Кварц

Кварц — тврд минерал составен од силициум диоксид. Неговите атоми се поврзани во постојана рамка од силициумо-кислородни тетраедри од SiO<sub>4</sub>, при што секој атом на кислород е поделен помеѓу две тетраедри, давајќи ја вкупната хемиска формула на SiO<sub>2</sub>. Затоа, кварцот е класифициран структурно како рамковен силикатен минерал, а композициски како оксиден минерал. Кварцот е втор најчест минерал или минерална група во литосферата на Земјата, со околу 12% по маса.
Кварцот постои во две форми, нормален α-кварц и високотемпературен β-кварц, кои се хирални. Преобразбата од α-кварц во β-кварц се одвива нагло на . Бидејќи преобразбата е придружена со значителна промена на волуменот, таа лесно може да предизвика микрофрактурирање на керамиката или карпите кои минуваат низ овој температурен праг.
Постојат многу различни видови кварц, од кои неколку се класифицирани како скапоцени камења. Уште од антиката, видовите кварц се најчесто употребувани минерали во изработката на накит и резби од тврд камен, особено во Европа и Азија.
Кварцот е минерал кој ја дефинира вредноста 7 на Мосовата скала на тврдост, квалитативен метод на гребење за одредување на тврдоста на материјалот.
1 Етимологија
Зборот ''кварц'' е изведен од германскиот збор de, кој имал ист облик во првата половина на 14 век во средногорногерманскиот јазик и во источносредногерманскиот јазик и кој потекнува од полскиот дијалектски термин ''kwardy'', што одговара на чешкиот термин cs („тврд“). Сепак, некои извори го припишуваат потеклото на зборот на саксонскиот збор ''Querkluftertz'', што значи „руда со вкрстени вени“.
Старите Грци го нарекувале кварцот како grc што значи „кристал“, изведено од старогрчкиот збор grc што значи „ледено студен“, бидејќи некои филозофи (вклучувајќи го и Теофраст) верувале дека минералот е форма на преладен мраз Денес терминот се користи како алтернативно име за проѕирен, грубо кристален кварц.
2 Рани проучувања
Римскиот природонаучник Плиниј Постариот верувал дека кварцот е мраз, трајно замрзнат по долги временски периоди. Тој ја поткрепил оваа идеја велејќи дека кварцот се наоѓа во близина на глечерите во Алпите, но во топли клими. Оваа идеја опстојувала барем до 17 век.
Во 17 век, проучувањето на кварцот од страна на Николас Стено го отворило патот за современата кристалографија. Тој открил дека, без оглед на големината или обликот на кварцниот кристал, неговите долги призми секогаш се среќаваат под совршен агол од 60°, со што се воспоставил законот за постојаност на меѓуфазните агли.
3 Кристален хабитус и структура
Кварцот може да се формира како два различни полиморфи во зависност од температурата и притисокот: ''α-кварц'' (исто така наречен ''низок кварц'' или ''нормален кварц'') и ''β-кварц'' (исто така наречен ''кварц-бета'' или ''висок кварц''). α-кварцот кристализира во тригоналниот кристален систем, додека β-кварцот има поголема симетрија и кристализира во шестоаголниот кристален систем. Преминот од α-кварц во β-кварц се случува нагло на при амбиентален притисок; температурата на премин е поголема при повисоки притисоци. β-кварцот е нестабилен на собна температура; затоа, целиот кварц на собна температура е α-кварц без оглед на тоа како полиморф се формирал.
И двата полиморфа на кварцот можат да се појават во две различни просторни групи во зависност од хиралноста. Над температурата на премин, α-кварцот во P3121 (просторна група 152) станува β-кварц во P6422 (просторна група 181), а α-кварцот во P3221 (просторна група 154) станува β-кварц во P6222 (просторна група 180).
