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硅石

硅石

硅石（Silica rock）是脉石英、石英岩、燧石和石英砂岩的统称。其主要化学成分是SiO2，一般含有铁、铝、铬和钛的氧化物等杂质，是地壳中最常见的矿物之一，在许多岩石和土壤中都可以找到。可用做玻璃原料、冶金溶剂、石料和制造硅质耐火材料等。

硅石（不含风化石英砂岩）是用于冶金熔剂、耐火材料、生产工业硅等的主要原料。由于硬度大，生料加工成本高，除硅资源缺乏地区外，很少用于玻璃生产。工业硅作为现代新能源和高新技术产业的重要原材料，被广泛用于大规模、超大规模集成电路、光纤、太阳能电池、激光、航天、军事等行业，已成为信息时代的基础支柱。硅石是一种影响国家发展战略的重要矿产资源。

历史

硅石的历史可以追溯到古代文明时期，早期的人类就已经发现了含有硅的石头，并利用它们进行工艺和装饰。

在古埃及中，硅石的使用可以追溯到公元前3000年左右。古埃及人发现了石英，并将其用于制作首饰、雕塑和装饰品。他们还使用砂石进行玻璃制作，这是早期玻璃制造的重要里程碑。在古希腊和古罗马文明中，硅石的应用也得到了发展。古希腊人将水晶和石英作为宝石使用，认为它们具有神圣的力量。古罗马人使用石英和玻璃来制作珠宝、容器和建筑材料。

在中世纪和文艺复兴时期，玻璃工艺得到了进一步的发展，并在欧洲各地传播。玻璃成为建筑和艺术领域的重要材料。

到了18世纪和19世纪，工业革命的推动使得硅石的利用更加广泛。19世纪20年代，一位名叫Jons Berzelius的瑞典化学家在实验室中设法从含硅化合物中纯化出了硅，为现代硅工业的发展奠定了基础。19世纪中叶，科学家发现了硅石在化学工业中的重要性。

20世纪以来，随着科学技术的进步和工业的发展，硅石的应用领域不断扩大，特别是电子行业和半导体工业的兴起，使得硅石成为制造集成电路和电子器件的关键材料。

基本特征

化学组成

硅石主要由硅和氧两种元素组成，它的化学组成是二氧化硅，化学式为SiO2，即硅和氧的化合物，硅石是一种氧化物矿物。

物理性质

硅石的硬度相对较高，它的硬度为7（根据莫氏硬度标尺），是自然界中常见的硬度较高的矿物之一。因此在研磨和抛光的过程中硅石被广泛应用。硅石的密度一般在2.2至2.65克/立方厘米之间，具体数值取决于其形式和结构。石英的熔点约为1,720摄氏度。

硅石的颜色取决于杂质含量的多少，常见硅石的颜色有无色、灰褐色、黑色、和粉红色等几种。

结晶形态

硅石可以以多种结晶形态存在，其中最常见的是石英。石英具有六方晶系结构，但硅石还可以以非晶态（无定形）存在，如玻璃砂。其他形态还包括水晶、紫水晶、玛瑙等。硅石的晶体结构由硅氧四面体构成，硅原子与四个氧原子形成稳定的结构。结晶态二氧化硅根据晶型的不同，在自然界存在着三种不同的形态：α石英、鳞石英和方石英，这几种不同形态的二氧化硅又各有高温型和低温型两种变体。因而，结晶态二氧化硅实际上有六种不同的晶型（以下图片仅展示其中四种不同结晶形态）。

分布区域

硅石在全球范围内分布极其广泛，主要分布在美国、中国、俄罗斯、法国、挪威、哈萨克斯坦、冰岛、马来西亚、巴西、不丹。例如加利福尼亚州、科罗拉多州、亚利桑那州、得克萨斯州等地区产出大量的硅石，包括石英、水晶等。俄罗斯的乌拉尔山脉、西伯利亚地区和俄罗斯远东地区也有丰富的硅石资源。巴西的米纳斯吉拉斯州、巴拉圭州和巴伊亚州等地区产出大量的硅石，其中包括高品质的石英和水晶。中国的硅石资源主要分布于云南省、江西省、安徽、河南省和甘肃省等省份。中国的硅石产量大部分用于工业和建筑材料。

