Thạch anh thường gặp ở dạng thành phần chính của nhiều loại đá magma acid xâm nhập và phun trào ở dạng hạnh nhân như mã não và onix, một số đá trầm tích cơ học như cát kết thạch anh, đá
Trang 1LỜI MỞ ĐẦU
Thạch anh là khoáng vật phổ biến nhất trong vỏ trái đất và là thành phần chính trong
đá trầm tích được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như điện tử, mỹ nghệ, quang học, … và trong ngọc học Với nhiều màu sắc, hình dáng và cấu trúc khác nhau, thạch anh ngày càng được ưa chuộng không những trong trang sức mà còn trong lĩnh vực trưng bày và phong thủy
Thạch anh là thành phần của rất nhiều loại đá và khoáng sản quặng Thạch anh thường gặp ở dạng thành phần chính của nhiều loại đá magma acid xâm nhập và phun trào ở dạng hạnh nhân như mã não và onix, một số đá trầm tích cơ học như cát kết thạch anh,
đá biến chất từ các loại đá như quartzit Trong các quá trình biến chất thạch anh hình thành do sự khử nước của các đá trầm tích chứa opal để tạo thành ngọc bích Trong các quá trình ngoại sinh thạch anh và conxedon tạo thành do sự khử nước và kết tinh của keo silic
Trang 2Mục lục
1. Khái quát chung ………3
2. Các tính chất vật lý và quang học của thạch anh ………4
2.1 Tính chất vật lý ……… 4
2.2 Các hiệu ứng quang đặc biệt ……….5
3. Thành phần hóa học và cấu trúc tinh thể ………6
3.1 Thành phần hóa học ……….6
3.2 Cấu trúc tinh thể ………6
3.3 Đặc điểm bao thể ……… 6
3.4 Phận loại đá thạch anh ……… 7
4. Phương pháp xử lý và tổng hợp ……… 7
5. Phương pháp sản xuất tinh thể thạch anh bằng phương pháp nung … 8
5.1 Quy trình công nghê ……… 8
5.2 Thuyết minh quy trình công nghệ ………8
5.3 Cơ sở lý thuyết của quá trình nung ……… 9
5.4 Nhiệt độ nung ……… 9
5.5 Thời gian lưu sản phẩm ………9
TÀI LIỆU THAM KHẢO ………11
Khái quát chung.
Trang 3- Thạch anh là tên gọi theo phiên âm Hán-Việt Trong tiếng Anh nó được gọi là Quartz Theo một trong những giả thuyết, từ Quartz trong tiếng Đức xuất phát
từ từ Queretz gần với từ Querkluftertz trong tiếng Sachsen-Đức, nghĩa là “vân ngang”, vì khi quan sát trên bề mặt của tinh thể thạch anh người ta thấy có nhiều sọc nằm trong mặt phẳng ngang vuông góc với phương dài nhất của tinh thể này và từ Quartz được sử dụng rộng rãi vài thế kỷ 16
- Màu sắc của thạch anh rất đa dạng nhưng phổ biến là những thứ không màu, màu trắng sữa và màu xám và theo màu sắc thạch anh mang các tên khác nhau
- Các tinh thể thạch anh trong suốt có màu sắc đa dạng: tím, hồng, đen, vàng…
và được sử dụng làm đồ trang sức từ rất xa xưa
- Ametit loại biến thể màu tím của thạch anh được coi là đá quý của tháng hai và
là loại được ưa chuộng nhất của họ thạch anh
Bảng các đặc điểm kỹ thuật của thạch anh
Công thức hóa học Đioxit silic (SiO2)
Dạng thường tinh thể Lăng trụ sáu mặt kết thúc bằng chóp sáu mặt
Hệ tinh thể Hộp sáu mặt thoi lớp 32
Song tinh Quy luật Dauphine, Brasil và Nhật Bản
Độ cứng Mohs 7- Nhỏ hơn nếu lẫn tạp chất
Màu vết vạch Trắng
Tính trong mờ Trong suốt đến mờ
Tỷ trọng riêng 2.65 – Thay đổi nếu lẫn tạp chất
Thuộc tính quang 1 nicol (+)
Chiết suất nω=1.543-1.545 nε =1.552-1.554
Khúc xạ kép +0.009 (khoảng B-G)
Điểm nóng chảy 1.650±75oC
Các đặc điểm khác Áp điện
Trang 42. Các tính chất vật lý và quang học của thạch anh.