Овие просторни групи се навистина хирални (секоја од нив припаѓа на 11-те енантиоморфни парови). И α-кварцот и β-кварцот се примери за хирални кристални структури составени од ахирални градежни блокови (тетраедри на SiO<sub>4</sub> во овој случај). Преобразбата помеѓу α- и β-кварц вклучува единствено релативно мало вртење на тетраедрите еден во однос на друг, без промена во начинот на кој тие се поврзани. <sup class="reference nowrap">&#x3A;&#x200A;201&#x200A;</sup>Сепак, за време на овој премин има значителна промена на волуменот, и ова може да резултира со значително микропрелом кај керамиката за време на печењето, кај украсниот камен по пожар и кај карпите од Земјината кора изложени на високи температури, со што се оштетуваат материјалите што содржат кварц и се деградираат нивните физички и механички својства.
Идеалната кристална форма за кварц е шестострана призма која завршува со шестострани пирамидални ромбоедри на двата краја. Во природата, кварцните кристали често се збратимени (со двојни десни и леви кварцни кристали), искривени или толку испреплетени со соседни кристали од кварц или други минерали што покажуваат само дел од оваа форма, или воопшто немаат очигледни кристални површини и изгледаат масивни.
Добро формираните кристали обично се формираат како друзи (слој од кристали што ја обложуваат празнината), од кои кварцните геоди се особено добри примери. Кристалите се прицврстени на едниот крај на оградната карпа, и присутна е само една завршна пирамида. Сепак, двојно завршени кристали се јавуваат таму каде што се развиваат слободно без прицврстување, на пример, во гипс.
4 Сорти
Чистиот кварц, традиционално наречен камен кристал или проѕирен кварц, е безбоен и проѕирен. Обоените варијанти на кварц се вообичаени и вклучуваат цитрин, розов кварц, аметист, чаден кварц, млечен кварц и други. Овие диференцијации на боите произлегуваат од присуството на примеси кои ги менуваат молекуларните орбитали, предизвикувајќи некои електронски премини да се случат во видливиот спектар, емитувајќи обоена светлина.
Кварцните сорти претходно биле класифицирани во три категории врз основа на видливоста на нивните индивидуални кристали. Макрокристалните кварцни сорти имаат индивидуални кристали кои се видливи со голо око (макроскопски). Микрокристалните кварцни сорти се агрегати од ситни кристали кои можат да се видат единствено преку микроскоп (микроскопски). Криптокристалните кварцни сорти се агрегати од кристали кои се премногу мали за да се видат дури и со оптички микроскоп (субмикроскопски). Денес, микрокристалните и криптокристалните сорти најчесто се групираат заедно и се нарекуваат халцедон. Сепак, во научната книжевност, халцедонот е специфична форма на силициум диоксид кој се состои од фини меѓурастоци и на кварц и на неговиот моноклински полиморф, моганит. Халцедонот е најчесто проѕирен, додека макрокристалните сорти на кварц имаат сконетост да бидат повеќе проѕирни. Бојата е секундарен пронаоѓач за криптокристалните сорти и примарен пронаоѓач за макрокристалните сорти.
