Формула песка: состав, структура и свойства

0
0

Песок - удивительный материал, который окружает нас повсюду. От песочницы до стройплощадки - мы постоянно сталкиваемся с этим веществом. Давайте разберемся, что же представляет собой песок на самом деле!

Происхождение песка

Песок - это осадочная горная порода, которая образуется в результате разрушения скал. Воздействие воды, ветра, колебания температуры приводят к тому, что камни растрескиваются, раскалываются на части и истираются в мелкие зерна - песчинки.

Песок представляет собой рыхлую смесь зерен, образовавшихся в результате разрушения твердых горных пород, размером 0,16—5 мм.

В зависимости от того, где происходило накопление песка, различают несколько его разновидностей:

  • Речной
  • Морской
  • Озерный
  • Эоловый (образованный ветром)
  • Карьерный

По химическому составу пески делят на кварцевые, состоящие почти целиком из диоксида кремния SiO2, полевошпатовые, содержащие полевые шпаты, глауконитовые, обогащенные глауконитом, и известковые.

Песчинки на темном фоне под солнечным светом

Химический состав и формула песка

Основу химического состава песка составляет формула песка кремнезем - диоксид кремния SiO2. Это главный компонент, образующий зерна кварца и других минералов. Кроме него присутствуют оксиды алюминия, железа, титана, кальция и других элементов. Вот типичный химический состав кварцевого песка:

SiO2 97,07%
Fe2O3 0,34%
А12О3 1,06%
ТиО2 0,09%

Входящие в состав песка микроэлементы - хром, марганец, калий, натрий, сера и другие также играют определенную роль, влияя на различные свойства.

Химический и минеральный состав песка сильно зависит от его происхождения. кварцевый песок формула целиком состоит из диоксида кремния. А в речных и морских песках помимо кварцевых зерен всегда есть частицы полевых шпатов, слюды, глины и даже ракушек.

Для анализа химического состава песков применяют такие методы, как рентгенофлуоресцентный и атомно-эмиссионный.

Строение и структура песка

Химические связи в соединениях, образующих песок, могут быть ионными, ковалентными или молекулярными. Например, в кварце атомы кремния и кислорода соединены ковалентными полярными связями, образуя гигантскую трехмерную кристаллическую решетку. Атомы располагаются в пространстве очень упорядоченно.

При нагревании до 1610°C кварц плавится, переходя в аморфное стеклообразное состояние. При охлаждении вновь образуется кристаллическая решетка диоксида кремния.

Другие минералы песка также имеют кристаллическое строение. Их атомы или ионы располагаются строго периодически в трех измерениях.

Важной характеристикой структуры песка является пористость - наличие пустот между зернами. Она бывает открытой и закрытой. Первая создает возможность для фильтрации жидкостей и газов сквозь песок, используемую, например, при добыче нефти и газа.

Для исследования структуры частиц песка применяют такие методы, как рентгеноструктурный анализ, оптическая и электронная микроскопия, газоадсорбция.

Большая песчаная дюна в пустыне на рассвете

Физические и химические свойства

Одним из важнейших физических свойств песка является плотность. Для кварцевого песка она составляет 2,65 г/см3. Также среди физических характеристик можно выделить пористость (доля пустот в объеме) и влагоемкость (способность поглощать и удерживать воду).

По твердости по шкале Мооса песок имеет балл 7, то есть царапается минералом кварц, но не царапается стальным напильником. Кварцевый песок обладает высокой износостойкостью.

Теплопроводность кварцевого песка невысока - около 1,3 Вт/(м·К). Зато теплоемкость достигает 0,8 кДж/(кг·К). Это обуславливает его огнеупорные свойства и использование для изготовления литейных форм.

Применение песка

Благодаря своим уникальным свойствам песок находит широчайшее применение в самых разных областях. В строительстве он незаменим при производстве бетона, стекла, керамики. В литейном деле формула песка входит в состав формовочных и стержневых смесей.

Углубление скважин с гидравлическим разрывом нефтеносных пластов осуществляется с помощью закачки в них кварцевого песка. При пескоструйной обработке материалов их бомбардируют высокоскоростным потоком абразивных частиц.

Добыча и обогащение

Добывают песок открытым способом в карьерах или со дна рек методом всасывания гидромониторами. Затем для очистки от примесей применяют разделение частиц по крупности (грохочение), отмывку в водных потоках, магнитную сепарацию.

Экологические аспекты

Добыча песка наносит ущерб окружающей среде. Уничтожаются почвенный слой и растительность, нарушается гидрологический режим местности, происходит заиление и мутность водотоков. Поэтому необходим поиск альтернатив и рекультивация карьеров.

Перспективы

В будущем с развитием нанотехнологий появится возможность целенаправленно конструировать композитные материалы на основе песка с заданными свойствами. А новые методы добычи и переработки решат проблему его дефицита.

Области применения песка

Кроме строительства и литейного производства, формула песка находит применение и в других областях:

  • Нефтедобыча
  • Пескоструйная обработка
  • Фильтрация жидкостей и газов
  • Абразивы
  • Косметические средства
  • Окрасочные составы

При добыче нефти закачивание кварцевого песка в скважины увеличивает нефтеотдачу пластов. Абразивные свойства песка используются при очистке и матировании поверхностей.

В фильтрах для очистки воды и воздуха песок задерживает механические примеси. А в косметике он входит в состав скрабов и пилингов.

Переработка и утилизация

Использованный в строительстве бетон подвергают дроблению и переработке в щебень, который вновь применяют для приготовления бетона. Так реализуется концепция циклической экономики.

Хвосты обогащения песка частично могут утилизироваться в дорожном строительстве. Но значительная их часть все еще складируется в отвалах, что усугубляет воздействие на окружающую среду.

Экологические проблемы

Масштабная добыча песка ведет к существенным экологическим последствиям. Помимо уничтожения почв и растительности, нарушается гидрологический режим территории, происходит эрозия и опустынивание.

Необходимы соблюдение природоохранных норм, рекультивация нарушенных земель после завершения разработки месторождений, поиск альтернатив сырью.

Перспективные направления

Создание наноструктурированных композиционных материалов на основе диоксида кремния открывает новые перспективы применения песка. Улучшение его свойств позволит заменить более дорогие и дефицитные материалы.

Разработка новых безотходных способов добычи и переработки сделает использование песка экологичным и экономически целесообразным.