主要产地

2022年全球硅产量前五的国家分别为：中国、俄罗斯、巴西、挪威和美国。

开采和运输

目前硅矿石开采的主流技术为小型钻孔机进行钻孔，较深层的采用中深孔多排微差爆破法。其中对较大的矿石进行粉碎，合适大小的进行装车运输，运输至筛选场地进行破碎和筛选，直至得到合适的硅矿石。

冶炼和提纯

硅石的冶炼通常是采用木炭或其他含碳物质如煤、焦油等来还原石英砂，得到硅，硅的质量分数为98%~99%，称为冶金级硅。冶金级硅也称为粗硅或硅铁，主要含有铁、铝、碳、硼、磷、铜等杂质，这种纯度的硅是冶金工业用硅。化学反应为二氧化硅在高温（1600~1800℃）下被碳还原得到单质硅和一氧化碳气体，具体反应式如下：

粗硅的提纯是一系列物理化学过程。因为硅不溶于酸，所以粗硅的初步提纯一般用酸洗方法，先去除含量大的铁、铝等金属杂质；进一步的提纯一般采用蒸馏方法，而蒸馏方法只能提纯液态混合物，所以需要将酸洗过的硅转化为液态硅化物，提纯后再将液态硅化物还原，由此得到电子级高纯度多晶硅。

应用领域

玻璃制造：制备玻璃的重要原料之一就是硅石，玻璃是一种无定形的硅石材料，具有透明、耐热、耐腐蚀等特性，被广泛用于建筑、家具、包装和光学器件等领域。

电子和半导体工业：硅石是制备硅的主要原料，而硅又是电子和半导体工业的关键材料。硅被用于制造集成电路、太阳能电池、半导体器件等，是现代电子产品的基础。

珠宝和装饰品：石英等硅石形式在珠宝和装饰品制作中广泛应用。它们被用于制作首饰、摆件、吊坠等。

建筑和建材：石英砂和砾石，常用于建筑材料的制备。硅石可以用于制造混凝土、砂浆、砖块等建筑材料，用于道路建设和房屋建设。

耐火材料：硅石可用于制备耐火材料，用于高温环境下的保温和隔热。

硅石具有广泛的应用，除了上述领域外硅石还用于化妆品、橡胶和塑料添加剂、防火材料、纺织品和悬浮剂并可用作合金添加剂，用于改善金属的力学性能和耐腐蚀性能等。硅石是一种广泛应用的矿物，具有重要的工业和商业价值。硅石的广泛应用对于现代工业和日常生活起着重要的作用。

环境影响

硅矿石的开采会破坏地表植被，造成土壤侵蚀和水土流失，影响土地的肥力和利用价值。同时硅矿石的开采会产生大量的废弃物，如尾矿、废渣、废水等，如果不进行有效的处理和处置，会污染周围的水源、土壤和空气，危害人畜健康。硅矿石的开采还会改变地形地貌，降低地区的生态服务功能和美学价值，影响生物多样性和景观资源。

硅矿石冶炼属于高耗能生产，会消耗大量的电力和煤炭，造成能源浪费和温室气体排放；硅矿石冶炼过程中会产生大量的粉尘、废水、废渣等固体废物，如果不进行有效的收集、处理和利用，会对土壤、水源和空气造成污染；硅矿石冶炼过程中还会产生一些有毒有害的气体，如二氧化硫、氯化氢、氢氟酸等，对人体健康和生态环境也有危害。

参考资料

硅石.术语在线.2023-05-29

silicon.Britannica.2023-07-02

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