فاز ها و اشکال سیلیس

تعداد بازدید: 1018
چهارشنبه 03 دي 1393

فاز ها و اشکال سیلیس

جهت بررسی فازها و اشکال سیلیس (Silica Phases & Forms) یا پلی مورف های سیلیکا (Silica polymorphs ) باید ابتدا به بررسی ساختمان آن پرداخت. چهار وجهی های SiO2 می توانند از طریق چهار راس خود به یکدیگر متصل شده و به این ترتیب بار منفی یکدیگر را به طور کامل خنثی کنند. بدیهی است که در این صورت هر اتم اکسیژن به دو چهار وجهی مجاور تعلق داشته و در نتیجه هر چهار وجهی دارای یک اتم سیلیسم و چهار نیمه اتم اکسیژن خواهد بود. به همین دلیل فرمول سیلیس به صورت SiO2 نمایش داده می شود. سیلیس آزاد بلورین به چند شکل یا پلی مورف در طبیعت یافت می شود که مهم ترین آن ها عبارتند از: کوارتز (Quartz) تریدیمیت (Tridymite) و کریستوبالیت (Cristobalite). هنگامی که دو چهار وجهی سیلیس به وسیله اتم مشترک راس خود به یکدیگر متصل می شوند، قاعده مثلثی شکل چهار وجهی پایینی و قاعده مثلثی شکل چهاروجهی بالایی نسبت به هم می توانند سه وضعیت مختلف داشته باشند.

در تریدیمیت این دو قاعده کاملا بر یکدیگر منطبق هستند در حالی که انطباق قاعده ها در کوارتز و کریستوبالیت دیده نمی شود. در کریستوبالیت یکی از قاعده ها نسبت به قاعده دیگر 60 درجه گردش نموده است. به طور کلی در تریدیمیت و کریستوبالیت اتصال چهار وجهی های مجاور به شکل مستقیم بوده و این اتصال ها حلقه هایی را متشکل از شش اتم سیلیسیم (به همراه اکسیژن های مربوطه) به وجود می آورند. در کوارتز اتصال چهار وجهی های مجاور مستقیم نبوده و به شکل مارپیچ است. به همین دلیل کوارتز دارای بیشترین تراکم در بین فاز های سیلیس است. وزن مخصوص کوارتز 3.65، تریدیمیت 2.28 و کریستوبالیت 2.32 است. شیشه سیلیسی و یا شیشه کوارتز فاز دیگر سیلیس آزاد است. به طور کلی سیلیس آزاد دارای فاز های کوارتز، تریدیمیت، کریستوبالیت و شیشه سیلیسی است.   وضعیت چهاروجهی ها نسبت به یکدیگر در کوارتز تریدیمیت و کریستوبالیت

هر یک از فاز ها یا شکل های اصلی سیلیس خود دارای اشکال فرعی دیگری (Forms) هستند. اشکال فرعی هر فاز بر حسب درجه حرارت خود معمولا به ترتیب با حروف α و β مشخص می شوند. فاز کوارتز دارای دو شکل فرعی α و β، فاز تریدیمیت دارای سه شکل β ،α و β2 فاز کریستوبالیت دارای دو شکل فرعی α و β هستند. تفاوت بین اشکال مختلف فاز های سیلیس در زاویه پیوند سیلیسِم و اکسیژن است. به طور کلی در سیلیس، اشکال متعلق به درجه حرارت های پایین تر نظم کمتری دارند.

تحولات فازی سیلیس

کوارتز، تریدیمیت، کریستوبالیت و سیلیس مایع چهار فاز پایدار سیلیس در شرایط تعادل هستند. کوارتز فاز پایدار در شرایط معمولی محیط است. فاز کوارتز تا درجه حرارت 870 درجه سانتی گراد هم چنان به صورت پایدار باقی مانده و سپس طبق منحنی تعادلی به تریدیمیت تبدیل می شود. تریدیمیت نیز به صورت پایدار بین درجه حرارت های 870 تا 1470 درجه سانتی گراد وجود داشته و پس از آن کریستوبالیت در درجه حرارت 1470 به وجود می آید و در نهایت کریستوبالیت در 1713 درجه سانتی گراد ذوب شده و فاز سیلیس مایع ایجاد می شود.