2.1 Tính chất vật lý.
+ Tính đa sắc: phù thuộc vào máu của viên đá.
+ Tính phát quang: loại rose quartz phát quang màu tím lam nhạt, các biến thể
của thạch anh trơ dưới tia cực tím
Màu sắc của thạch anh rất đa dạng nhưng phổ biến là những loại không màu, màu trắng sữa và màu xám và theo màu sắc thạch anh mang các tên khác nhau như : pha lê không màu trong suốt, amethyst, màu tím, Citrin màu vàng, Smoky quarzt màu ám khói, khi rất tối gọi là “morion”, Rose quarzt màu đỏ, Aventurin quarzt màu lục …
+ Độ rắn
Độ rắn của thạch anh là 7 trên tỷ lệ độ rắn từ 1 đến 10 Do vậy rắn hơn một khoáng sản có độ rắn 6 như feldspath mà nó có thể rạch và ít rắn hơn loại có độ rắn 8, hoàng ngọc có thể làm trầy nó Thử nghiệm độ rắn là một cách để nhận
ra một khoáng sản
+ Thớ nứt (Cassure)
Thớ nứt của nó là conchoidale và có mãnh Dạng thủy tinh trong và nhầy Chính những vết nứt này tạo việc thu phát năng lượng trong thach anh
+ Mật độ
Mật độ là 2.65 nghĩa là 1m3 tinh thể đá nặng 2 tấn 650 kg trong khi 1m3 nước chỉ nặng có 1 tấn
+ Thể chẻ
Không hoàn hảo do mối liên lạc nguyên tử thuộc loại covalent Những nguyên
tử được xếp chồng cái này lên cái kia Một nguyên tử có một lõi quanh nó treo một hay nhiều electron giống như các hành tinh và có những vòng tròn xoay cách xa lõi một khoảng cách nhiều hay ít
Khi một nguyên tử, giống như loại của silic có một lớp điện bên ngoài không hoàn hảo làm cho sự cân bằng điện năng thiếu ổn định và nó tìm cách san bằng
sự thiếu sót này bằng việc kết hợp vỏ ngoài với một nguyên tử bổ sung khác
Do đó silicum cần 2 nguyên tử oxy để tạo sự ổn định cho nó Ngược lại, với sức hút của các ion có những lực đối kháng, chỉ cần xê dịch cấu trúc trên một nguyên tử để toàn khối sẽ sụp đổ theo kế hoạch sắp xếp nguyên tử Lúc đó ta
có một sự chẻ theo thể hoàn hảo cho chất liệu Các đặc tính đặc biệt của tinh thể hiện ra với ánh sáng, điện năng, hơi nóng và sự va chạm
+ Phản ứng với ánh sáng
Tinh thể hấp thụ toàn thể quang phổ và vang lên trên toàn bộ các tần số, các màu sắc khác nhau của cầu vồng Lưỡng chiếc là khoảng cách giữa các chỉ số khúc xạ của tia chiếu mà người ta hướng đến nhiều trục khác nhau của tinh thể
+ Phản ứng với sức nóng
Trang 5Đặc tính này gọi là dự hòa điệu Một tinh thể đặt trên lửa trước tiên lôi kéo các tro tàn, sau đó đẩy ra do sự tích tụ điện trên bề mặt Khi bị lạnh, nó trở lại trạng thái ban đầu Nếu ta cho nhiệt độ tăng cao, nó nổ lớp đớp nhưng không cháy Người ta có thể thay đổi màu sắc của một tinh thể ở nhiệt độ 450oC
