yáng)能電池、半導(dǎo)體器件是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)。

珠寶和裝飾品：應(yīng)時(shí)和其他二氧化硅形式廣泛用于生產(chǎn)珠寶和裝飾品。它們被用來(lái)制作珠寶、擺件、吊墜等。

建筑和建材：石英砂和礫石常用于建筑材料的制備。硅石可以用來(lái)制造混凝土、砂漿、磚和其他建筑材料用于道路建設(shè)和房屋建設(shè)。

耐火材料：二氧化硅可用于制備高溫環(huán)境下保溫隔熱用耐火材料。

二氧化硅的應(yīng)用范圍很廣，除了上述領(lǐng)域，二氧化硅還用于化妝品、橡膠和塑料添加劑、防火材料、紡織品和懸浮劑也可用作合金添加劑，提高金屬的機(jī)械性能和耐腐蝕性。硅石是一種廣泛使用的礦物，具有重要的工業(yè)和商業(yè)價(jià)值。二氧化硅的廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代工業(yè)和日常生活中起著重要的作用。

硅礦的開(kāi)采會(huì)破壞地表植被，造成水土流失，影響土地的肥力和利用價(jià)值。同時(shí)，硅礦的開(kāi)采會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄物，如尾礦、廢渣、廢水等，如果不進(jìn)行有效的處理和處置，將會(huì)污染周圍的水源、土壤和空氣對(duì)人類和動(dòng)物健康有害。硅礦石的開(kāi)采還會(huì)改變地形地貌，降低區(qū)域的生態(tài)服務(wù)功能和美學(xué)價(jià)值，影響生物多樣性和景觀資源。

硅礦冶煉是高能耗生產(chǎn)，會(huì)消耗大量的電力和煤炭，造成能源浪費(fèi)和溫室氣體排放；硅礦冶煉過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量粉塵、廢水、廢渣等固體廢物，如果不進(jìn)行有效收集、處理和利用會(huì)影響土壤、水和空氣造成污染；硅礦冶煉過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生二氧化硫等有毒有害氣體、氯化氫、氫氟酸等，也對(duì)人類健康和生態(tài)環(huán)境有害。