Кварц и его применение

Фестиваль исследовательских и творческих работ учащихся

«Портфолио»

Реферативно-исследовательская работа

КВАРЦ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ

Выполнили:

 учащиеся 9 класса Речной ООШ

Адамовского района Оренбургской области

Музафаров Тимур Раулевич, 1994 г.р.

Самойлов Максим Юрьевич, 1993 г.р.

Руководитель:

учитель химии высшей категории

Зеленкова Валентина Денисовна

пос.Речной , 2009 г.

        Наш поселок Речной был создан при освоении Теренсайского месторождения пьезокварца в 1954 году. В течении почти 35 лет он успешно развивался: копались карьеры, бурились разведочные скважины, проходились шурфы и шахты. Месторождение разрабатывалось под контролем военно-промышленного комплекса. Сначала добывали кристаллы горного хрусталя, которые перерабатывались в пьезопластинки. Затем стали добывать особо чистый жильный кварц, используемый для выращивания искусственных кристаллов и для производства кварцевого стекла.

        Но теперь наша геологоразведочная экспедиция не работает, жители поселка вынуждены искать работу на стороне или даже совсем уезжать. В поселке сохранились некоторые производственные предприятия, но они разрушаются. И самое главное, что имеются отвалы особо чистого жильного кварца, которые, наверное, можно как-то использовать. Остались не отработанные кварцевые жилы. В поселок приезжали представители германских и швейцарских компаний, желающих использовать наш кварц для получения особо чистого кремния, но сейчас об этом тоже перестали говорить.

        Поэтому мы решили узнать, а что собственно представляет собой кварц и каковы перспективы развития кварцевой промышленности.

        Тема исследования: Кварц и его применение.        

        Цель исследования: Узнать, почему кварц нашего месторождения не востребован на Российском промышленном рынке.

        Задачи исследования:

1. Что такое природный кварц и каковы его свойства
2. Традиционные области применения кварца
3. Кремний и его свойства
4. Применение кремния и его получение в России
5. Возможности использования кварца для получения кремния

Гипотеза исследования: Возможно, что после окончания школы мы продолжим обучение в Горном институте и сумеем найти возможности для возрождения нашего поселка.

Кварц и его свойства

Кварц — один из самых распространённых минералов в земной коре, породообразующий минерал большинства магматических и метаморфических пород. Химическая формула: SiO2 (диоксид кремния).

В чистом виде кварц бесцветен или имеет белую окраску из-за внутреннних трещин и кристаллических дефектов. Примеси придают ему самую разнообразную окраску. Возможен почти чёрный (морион) или дымчатый кварц (раухтопаз) различной прозрачности вплоть до непрозрачного, кристаллы именно такого кварца встречались на нашем месторождении. Есть у нас также волосатик — горный хрусталь с включениями тонкоигольчатых кристаллов рутила. В природе встречается фиолетовый кварц аметист и жёлтый цитрин. Искусственным кристаллам придают также зелёную (очень редка в природе) и голубую (природных аналогов нет) окраску. Твердость - 7 баллов по шкале Мооса; плотность - 2,65 г/см3. 

Растворяется в плавиковой кислоте и расплавах щелочей.
Температура плавления 1713—1728°С (из-за высокой вязкости расплава определение температуры плавления затруднено, существуют различные данные)

Диэлектрик (электрический ток не проводит).

Пьезоэлектрик. Пьезоэффект выражается в - том, что при механических деформациях пластины кварца на ее гранях возникают электрические заряды, противоположные по знаку, т. е. образуется разность потенциалов. Если вырезать из кварца пластину в направлении кристаллических осей и приложить к ним усилия, то на гранях, расположенных под углом 90°, возникают заряды. Обратный пьезоэффект выражается в том, что при помещении кристалла кварца в электрическое поле с разностью потенциалов в нем возникают механические деформации (колебания), значение которых пропорционально напряжению электрического поля.

Кварц относится к группе стеклообразующих оксидов, то есть, склонен к образованию переохлажденного расплава — стекла.

Условия образования кварца

Кварц образуется при различных геологических процессах: Непосредственно кристаллизуется из магмы кислого состава. Кварц содержат как интрузивные (гранит, диорит), так и эффузивные (риолит, дацит) породы кислого и среднего состава, может встречаться в магматических породах основного состава (кварцевое габбро). Наше месторождение кварца относится к метаморфогенным.