Ví dụ thạch anh amethyste ngả vàng sang chanh, các nguyên tử sắt trong vẩy cá kết tinh bị biến dạng do hơi nóng tạo thay đổi nhỏ ở phần cấu trúc và bước sóng của ánh sáng bị tinh thể hấp thụ sẽ là phần màu vàng thay cho màu tím, làm cho tinh thể hiện lên màu vàng
+ Phản ứng với sự va chạm: giờ hãy xét điều gì xảy ra khi ta làm biến dạng
một tinh thể hay một bản tinh thể nhờ sự xoắn, cắt hay va chạm Nó sẽ phát ra ánh sang và điện năng Đó là phản ứng áp điện (từ Hy Lạp piezein :ép) Đặc tính này được Pierre và Jacques Curie phát hiện vào năm 1880 Nó được quan sát từ các tích điện của sự xuất hiện các dấu hiệu đối nghịch nhay trên các mặt đối của một tinh thể nếu ta ép cơ học
Trong SiO2 các nguyên tử silic đã mất đi các electron ngoại biên của chúng cho các nguyên tử oxy Cấu trúc được xếp theo một thứ tự hoàn hảo và ổn định về điện năng
Tinh thể thạch anh là trung tính, trọng tâm của các phân tử dương và âm được trộn lẫn Khi ta đặt một tinh thể vào một sự va chạm hay cắt, gấp lại thì các trọng tâm sẽ biến dạng và bề mặt bị phân cực một cách khác vớ một thay đổi lớn về tiềm thế Đó là điều được thấy nơi một tia lửa của lò gaz
+ Phản ứng với điện năng.
Dưới tác động của điện năng, thanh lá thạch anh biến dạng … Các phân tử nạp điện âm chuyển sang cực dương và ngược lại Tinh thể dãn nở và co lại tùy vào trục định hướng của kiểu cắt của thanh lá (bởi vậy trong thực hành cảm xạ chúng ta không bao giờ sử dụng những thạch anh đã qua đun luyện nấu mà phải dùng thạch anh thiên nhiên
Tinh thể thạch anh do vậy được dùng rộng rãi trong kỹ thuật điện tử để thực hiện các cộng hưởng áp điện, các máy siêu âm, các bộ ổn áp trong các máy phát tần số vì khi rung động tinh thể áp đặt tần số ổn định của nó ở nguồn của trường điện năng Ở đây người ta chèn một cái đồng hồ trên tần số ổn định của thanh lá thạch anh chỉ giây, phút hay giờ Người ta dùng cả silicum nguyên chất, có được từ SiO2 để tạo các vật liệu bán dẫn, các transitor, các diode hay các mạch tích phân với trí nhớ của chúng
2.2 Các hiệu ứng quang đặc biệt
+ Hiệu ứng mắt hổ (tiger’s eye): là một hiệu ứng đặc biệt thường thấy ở các
biến thể của thạch anh và đặc trưng của các biến thể có màu từ vàng nâu nhạt tới nâu và đỏ nhạt, lam nhạt hoặc thậm chí màu đỏ và ở các loại bán trong Nguyên nhân của hiện tượng này là do sự sắp xếp có định hướng của các bao
Trang 6thể dạng sợi bên trong viên đá Khi viên đá được mài cabocbon sự phản xạ của ánh sáng trên bề mặt sẽ cho ta hiệu ứng “mắt hổ” rất đẹp