+Видови на кварц, Име, Боја, Причина, Опис, Видливост на кристалите, Проѕирност, Главни наоѓалишта, Слика, Наводи
Ахат, Често повеќебоен; најчесто безбоен, светлосин до црн, црвен до портокалов, жолт, бел, кафеав, розов, виолетов; ретко зелен, Варира според бојата, Лентовидна разновидност на халцедон, Криптокристален, микрокристален, Полупроѕирен до непроѕирен, Широко распространет, Ахатна нодула од Малави,
Аметист, Виолетова до пурпурна, Природно зрачење и трагови од железо (Fe<sup>3+</sup>), Најчесто се јавува во големи групи и геоди, Макрокристален, Проѕирен, Бразил, Мексико, Уругвај, Русија, Франција, Намибија, Мароко, Аметист од Сибир,
Аметрин, Виолетова и жолта, Железни примеси, Се смета за комбинација од цитрин и аметист во ист кристал; поголемиот дел од материјалот е делумно термички обработен или вештачки зрачен аметист., Макрокристален, Проѕирен до полупроѕирен, Боливија, Бразил, Индија, Необработен аметрин од Боливија,
Карнеол, Портокалова до црвена, црвено-кафеава, Примеси од железен оксид, Разновидност на халцедон; потемните бои често се добиваат со термичка обработка., Криптокристален, микрокристален, Полупроѕирен до непроѕирен, Перу, Шри Ланка, Природен карнеол од Њу Џерси, САД,
Халцедон, Речиси секоја боја, Варира според бојата, Влакнеста форма на силициум-диоксид составена главно од кварц со примеси од моганит, Криптокристален, микрокристален, Проѕирен до непроѕирен, Широко распространет, Халцедон од Чешка,
Цитрин, Природен: жолта до жолто-зелена или жолто-портокалова, Природен: нема научен консензус, Природниот цитрин е редок; најчесто се продава термички обработен аметист., Макрокристален, Проѕирен, Бразил, Природни кристали цитрин од Русија,
Јаспис, Најчесто црвена до кафеава; може и други бои, Нечиста разновидност на халцедон, Микрокристален, Непроѕирен, Црвен јаспис од Јапонија
Млечен кварц, Бела, Микроскопски флуидни инклузии, Помалку ценет како скапоцен камен, Макрокристален, Полупроѕирен до непроѕирен, Млечен кварц од Колорадо, САД
Оникс, Црна и бела, Јаглеродни примеси, Разновидност на ахат, Криптокристален, микрокристален, Полупроѕирен до непроѕирен, Оникс од Германија
Празиолит, Зелена, Соединенија на Fe<sup>2+</sup>, Редок; најчесто се добива со загревање на аметист., Макрокристален, Проѕирен, Бразил; Тандер Беј, Канада; Полска, Сечен празиолит од Бразил
Планински кристал (чист кварц), Безбоен, Отсуство на примеси, Макрокристален, Проѕирен до полупроѕирен, Кристали чист кварц
Розов кварц, Светло розова до розе, Микроскопски инклузии поврзани со думортиерит, Најчесто масивен, Макрокристален, Полупроѕирен, Розов кварц
Димен кварц, Светлосива до црна, Бојни центри околу алуминиумски примеси активирани од природно зрачење, Макрокристален, Полупроѕирен до непроѕирен, Димен кварц од Бразил
Тигрово око, Златна, црвено-кафеава, сина, Покажува ефект на мачкино око, Макрокристален, Непроѕирен, Тигрово око
5 Пиезоелектрицитет
Кварцните кристали имаат пиезоелектрични својства; тие развиваат електричен потенцијал при примена на механички стрес . Пиезоелектричните својства на кварцот ги откриле Жак и Пјер Кири во 1880 година.
6 Појава
Кварцот е втор најзастапен минерал или минерална група во литосферата на Земјата; по маса, фелдспатската група сочинува 41% од литосферата, проследено со кварц со 12% и пироксенска група со 11%. Кварцот е дефинирачка состојка на гранит и други фелзични магматски карпи. Тој е многу чест кај седиментните карпи како што се песочникот и шкрилецот. Тој е честа состојка кај шкрилците, гнајсите, кварцитите и другите метаморфни карпи. Кварцот има најмал потенцијал за распаѓање во серијата на Голдичевото растворање и следствено е многу чест како остаточен минерал во седиментите на потоци и остаточните почви. Општо земено, високото присуство на кварц сугерира „зрела“ карпа, бидејќи укажува дека карпата е силно преработена и кварцот бил примарниот минерал што издржал силно распаѓање.
