Кварц — минерал SiO2: структура, свойства, разновидности и приложения

Кварц (SiO2): структура, свойства, разновидности и приложения — от бижута и ахат до часовници, полупроводници и високотехнологично стъкло. Научете всичко за този минерал.

Кварцът е тектосиликатен минерал, който е вторият най-разпространен минерал в континенталната кора на Земята. Кристалната му структура представлява рамка от силициево-кислородни тетраедри SiO4. Всеки от тях споделя един кислороден атом с друг тетраедър, така че общата химична формула е SiO2 или силициев диоксид. Кварцът кристализира най-често във вид на хексагонални призми със заострени върхове, но често се среща и в масивна или зърнеста форма.

Съществуват много различни разновидности на кварца, някои от които са полускъпоценни камъни. Те се използват от дълго време за изработване на бижута и дърворезби от твърд камък. Ахатът, аметистът, розовият кварц са все форми на кварца. Кварцовите агрегати като халцедон, ахат, джаспър и чакъл (chert) са важни за декоративни и приложни цели.

Кварцовите кристали се използват в осцилатори, например в кварцови часовници. Хората също така извличат силиций, за да произвеждат полупроводници. По-голямата част от пясъка са малки кварцови парченца. Кварцът има минерална твърдост 7 (по скалата на Моос).

Думата "кварц" идва от немската дума "quarz".

"Топеният кварц" е стъкло, направено от силициев диоксид в некристална форма. То не съдържа други съставки, които се добавят към другото стъкло, за да се понижи температурата на топене. Топеният кварц има високи температури на работа и топене. За някои цели стопеният кварц е по-добър от другите видове стъкло поради своята чистота. Стъклото се използва в редица високотехнологични продукти.

Кристалографска и физична характеристика

• Кристална система: тригонална (α-кварц) при стайна температура; при нагряване над ~573 °C се преобразува във високо-температурна β-фаза с по-висока симетрия (хексагонална).
• Плътност: около 2.65 g/cm³ (зависейки от примеси и порьозност).
• Твърдост: 7 по скалата на Моос — устойчив на надраскване от повечето обикновени материали.
• Фрактура: черупчата (конкоидална) — няма ясно изразени равни ломни плоскости.
• Оптични свойства: преломни индекси nω ≈ 1.544–1.553 и nε ≈ 1.553–1.553; слаба двупреломляемост (~0.009).
• Термични свойства: стабилен при високи температури; преход α→β при ~573 °C е обратим и съпроводен с промяна в обема.
• Електрически: кварцът е пиезоеlectrik — механично напрежение предизвиква електрически заряд и обратно, което е ключово за осцилаторите и резонаторите.

Полиморфи и сродни форми на SiO2

Силициевият диоксид има множество полиморфни модификации, различни по кристална структура и условия на образуване. Освен обикновения кварц съществуват и:

• тридимит и кристобалит — високо-температурни форми, често срещани в вулканични скали;
• коезит и стиховит (stishovite) — високо налягане форми, образувани при ударни събития или дълбоко под повърхността;
• аморфна форма (силика гел, опал, стъкло като топен кварц) — некристална, с различни оптични и химични свойства.

Причини за оцветяване и разновидности

Цветът при различните разновидности се дължи на примеси, трапени в кристалната решетка, включвания и радиационно облъчване:

• Аметист: лилав — примеси на желязо и естествена радиоактивна обработка;
• Цитрин: жълто-оранжев — желязо и топлинни въздействия;
• Розов кварц: розов цвят — микроскопични включвания или микро-тракции и следи от титан/желязо/манган;
• Димчат кварц: сиво-кафяв — вследствие на естествено облъчване;
• Млечен кварц: бял/мътен — множество микровключвания, които разсейват светлината;
• Ахат, халцедон, джаспър, черт: криптокристални агрегати на кварца с разнообразни шарки и цветове.

Геоложко разпространение и образуване

Кварцът се среща в широк спектър от геоложки среди:

• в плутонни и вулканични скали — като основен компонент на гранити и риолити;
• в пегматити и вени — където често образува големи кристали;
• в метаморфни скали (кварцити) — когато пясъчници се преобразуват под влияние на налягане и температура;
• в седиментни среди — като кварцов пясък, продукт на разпадане и вятърно/водно транспортиране;
• хидротермално — синтез на кристали от разтвор, даващ чист и голям кварц подходящ за индустриални цели.

Приложения

Кварцът има много и разнообразни приложения благодарение на механичната си якост, химическата устойчивост и пиезоефекта:

• Електроника и телекомуникации: кварцови осцилатори и резонатори за контролиране на честоти (часовници, радиостанции, мобилни устройства); синтетичен кварц за висококачествени кристали.
• Полупроводникова промишленост: източник на високочист силиций за производство на интегрални схеми (чрез редукция и допълнителни процеси).
• Оптика и стъкларство: стопен кварц (fused quartz/fused silica) се използва за оптични прозорци, лещи, влакна за комуникации и компоненти, устойчиви на UV и високи температури.
• Строителство: кварцов пясък е суровина за бетон, стъкло и филтри за вода.
• Декоративно и бижутерийно: полускъпоценни камъни, ограждения, облицовки и статуетки.
• Медицински и научни уреди: сензори, акустични устройства, ултразвукови трансдюсери.

Синтетичен кварц и промишлено производство

Хидротермалният метод позволява да се отгледат големи, почти идеално чисти кристали, използвани в електрониката и часовникарството. Стопеният кварц (fused silica) се получава чрез топене на чист SiO2 и има изключително ниско съдържание на примеси, висока температура на работа и отлични оптични свойства, което го прави незаменим в някои високотехнологични приложения.

Грижа и съхранение

• Кварцовите бижута и образци се почистват с мека четка и топла сапунена вода; за по-упорити замърсявания може да се използва разтворител, но трябва да се избягва силно киселинно или основно третиране.
• При много фини или напукани образци трябва да се внимава с ултразвукова почистване и температурни шокове, които могат да влошат вътрешните пукнатини.

Културно-исторически бележки

Кварцът е познат и ценен от древни времена — използван е за изработка на орнаменти, амулети и инструменти. Неговите явни оптични и пиезоелектрически свойства са довели до важни технологични приложения в съвременната наука и индустрия.

Като цяло кварцът е един от най-универсалните минерали на Земята — съчетавайки естетика, устойчивост и функционалност, той продължава да бъде ключов материал в много области на науката и промишлеността.

Шокиран кварц

Ударният кварц е форма на кварц, която има микроскопична структура, различна от тази на нормалния кварц. Под въздействието на силно налягане (но при ограничена температура) кристалната структура на кварца се деформира по равнини вътре в кристала. Тези равнини се виждат като линии под микроскоп.

Ударният кварц се среща в цял свят, особено в кратерите от удари и в тънкия граничен слой между креда и палеоген. Той се намира на контакта между кредните и палеогенските скали. Това е още едно доказателство (в допълнение към обогатяването с иридий), че преходът между двата геоложки периода е бил причинен от голям удар. Юджийн Шумейкър го открива в строителни камъни в баварския град Ньордлинген. Камъните са били от шокирани метаморфни скали, като брекча, от метеоритен кратер.

фотомикрография на шокиран кварц

Въпроси и отговори

В: Какво е кварц?

Въпрос: Откъде идва името "кварц"?

В: Какви са някои разновидности на кварца?

В: Колко твърд е кварцът?

В: Какво представлява стопеният кварц?

В: За какви продукти може да се използва топеният кварц?

В: Откога хората използват различни видове кварц за бижута и дърворезби?

Търсене по буква