+ Hiệu ứng mắt mèo (Cat’s eye) : Cũng giống như hiệu ứng mắt hổ nhưng
chúng thể hiện rõ hơn và đẹp hơn thường gặp trong các biến thể bán trong và
có màu trắng tới màu xám nâu vàng lục nhạt, đen hoặc màu lục oliu tối
+ Hiệu ứng sao : Thạch anh hồng và một số biến thể màu xám hoặc màu sữa
thường có hiện tượng sao 6 cánh giống như hiệu ứng sao trong ruby và saphia
3. Thành phần hóa học và cấu trúc tinh thể
3.1 Thành phần hóa học.
+ Thạch anh là một loại đá mà thành phần có các tinh thể quarzt hình tròn và acid silic vô định hình trong quarzt rất khác nhau nhưng thành phần hóa học không khác nhau nhiều Có thể tồn tại cả quarzt tinh thể và quarzt vô định hình + Trong thành phần của thạch anh ngoài thành phần chính còn có thể chứa một
số chất hơi, chất lỏng: CO2, H2O, NaCl, CaCO3…Các khoáng vật của nhóm thạch anh có công thức rất đơn giản SiO2 là một loạy biến thể đa hình gồm 3 biến thể độc lập : thạch anh, tridimit và cristobalit và tùy thuộc vào nhiệt độ, chúng sẽ tồn tại ở các dạng nhất định
3.2 Cấu trúc tinh thể.
+ Tinh hệ: Biến thể nhiệt độ cao của thạch anh kết tinh trong hệ sáu phương,
biến thể thạch anh vững bền ở nhiệt độ dưới 573oC kết tinh trong hệ ba phương
+ Dạng tinh thể : thường hay gặp là dạng lưỡng tháp sáu phương với các mặt
lăng trụ rất ngắn hoặc không có Thạch anh chỉ thành những tinh thể đẹp trong các hỗng hoặc các môi trường hở, có trường hợp gặp các tinh thể nặng tới 1 vài tấn có khi tới 40 tấn Dạng tinh thể của thạch anh khá đa dạng nhưng đặc trưng
là thường gặp các mặt m [0111], và có vết khía ngang trên mặt, mặt khối thoi r [1011] và z [0111], lưỡng tháp phức tam phương s [1121], khối mặt thang x [5161] … Ngoài hai biến thể kết tinh thạch anh còn có loại ẩn tinh có kiến trúc tóc: canxedon và thạch anh khác nhau chỉ do quang tính
Dạng tinh thể lý tường của thạch anh là dạng tinh thể lăng trụ sáu phương với các mặt lưỡng tháp ở hai đầu Tuy nhiên khi được tạo thành trong môi trường địa chất chúng thường gắn một đầu vào đá vây quanh do vậy chúng ta thường gặp hơn cả là lăng trụ sáu phương với mặt tháp ở phía trên
Các hệ tinh thể thường gặp ở thạch anh : hệ tinh thể sáu phương, hệ tinh thể ba phương…
3.3 Đặc điểm bao thể
+ Các bao thể hay gặp nhất trong thạch anh là các bao thể khí lỏng tạo thành bao thể hai pha Các bao thể rắn thường gặp nhất là các bao thể kim que của rutin tạo thành những đám bao thể dạng búi tóc loại thạch anh này được gọi là rutillated quarzt
Trang 7+ Ngoài ra ta cũng hay gặp các bao thể kim, que của một số khoáng vật khác như tuamalin, actinolit dạng sợi, clorit màu lục, gotit, hemtit màu nâu đỏ và màu cam với một số các bao thể khác nữa Khi đó chúng được gọi là thạch anh tóc xanh, thạch anh tóc nâu, thạch anh tóc đỏ… theo các màu tương ứng Các bao thể rutil, anatas, broolit
3.4 Phân loại đá thạch anh.
+ Có rất nhiều loại đá thạch anh khác nhau như: thạch anh đen, thạch anh vàng, thạch anh trắng, thạch anh tóc, thạch anh tím, Ametrin, thạch anh pha lê, thạch anh hồng, thạch anh ám khói…
