Диаграмма состояния Si02

Кремнезем в свободном виде и в виде разнообразных соединений является важнейшей составной частью многочисленных природных силикатов и технических продуктов.

Система Si0₂ является однокомпонентной со сложными полиморфными превращениями. Диаграмма состояния Si0₂ построена К. Феннером (см. рис. 28). Схема превращений Si0₂ приведена ниже:

aside class="viderzhka__img" itemscope itemtype="http://schema.org/ImageObject">

Рис. 28. Диаграмма состояния системы Si0_2.

Как видно из диаграммы состояния и схемы превращений, Si0₂ образует три главные модификации: кварц, тридимит и кристобалит, каждая из которых имеет свои а, (} и у модификации.

При обычных температурах в устойчивом состоянии находится лишь (3-кварц; у-тридимит и p-кристобалит — неустойчивы, хотя могут существовать неопределенно долго.

Превращения кремнезема можно разделить на две группы:

I группа — быстрые превращения какой-либо главной формы, отмеченные вертикальными линиями в схеме превращений. Эти превращения связаны с незначительной перестройкой кристаллической решетки.

II группа — медленные превращения (сутки, недели) между главными формами вследствие глубокой перестройки кристаллической решетки. Эти превращения на схеме обозначены горизонтальными линиями.

При 1728 °C происходит плавление а-кристобалита, но расплав вплоть до 2000 °C остается вязким, при переохлаждении он превращается в кварцевое стекло. Кварцевое стекло является неустойчивой формой, которая может сохраняться бесконечно долго. Раскристаллизация кварцевого стекла интенсивно протекает при температурах выше 1000 °C.

Химическая связь в Si0₂ описана ранее в главе I, расстояние связей Si-О в тетраэдре [Si0₄]^4- и валентные углы связей Si-0-Si приведены в табл. 10.

Рис. 29. Схема структуры (3-кварца по Брэггу и Джиббсу.

Примеры сочленения тетраэдров разных модификаций кремнезема приведены на рис. 29, 30. При нагревании превращения кварца из одной кристаллической модификации в другую сопровождаются значительными объемными изменениями (рис. 31):

• 573 °C (3-кварц а-кварц, аЬ = 0,32%;
• 117°Су-тридимит<�"р-тридимит, cd= 0,1%;
• 163 °C [3-тридимит а-тридимит, ef= 0,16%;
• 150−275 °С (3-кристобалит а-кристобалит, gh = 1,05%.

Наиболее опасным является превращение (3-кварц а-кварц при 573 °C. Эти превращения имеют место при обжиге керамики, синтезе силикатных материалов.

Рис. 30. Схема структуры а-кристобалита

Рис. 31. Расширение при нагревании неориентированных кварца, тридимита и кристобалита и линейные эффекты быстрых полиморфных превращений.

В природе известны следующие разновидности р-кварца.

Горный хрусталь — наиболее чистый материал. Применяется в оптике, варке прозрачного кварцевого стекла, в приборах ультрафиолетового облучения как пьезоэлектрик.

Жильный кварц — применяют в производстве керамики, динасовых огнеупоров, варке стекла.

Кварцевые пески — продукты размельчения жильного кварца и других горных пород. Применяют в керамике, варке стекла, в производстве цемента, строительных растворов и бетонов.

Известны ювелирные камни из кварца: аметист, дымчатый кварц, морион, цитрин, халцедон, агат, яшма и др.