تبدیلات مذکور در عمل و به خصوص در مقیاس تولید صنعتی به همان سادگی که دیاگرام فازی نشان می دهد به وقوع نمی پیوندد. تبدیل فاز های سیلیس در عمل بسیار به کندی صورت پذیرفته و اغلب مدت زمان بسیار زیادی را لازم دارند تا به تعادل برسند. زیرا این عمل مستلزم شکسته شدن پیوند چهار وجهی ها و اتصال مجدد آن ها به شکل جدید است. به عنوان مثال تبدیل کوارتز به تریدیمیت آنقدر آرام و کند است که عملا بدون استفاده از کاتالیزور ها امکان پذیر نیست.برای ایجاد فاز تریدیمیت، ابتدا باید کوارتز تا درجه حرارت تشکیل کریستوبالیت یعنی بالاتر از 1470 و پایین تر از 1713 درجه سانتی گراد سرد شود تا فاز تریدیمیت ایجاد شود. به همین دلیل در فرآورده های سرامیک فاز تریدیمیت کمیاب بوده و معمولا به اندازه فاز های کوارتز، کریستوبالیت و سیلیس مذاب مورد توجه نیست. در بین محصولات سرامیک فاز تریدیمیت در بعضی از آجر های نسوز به طور عمده وجود دارد. در هنگام سرد شدن، تبدیل فازها باز هم مشکل تر شده و به طور عملی در مقیاس صنعتی تقریبا امکان ناپذیر است. در این شرایط عملا فاز های سیلیس مطابق منحنی تعادلی رفتار نکرده و در حالت غیر تعادلی فاز های نیمه پایدار یا metastable ظاهر می شوند.

  دیاگرام فازی سیلیس$تعداد پلی مورف های سیلیس$دیاگرام فازی SiO2

فازهای پایدار و نیمه پایدار سیلیس$stable and meta stable phases of sio2

 

شکل روبرو ضمن مشخص کردن فازهای پایدار سیلیس، فازهای نیمه پایدار را نیز نشان می دهد. در این سیستم پایدارترین فاز ها در یک درجه حرارت مشخص، فازهایی هستند که دارای پایین ترین فشار بخار هستند. این فازهای پایدار در شکل 27 با خطوط سیاه نشان داده شده و فازهای نیمه پایدار که دارای پایین ترین فشار بخار نیستند با خطوط نارنجی مشخص شده اند. همچنان که در این شکل مشخص است عملا در هنگام سرد شدن، فاز سیلیس مایع به کریستوبالیت تبدیل نشده بلکه شیشه سیلیسی را به وجود می آورد، به همین ترتیب هنگامی که فاز پایدار کریستوبالیت β تا درجه حرارتی کمتر از 1470 درجه سانتی گراد سرد می شود به تریدیمیت تبدیل نشده و در درجه حرارت اتاق فاز نیمه پایدار کریستوبالیت α وجود خواهد داشت. تریدیمیت نیز حین سرد شدن رفتاری مشابه کریستوبالیت را نشان می دهد، در هنگام سرد شدن، تریدیمیت β2 به فاز کوارتز تبدیل تبدیل نشده بلکه ابتدا فاز نیمه پایدار تریدیمیت β و سپس فاز نیمه پایدار تریدیمیت را در درجه حرارت اتاق به وجود می آورد.

کلمه conversion در زبان انگلیسی به معنی تبدیلات یک طرفه و غیر قابل برگشت است. این کلمه برای بیان تبدیل فاز های سیلیس به کار می رود. دلیل استفاده از این کلمه برای بیان تبدیلات فاز های سیلیس تقریبا مشخص است. به طور خلاصه این کلمه به این دلیل در این مورد استفاده می شود که تبدیل فاز های سیلیس بسیار کند بوده و در شرایط معمولی به سادگی قابل برگشت نیستند و بنابراین در هنگام برگشت، فاز های پایداری را به وجود نمی آورند.

به عنوان مثال فاز های کریستوبالیت و یا تریدیمیت تحت فشار سرد شوند، مانند نمودار تعادلی سیلیس عمل نموده و فاز تریدیمیت به کوارتز و فاز کریستوبالیت ابتدا به تریدیمیت و سپس به کوارتز تبدیل می شوند. به همین دلیل نیز در طبیعت سیلیس معمولا به شکل کواتز یافت شده و به ندرت فاز های تریدیمیت و کریستوبالیت را می توان به طور طبیعی یافت، چرا که این فاز ها در طبیعت تحت فشار سرد می شوند.

