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.