При гидротермальном процессе образуются кварцевые и хрусталеносные жилы. Нередки красивые жеоды из минералов кварца, часто с агатовой оболочкой.

При выветривании в поверхностных условиях кварц устойчив, накапливается в россыпях различного генезиса  в виде окатанной гальки. Именно благодаря россыпям было открыто наше месторождение. Кварц - основной минерал песков и песчаников, а месторождения мономинеральных кварцевых песков имеют большое промышленное значение.

В промышленности имеет место синтез кварца гидротермальным способом. Преимуществом синтетического кварца для промышленности является большая однородность по примесям, более высокая химическая чистота. Также преимуществом метода синтеза является то, что результатом выращивания являются кристаллы, из которых можно вырезать пьзопластинки. В настоящее время выращивают кристаллы ZY-, ZX-, XZ- и XY-срезов  

Основные месторождения кварца находятся в Бразилии и в Африке (остров Мадагаскар). В России месторождения пьезокварца и особо чистого кварца (содержание SiO2 до 99, 99%) очень редки, все они расположены на Урале и наше месторождение – одно из них.

Применение кварца

Наиболее широко кварц и его кристаллы применяются:

1. В радиотехнике (кварцевые резонаторы, генераторы, монолитные фильтры);
2. В акустоэлектронике (ПАВ-фильтры, резонаторы и датчики);
3. В оптике (четвертьволновые пластины для повышения контрастности цифровых фото- и видеокамер).
4. В стекольной и керамической промышленности
5. В производстве огнеупоров и кварцевого стекла
6. Многие разновидности используются в ювелирной промышленности
7. Кварц - источник особо чистого кремния

Важнейшее свойство кристаллов кварца – пьезоэффект.

Пьезоэффект был открыт в 1880 г. французскими учеными, братьями Пьером и Полем Кюри, на кварце. Применить открытое явление впервые предложил Поль Ланжевен, также француз. Было это в годы первой мировой войны. Суть предложения заключалась в использовании ультразвука для обнаружения вражеских подводных лодок, а для получения самого ультразвука предлагалось использовать именно пьезоэффект.

Плоскопараллельная полированная пластинка кварца с электродами и держателем представляет собой пьезоэлектрический резонатор, то есть является колебательным контуром с определенной резонансной частотой колебаний. Резонансная частота зависит от толщины пластинки и направления среза. Преимуществами кварцевых резонаторов является высокая механическая добротность. Благодаря высокой механической добротности кварцевые резонаторы используют в качестве фильтров с высокой избирательной способностью, а также для стабилизации и эталонирования частоты в генераторах. Одним из важнейших требований к таким резонаторам является температурная стабильность резонансной частоты.

До недавнего времени пьезокварц использовался исключительно для военных целей. В настоящее время пьезоэлементы используются и как источники ультразвука в различных медицинских, промышленных, исследовательских и даже бытовых приборах, например «УЗГ» – прибор для ультразвуковой защиты от грызунов. Рекламу этого прибора несколько лет назад показывали по телевидению. Набор создаваемых прибором ультразвуков соответствует сигналу тревоги у мышей и крыс. Работа прибора в течение нескольких суток вызывает у них дискомфорт и желание покинуть помещение.

Но, безусловно, самое интересное для наших учеников – применение пьезоэлемента в простейшей электрогитаре. Берется любая обычная акустическая гитара.                                                        

Пьезоэлемент (его можно взять с любой музыкальной открытки) крепится к деке гитары, чуть ниже розетки, с помощью лейкопластыря, изоленты или скотча. Можно подобрать и другое место для крепления, но оно должно быть таким, чтобы провода, ведущие к усилителю, не мешали играющему на гитаре.

Следует обратить внимание на то, что тембр получившейся электрогитары отличается от естественного, ведь теперь  набор обертонов определяется упругими свойствами не только струн и деки, но и самого пьезоэлемента. Обычно звук самодельной электрогитары становится как бы металлическим. Естественно, что на такой гитаре хорошо аккомпанировать.

Кремний

        Мы остановимся только лишь на важнейших свойствах кремния, ради которых его и получают. В настоящее время кремний — основной материал для электроники и солнечной энергетики. Монокристаллический кремний — материал для зеркал газовых лазеров.