نباید تصور کرد که فاز های نیمه پایدار سیلیس فقط در هنگام سرد شدن به وجود می آیند. در هنگام گرم شدن، چنانچه زمان لازم برای تبدیلات به آن ها داده نشود باز هم فاز های نیمه پایدار ایجاد می شوند. به عنوان مثال هنگامی که کوارتز سریعا گرم شود این فاز در درجه حرارتی بسیار کم تر از آن چیزی که منحنی تعادلی نشان می دهد یعنی در حرارتی حدود 1460 ذوب می شود.

نکات مهم در بررسی تحولات فازی سیلیس

باید در هنگام بررسی تحولات فازی سیلیس به نکات زیر توجه کرد:

1- دانه بندی و اندازه ذرات سیلیس در زمان مورد نیاز جهت انجام تبدیلات بسیار موثر است. به عنوان مثال تبدیلات در یک نمونه کوارتز ریز دانه سریعتر از نمونه کوارتز درشت دانه رخ می دهد.

2- وجود کاتالیزور های مناسب باعث تسریع در تبدیلات فاز ها می شوند. در تبدیل فاز کوارتز به کریستوبالیت، اکسید کلسیم و منیزیم، و در تبدیل فاز کوارتز به تریدیمیت علاوه بر اکسید های مذکور، اکسیدهای سدیم، پتاسیم، آهن و {{آلومینا}} کاتالیزور های مناسبی هستند.

3- تبدیل فاز ها به صورت تدریجی رخ می دهد. هنگامی که تبدیل شروع می شود مقدار کمی کریستوبالیت باعث تهییج و تحریک بیشتر شده و مقدار بیشتری کوارتز به کریستوبالیت تبدیل می شود. کریستوبالیت حاصل مجددا به صورت محرک عمل کرده و سرعت و شدت تبدیل را باز هم افزایش می دهد تا این که کوارتز کاملا به کریستوبالیت تبدیل شود. بنابراین کریستوبالیت در این تبدیلات خود به صورت کاتالیزور عمل می کند به همین دلیل در عمل برای تبدیل کوارتز به کریستوبالیت مقداری کریستوبالیت به صورت مصنوعی در ابتدا به کوارتز اضافه می شود.

4- زمان عامل بسیار مهمی در تبدیل فاز ها است، بنابراین عملا می توان از طریق عدم ایجاد زمان کافی، از تبدیلات فازی جلوگیری کرد.

تبدیل اشکال سیلیس

کلمه انگلیسی Inversion متضاد کلمه Conversion بوده و به معنی تبدیلات برگشت پذیر و سریع است. بنابراین مشخص است که تبدیلات اشکال برعکس تبدیلات فاز های سیلیس، تبدیلاتی برگشت پذیر  و سریع بوده و به همین دلیل نیز در صنعت سرامیک بسیار مورد توجه است. چرا که به طور کلی هر تبدیلی معمولا به معنی تغییر حجم است و چنانچه تبدیلی به طور سریع صورت گیرد، تغییر حجم نیز بسیار سریع خواهد بود. تغییرات اشکال مختلف سیلیس در حقیقت تغییر در زوایای بین پیوند های سیلیسیم و اکسیژن بوده و به همین دلیل نیز به نسبت تغییرات فاز های سیلیس، تغیراتی محدود تر و جزئی تر است.

فاز کوارتز دارای دو شکل α و β است. وزن مخصوص کوارتز α برابر با 2.65 و وزن مخصوص کواتز β برابر با 2.6 است. به طور کلی در کوارتز تبدیل اشکال α و β به یکدیگر در درجه حرارت هایی بین 550 تا 575 درجه سانتی گراد به وقوع می پیوندد. ولی معمولا برای این تبدیل به طور مشخص درجه حرارت 573 درجه سانتی گراد قید می شود. اگر چه معمولا این تغییر، تغییر ناگهانی در نظر گرفته می شود ولی در حقیقت تغییر شکل α به β در کوارتز از حدود 550 درجه سانتی گراد آغاز شده و سپس سرعت آن افزایش می یابد تا اینکه در 573 درجه سانتی گراد به طور تقریبا ناگهانی به نهایت شدت خود می رسد. شکل روبرو منحنی انبساط تبدیل دو طرفه و قابل برگشت اشکال کوارتز را نشان می دهد. هم چنان که این منحنی نشان می دهد می توان نتیجه گیری نمود که به طور خلاصه تبدیل متقابل شکل α و β در کوارتز به طور نسبی ناگهانی نبوده بلکه تقریبا به مرور شدت آن افزایش می یابد ولی این تبدیل در درجه حرارت مشخصی یعنی در 573 درجه سانتی گراد انجام می شود.