Додека поголемиот дел од кварцот кристализира од стопена магма, кварцот исто така хемиски се таложи од топли хидротермални вени како отпадна руда, понекогаш со рудни минерали како злато, сребро и бакар. Големи кристали на кварц се наоѓаат во магматските пегматити. Добро формираните кристали може да достигнат должина од неколку метри и да тежат стотици килограми.
Најголемиот документиран монокристал на кварц бил пронајден во близина на Итапоре, Гојас, Бразил; неговиот пречник бил 6,1 х 1,5м х 1,5м е приближно и тежел над 40,000 килограми.
7 Рударство
Кварцот се вади од отворени рудници. Рударите повремено користат експлозиви за да откријат длабоки џебови на кварц. Почесто, булдожери и багери се употребуваат за отстранување на почвата и глината и откривање на кварцните вени, кои потоа се обработуваат со рачни алатки. Мора да се внимава да се избегнат ненадејни промени на температурата што можат да ги оштетат кристалите.
8 Поврзани силициумски минерали
Тридимитот и кристобалитот се полиморфи на SiO<sub>2</sub> со висока температура кои се јавуваат во вулкански карпи со висока содржина на силициум диоксид. Коезит е погуст полиморф на SiO<sub>2</sub> кој се наоѓа на некои места на удар на метеорити и во метаморфни карпи формирани при притисоци поголеми од оние типични за Земјината кора. Стишовитот е уште погуст полиморф на SiO<sub>2</sub> со повисок притисок кој се наоѓа на некои места на удар на метеорити. <sup class="reference nowrap">&#x3A;&#x200A;201–202</sup>&#x200A;Моганитот е моноклински полиморф. Лехателиеритот е аморфно силициумско стакло SiO<sub>2</sub> кое се формира со удари од гром во кварцен песок .
9 Безбедност
Бидејќи кварцот претставува форма на силициум диоксид, тој е можна причина за загриженост на различни работни места. Сечењето, брусењето, кршењето, шмирглањето, дупчењето и полирањето на природни и вештачки камени производи може да ослободат опасни нивоа на многу мали, кристални честички прашина од силициум диоксид во воздухот што го дишат работниците. Кристалниот силициум диоксид е препознаен човечки канцероген и може да доведе до други заболувања на белите дробови, како што се силикоза и белодробна фиброза.
10 Синтетички и вештачки третмани
Не сите видови кварц се јавуваат природно. Некои проѕирни кварцни кристали можат да се третираат со топлинска или гама-зрачење за да се извлече боја таму каде што поинаку не би се појавила природно. Подложеноста на вакви третмани зависи од местото од која е ископан кварцот.
Празиолитот, материјал со маслинеста боја, се произведува со термичка обработка; природен празиолит бил забележан и во Долна Шлезија во Полска. Иако цитринот се јавува природно, поголемиот дел претставува резултат на термичка обработка на аметист или чаден кварц. Карнеолот е термички обработен за да се продлабочи својата боја уште од праисторијата.
Бидејќи природниот кварц често се сраснува, синтетичкиот кварц се произведува за употреба во индустријата. Големи, беспрекорни монокристали се синтетизираат во автоклав преку хидротермален процес.
Како и другите кристали, кварцот може да биде обложен со метални пареи за да му се даде привлечен сјај.
11 Употреба
Кварцот е најчестиот материјал кој бил распознаен како мистична супстанца мабан во австралиската абориџинска митологија. Редовно се среќава во гробниците во Европа во контекст на погребување, како што се Њугрејнџ или Кароумор во Ирска. Кварцот се користел и во праисториска Ирска, како и во многу други земји, за камени алатки; и венскиот кварц и камениот кристал биле изработувани како дел од литската технологија на праисториските народи.
Иако жадот претставува еден од најценетите полускапоцен камен за резбање во Источна Азија и претколумбовска Америка уште од најраните времиња, во Европа и Блискиот Исток различни видови кварц биле најчесто употребувани за различните видови накит и резбање на тврд камен, вклучувајќи гравирани скапоцени камења и камеа, вазни од горен кристал и екстравагантни садови. Традицијата продолжила да произведува високо вредни предмети до средината на 19 век, кога во голема мера исчезнала од мода, освен во накитот.