4. Phương pháp xử lý và tổng hợp.
- Xử lý nhiệt
+ Dưới tác dụng của nhiệt độ cao ametit, citrin, thạch anh ám khói và thạch anh hồng đều có khuynh hướng chuyển sang không màu Bằng phương pháp xử lý nhiệt có thể chuyển các loại thạch anh có chất lượng thấp màu tím và ám khói sang loại màu vàng nhạt hoặc cam đỏ nhạt với chất lượng cao hơn và được thị trường ưa chuộng hơn
+ Ametit khi xử lý nhiệt ở nhiệt độ 878-1382oC sẽ cho màu vàng sáng, nâu đỏ hoặc màu lục hoặc không màu Một số loại ametit bị mất màu ở ánh sáng bình thường và màu sẽ khôi phục khi chiếu xạ tia X Thạch anh ám khói khi nung ở nhiệt độ 572-752oC màu sẽ bị nhạt đi Citrin tự nhiên khá hiếm trên thương trường và lượng chủ yếu citrin là do ametit hoặc thạch anh ám khói bị xử lý nhiệt Ametit chuyển sang vàng nhạt ở nhiệt độ 470oC và màu vàng tối tới màu vàng nâu nhạt ở nhiệt độ 550-560oC Thạch anh ám khói chuyển sang màu vàng sớm hơn ở nhiệt độ khoảng 300-400oC Đa số citrin tự nhiên có màu vàng rất nhạt và khi bị xử lý sẽ không còn tính đa sắc, trong khi đó citrin tự nhiên có tính đa sắc yếu
- Chiếu xạ : Bằng phương pháp chiếu xạ có thể chuyển loại thạch anh không
màu sang có màu
- Tổng hợp : Thạch anh cũng được tổng hợp trong công nghiệp với các tinh thể lớn dùng trong công nghiệp
- Mài cắt: Thạch anh có thể được mài cắt ở các dạng khác nhau từ những dạng nguyên thủy nhất cho tới những dạng mới nhất hiện nay Citrin và ametit thường được mài ở dạng bậc, kiểu kim cương hay kiểu hỗn hợp khi đó màu của viên đá có xu hướng trở nên đậm hơn Kiểu cabocbon thường dùng cho aventurin rose quartz, mắt hổ và mắt mèo Thạch anh mắt hổ cũng thường được chạm khắc ở dạng “cameo” Đối với ametit màu của chúng thường không đều
di vậy trong quá trình mài ta phải chú ý định hướng sao cho phần màu đẹp nhất nằm tại pavilion gần culet
5. Phương pháp sản xuất tinh thể thạch anh bằng phương pháp nung.
Trang 85.1 Quy trình công nghệ.
Sơ đồ quy trình công nghệ nung thạch anh
5.2 Thuyết minh quy trình công nghệ.
Sau khi lựa chọn nguyên liệu dùng để chế tạo tinh thể thạch anh với
nguồn nguyên liệu ban đầu là FT5 và FT9 Sau đó tính toán các tỷ lệ và được cân theo thành phần phối liệu, tiếp theo chúng ta tiến hành phối trộn 2 nguyên liệu cùng với một số oxit kim loại tạo màu khác như : coban oxit, đồng (I) oxit, sắt (III) oxit… sao cho các oxit kim loại này không được vượt quá 5% khối lượng của nguyên liệu Sau khi đã tiến hành phối trộn xong, các nguyên liệu này sẽ được sử dụng trong cốc làm bằng đất sét với các thành phần oxit kim loại khác chiếm tỷ lệ rất thấp và hầu như không ảnh hưởng đến thành phần của nguyên liệu Tiếp đến tiến hành nung bằng lò nung
Qúa trình nung
Sản phẩm
Kiểm tra Lưu sản phẩm Nung
Oxit tạo
Phối trộn Cân Nguyên liệu
Trang 9Nung là một công đoạn quan trọng trong việc hình thành và tạo tinh thể, quyết định đến chất lượng sản phẩm và giá thành của sản phẩm Trong quá trình nung chúng ta phải :