 

با این توضیحات بدیهی است که فاز سیلیس بی شکل یا آمورف در معرض تبدیل اشکال قرار نمی گیرد، زیرا به طور کلی تبدیلات اشکال سیلیس، خاص فاز های بلورین است و در هر حال بر عکس تغییرات فازهای سیلیس غیر قابل اجتناب بوده و نمی توان از بروز آن ها جلوگیری به عمل آورد. بنابراین در لعاب ها که اساسا دارای ساختمان آمورف هستند، پس از ذوب و هنگام سرد شدن هیچ نوع تبدیل شکلی انجام نمی شود. در شکل زیر تغییرات حجمی شیشه سیلیسی در مقایسه با تغییرات کوارتز و کریستوبالیت نشان داده شده است.

منابع و پیوندها

 

فازها و اشکال سیلیس از دید quartzpage.de

Quartz is just one of 11 crystalline and 2 non-crystalline polymorphs (also called modifications) of the compound silica, SiO2. 12 of these modifications can be found in nature, and 11 of them on Earth. All silica minerals are united in the silica group according to Dana's classification, and in the quartz group according to Strunz's classification. The basic structural element of silica is the SiO4 tetrahedron. Quartz consists of interconnected SiO4 tetrahedra that build up a rigid three-dimensional network (discussed in detail in the chapter Quartz Structure). There are many possible ways of connecting SiO4 tetrahedra different from that found in quartz, realized in various other silica polymorphs. Since all of them consist of a three-dimensional SiO4 network, all are classified as network silicates. Stishovite and Seifertite are special cases because they are not made of SiO4 tetrahedra and accordingly are not classified as a network silicates. Instead, each silicon atom is surrounded by 6 oxygen atoms, and the packing of atoms is much more dense...more

فازها و اشکال سیلیس از دید wikipedia.org

The mineral cristobalite is a high-temperature polymorph of silica, meaning that it has the same chemical formula, SiO2, but a distinct crystal structure. Both quartz and cristobalite are polymorphs with all the members of the quartz group which also include coesite, tridymite and stishovite. Cristobalite occurs as white octahedra or spherullites in acidic volcanic rocks and in converted diatomaceous deposits in the Monterey Formation of the US state of California and similar areas. Cristobalite is stable only above 1470 °C, but can crystallize and persist metastably at lower temperatures. The persistence of cristobalite outside of its thermodynamic stability range occurs because the transition from cristobalite to quartz or tridymite is reconstructive, requiring the breaking up and reforming of the silica framework. These frameworks are composed of SiO4 tetrahedra in which every oxygen atom is shared with a neighbouring tetrahedron, so that the chemical formula of silica is SiO2. The breaking of these bonds required to convert cristobalite to tridymite and quartz requires considerable activation energy and may not happen on a human time frame. Framework silicates are also known as tectosilicates...more

فازها و اشکال سیلیس از دید britannica.com

The silica minerals when pure are colourless and transparent and have a vitreous lustre. They are nonconductors of electricity and are diamagnetic. All are hard and strong and fail by brittle fracture under an imposed stress. Some important physical properties of the silica minerals are compared in the Table. All except low tridymite and coesite (among the crystalline varieties) have relatively high symmetry. There is a linear relationship between the specific gravity values listed in the Table and the arithmetic mean of the indices of refraction (measures of the velocity of light that is transmitted in different crystallographic directions) for silica minerals composed of linked tetrahedrons. This relationship does not extend to stishovite because it is not made up of silica tetrahedrons. Melanophlogite is notable because it plots below vitreous silica on the graph. The specific gravities of silica minerals are less than those of most of the dark-coloured silicate minerals associated with them in nature; in general, the lighter-coloured rocks have lower specific gravity for this reason. Silica minerals are insoluble to sparingly soluble in strong acids except hydrofluoric acid, in which there is a correlation between specific gravity and solubility...more