В промышленности кремний получают, восстанавливая расплав SiO2 коксом при температуре около 1800 °C в дуговых печах. Чистота полученного таким образом кремния составляет около 99,9 %. Так как для практического использования нужен кремний более высокой чистоты, полученный кремний хлорируют. Образуются соединения состава SiCl4 и SiCl3H. Эти хлориды далее очищают различными способами от примесей и на заключительном этапе восстанавливают чистым водородом. Возможна также очистка кремния за счет предварительного получения силицида магния Mg2Si. Далее из силицида магния с помощью соляной или уксусной кислот получают летучий моносилан SiH4. Моносилан очищают далее ректификацией, сорбционными и др. методами, а затем разлагают на кремний и водород при температуре около 1000 °C. Содержание примесей в получаемом этими методами кремнии снижается до 10-8-10-6% по массе.

Основная проблема для производителей фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) – сырье. ФЭПы производятся в основном из монокремния и мультикремния. Монокристаллический кремний, также как и мультикристаллический кремний, производится из поликремния либо из скрапа монокристаллического кремния. В любом случае, для ФЭП, кремниевых пластин, солнечных элементов, солнечных панелей, также как и для производства электроники, необходим поликристаллический кремний очень высокой чистоты - марка 5N (99,999%), 6N (99,9999%), 8N, 9N, 11 N чистоты.

Проблема производства российского кремния для отечественной электроники – вопрос специфический. Поскольку у нас микроэлектронное производство сократилось до минимума (практически всего два действующих предприятия – “Микрон” и “Ангстрем”), то и потребности в кремнии соответствующие. К тому же, при существующем уровне технологии и требования к кремнию по мировым меркам не слишком высоки. Но с другой стороны, поликремний – это 70% всех потребляемых микроэлектроникой материалов. Нет его – нет и микроэлектроники. Поэтому кроме чисто экономических соображений, производство поликремния – это вопрос стратегический, поскольку затрагивает экономическую независимость и безопасность страны.

Надеемся, рано или поздно в России сложится уникальная ситуация для потенциальных инвесторов в высокотехнологичные российские проекты. Острая нехватка на мировом рынке поликремния, используемого в производстве транзисторов, микросхем, кремниевых пластин и фотоэлектрических преобразователей заставила западные компании обратить внимание на российские разработки в области технологий.

Тем удивительнее факт, что в России производства особо чистого кремния (пригодного для нужд электроники) практически нет. В лучшем случае выращивают монокристаллический кремний из высокочистого зарубежного сырья.

Почему? Казалось бы, в стране с пока еще дешевыми электроэнергией и рабочей силой, с огромными запасами кварцитов только и производить высокочистый кремний и снабжать им не только собственную микроэлектронику, но и микроэлектронику других стран. Но этого почему-то не происходит. И нельзя сказать, что о проблеме кремния никто не думает. Есть поддерживаемая государством программа кремниевого производства под Красноярском. Существует Новочебоксарский проект. Работает, правда, на давальческом сырье, Подольский химико-металлургический завод. Есть ряд других проектов. Даже бюджетные деньги выделены. Нет только отечественного высокочистого кремния.

Предприятия электроники в СССР когда-то потребляли в год около 500 тонн поликремния. На соответствующем уровне – 500–600 тонн – было и его производство. В связи с развалом СССР, когда основные производственные мощности остались на Украине и в Киргизии, технология производства поликристаллического кремния была утеряна.

Выводы по работе

        Мы поняли, почему на нашем месторождении перестали добывать кристаллы кварца. Искусственные кристаллы гораздо дешевле и качественнее. Сырье для получения этих кристаллов, наверное, дешевле возить из источников, близких к заводам – производителям кристаллов.
        Нашим кварцем заинтересовались фирмы по изготовлению особо чистого кремния. Особо чистый кремний можно производить из дешевых кварцитов (горная порода с огромным количеством примесей). Но если взять достаточно дешевый особо чистый кварц, а наш кварц именно такой, то и кремний будет чище и дешевле.
        Будем надеяться, что у нас появятся зарубежные инвесторы. Или сами мы когда-нибудь сумеем наладить свое производство.