o Khảo sát được tỷ lệ của các thành phần nguyên liệu
o Khảo sát được nhiệt độ tối ưu
o Khảo sát thời gian lưu tối ưu sao cho sản phẩm tạo ra nhiều tinh thể nhất, ít tổn hao về năng lượng nhất
o Khảo sát sự tạo màu của các oxit kim loại
5.3 Cơ sở lý thuyết của quá trình nung
Nguyên liệu sau khi phối trộn được nung ở nhiệt độ và thời gian thích hợp các tính chất của nguyên liệu thay đổi như nhiệt độ nóng chảy, mật
độ tăng, độ hút nước giảm… hình thành sản phẩm đạt yêu cầu sản xuất Trong quá trình nung, nhiệt độ và thời gian nung cũng như thời gian lưu sản phẩm được khống chế chặt chẽ, các phản ứng hóa lý của vật liệu xảy ra theo đúng với
dự định của công nghệ, vì vậy khi kết thúc quá trình nung các tính chất kỹ thuật của sản phẩm đạt theo yêu cầu của thiết kế
5.4 Nhiệt độ nung
Là nhiệt độ cao nhất cần thiết cho quá trình phản ứng và kết khối đạt mức cần thiết để tạo thành sản phẩm có độ bong cần thiết, sản phẩm tạo thành đạt độ cứng nhất định Nhiệt độ nung hợp lý (lý thuyết) để có thể tính toán được khi biết thành phần hóa nhưng tốt nhất xác định bằng thực nghiệm khi nghiên cứu mẫu nhỏ
5.5 Thời gian lưu sản phẩm
Là toàn bộ thời gian cần thiết của một chu kỳ nung Kể từ khi bắt đầu nâng nhiệt độ cho đến khi lấy được thành phẩm Thời gian nung rất khác nhau,
từ một giờ đến hàng chục giờ, thậm chí nhiều ngày
Xét về hiệu quả kinh tế, để tiết kiệm năng lượng, tăng năng suất, chu
kì nung càng ngắn càng tốt Tuy nhiên, do các điều kiện kỹ thuật khác (thời gian biến đổi hóa lý cần thiết trong phối liệu độ bền cơ của vật nung, độ bền của lò nung, kết cấu lò…) không thể nung quá nhanh được Trong kỹ thuật nung, phải tính với tốc độ tăng hoặc giảm nhiệt độ (nghĩa là mất thay đổi nhiệt
độ trong một đơn vị thời gian) một cách thích hợp
Thời gian lưu ảnh hưởng rất lớn đến việc hình thành tinh thể trong sản phẩm, thời gian lưu phải đủ dài để tinh thể phát triển từ các mầm tinh thể ban đầu Nếu thời gian lưu quá ngắn thì tinh thể tạo thành không đủ thời gian phát triển, nếu thời gian lưu quá dài vượt quá thời gian phát triển của tinh thể
sẽ ảnh hưởng đến chi phí sản xuất tổn hao năng lượng
Kết thúc quá trình nung chúng ta phải kiểm tra sản phẩm có tạo thành tinh thể hay không, sau đó tiến hành đo các thông số kỹ thuật của sản phẩm như:
Trang 10• Tỷ trọng (khối lượng riêng).
• Chiết xuất
• Đo độ cứng
TÀI LIỆU THAM KHẢO.
- [1] Trần Trí Luân ,Bài giảng môn “Các phương pháp nghiên cứu và phân tích vật liệu vô cơ” , Đại học Tôn Đức Thắng
- [2] Huỳnh Đức Minh, Khoáng vật học Silicat, NXB Khoa học – kỹ thuật
- [3] Nguyễn Văn Chiển, Trịnh Ích và Phan Trường Thị, Thạch học, 1973, NXB Đại học và trung học chuyên nghiệp, Hà Nội
- [4] La Vũ Thùy Linh, Bài giảng môn “Kỹ thuật tổng hợp vật liệu vô cơ”, Đaị học Tôn Đức Thắng