Silica Phases & Forms
پلی مورف های سیلیس
اشکال سیلیس
فاز سیلیس
فازهای پایدار سیلیس
فازهای نیمه پایدار سیلیس
silica phases
برچسب ها: سیلیسمواد اولیه سرامیکسرامیک
افتتاح پالایشگاه غلات زرنام با بویلر های بخار شرکت پاکمن توسط رییس جمهور محترم
رئیس جمهور گفت:  با میدان دادن به بخش خصوصی شاهد حرکت خوبی خواهیم بود . تاس ...بیشتر
تقویم نمایشگاه های بین المللی سال 1395
نمایشگاه به عنوان يكی از مهمترين بخش های تجاری و اقتصادی ایران با بهره مندی از ف ...بیشتر
بویلر های چگالشی پاکمن، مقام اول در دومین جشنواره ملی ابتکارها و اختراع های سوخت و احتراق
دومین جشنواره ملی ابتکارها و اختراع های سوخت و احتراق با حضور جمعی از اهالی صنعت ...بیشتر
نمایشگاه بین المللی نفت، گاز، پالایش و پتروشیمی تهران 96 بیست و دومین دوره
. نمایشگاه بین المللی نفت، گاز، پالایش و پتروشیمی تهران 96 ب ...بیشتر
گزارش خبر سومین همایش تکنولوژی بخار شرکت پاکمن
سومین همایش تکنولوژی بخار  در 24 آذر ماه 1395 در دانشگاه شیراز برگزار گردید ...بیشتر
نسل جدید باتری‌های لیتیومی IBM که با هوا شارژ می‌شوند
  نخستین باتری تنفسی جهان توسط متخصصان بزرگ شرکت IBM تولید شده است. این بات ...بیشتر
گزارش حضور شرکت پاکمن در پانزدهمین نمایشگاه بین المللی تجهیزات و تاسیسات سرمایشی و گرمایشی اصفهان 95
پانزدهمین نمایشگاه بین المللی تجهیزات و تاسیسات سرمایشی و گرمایشی اصفهان با ...بیشتر
تولید انرژی پاک با سقف‌های شیروانی خورشیدی
به گزارش تاسیسات نیوز، ایلان ماسک مدیرعامل شرکت تسلا که در زمینه تولید خودروها و ...بیشتر
پیاده راه های متحرک
به گزارش تاسیسات نیوز، بسیاری از برنامه ریزان شهری به دنبال کم کردن تعداد خودروه ...بیشتر
ابرخازن‏های قابل شارژ با حرارت بدن
به گزارش تاسیسات نیوز، محققان دانشگاه A&M تگزاس مفهوم جدیدی از ذخیره انرژی ا ...بیشتر
راندمان بویلر
شاخص های مؤثر در محاسبات راندمان بویلر، یکی از اساسی ترین ضوابط مؤثر در ارتقا سط ...بیشتر
کتاب موتورخانه بخار شرکت پاکمن
سرشناسه: میرزازاده، قربانعلی، 1325 عنوان و نام پدید آور: موتورخانه بخار/ ق ...بیشتر
مقررات ملّي ساختمان ايران مبحث نوزدهم
دانلود فایل PDF مقررات ملی ساختمان ایران-مبحث نوزدهم-صرفه جویی در مصرف انرژی ...بیشتر
راه اندازی سختی گیر نیمه اتوماتیک رزینی
دستور العمل راه اندازی سختی گیر های نیمه اتوماتیک رزینی سختی گیرهای رزینی از ...بیشتر
جانمایی بویلر در موتورخانه
براي عملکرد مناسب بويلرها و تجهيزات وابسته بايد فضاي کافي را در موتورخانه به آن ...بیشتر
کتاب انتخاب بویلر شرکت پاکمن
سرشناسه: میرزازاده، قربانعلی، 1325 عنوان و نام پدید آور: انتخاب بویلر/ قرب ...بیشتر
مراحل آموزش و نگهداری دیگ های بخار سیار
مقدمه از دیرباز استفاده از تجهیزات مولد بخار در صنایع مختلف از جمله صنایع نفت ...بیشتر
معرفی کتابچه دیگ آبگرم شرکت پاکمن
راه اندازی آموزش و بهره برداری از   Hot Water Boilers   ...بیشتر
معرفی کتابچه موتور خانه استخر
نام مقاله: کتابچه موتور خانه استخر نام نویسنده: دپارتمان پژوهش شرکت پاکمن ...بیشتر
دستور العمل نصب، نگهداری و راه اندازی بویلر بخار
دستور العمل نصب، نگهداری و راه اندازی بویلر بخار براي استفاده بهينه از بویلر ...بیشتر