Напорите за синтетизирање на кварц започнале во средината на 19 век, кога научниците се обидувале да создадат минерали во лабораториски услови што ги имитираат условите во кои минералите се формирале во природата. Германскиот геолог Карл Емил фон Шафхеутл (1803–1890) бил првиот човек што синтетизирал кварц кога во 1845 година создал микроскопски кварцни кристали во експрес лонец. Сепак, квалитетот и големината на кристалите што биле произведени со овие рани напори биле лоши.
Вклучувањето на елементарни примеси силно влијаело врз способноста за обработка и користење на кварц. Природно присутните кварцни кристали со екстремно висока чистота, неопходни за садовите за готвење и друга опрема која се употребува за одгледување совршени големи силиконски топчиња што треба да се исечат во силиконски плочки во полупроводничката индустрија, се скапи и ретки. Овие кварцови со висока чистота се дефинирани како оние кои содржат помалку од 50 ppm елементи со примеси. Главно место за рударство на кварц со висока чистота е рударскиот округ Спрус Пајн во Спрус Пајн, Северна Каролина, САД. Кварцот може да се најде и во врвот Калдовејро во Астурија, Шпанија.
До 1930-тите, електронската индустрија стана азависна од кварцните кристали. Единствениот извор на соодветни кристали беил разил; сепак, Втората светска војна ги прекина лаиспораките од Бразил, па затоа земјите напрвиле обид да синтетизираат кварц на комерцијално ниво. Германскиот минералог Ричард Накен (1884–1971) постигнал одреден успех во текот на 1930-тите и 1940-тите. По војната, многу лаборатории напрвиле обид да одгледуваат големи кварцни кристали. Во Соединетите Американски Држави, Сигналниот корпус на американската армија склучила договор со ''Bell Laboratories'' и со ''Brush Development Company'' од Кливленд, Охајо, за синтеза на кристали, следејќи го водството на Накен. (Пред Втората светска војна, ''Brush Development'' произведувал пиезоелектрични кристали за грамофони.) До 1948 година, ''Brush Development'' одгледувал кристали кои биле 1,5 инчи (3,8 см) во пречник, најголем во тоа време. До 1950-тите, техниките на хидротермална синтеза произведувале синтетички кварцни кристали на индустриско ниво, а денес практично целиот кварцен кристал што се употребува во современата електронска индустрија е синтетички.
Рана употреба на пиезоелектричноста на кварцните кристали била во фонографските магнети. Една од најчестите пиезоелектрични употреби на кварцот денес е како кристален треперник. Исто така наречен кварцен треперник или резонатор, првпат бил развиен од Волтер Гајтон Кеди во 1921 година. Џорџ Вашингтон Пирс дизајнирал и патентирал треперник од кварцен кристал во 1923 година. Кварцниот часовник е познат уред што го користи минералот; тоа е едноставно часовник што употребува кварцен треперник како временски навод. Ворен Марисон го создал првиот кварцен часовник врз основа на работата на Кеди и Пирс во 1927 година. Резонантната фреквенција на кварцен кристален треперник се менува со механичко оптоварување, а овој принцип се користи за многу точни мерења на многу мали промени на масата во микробалансот на кварцниот кристал и во монитори за дебелина на тенок филм. Речиси целата индустриска побарувачка за кварцен кристал (кој првенствено се употреува во електрониката) се задоволува со синтетички кварц произведен со хидротермален процес. Сепак, синтетичките кристали се помалку ценети за употреба како скапоцени камења. Популарноста на лекувањето со кристали ја зголемило побарувачката за природни кварцни кристали, кои сега често се ископуваат во земјите во развој со употреба на примитивни методи на рударство, понекогаш вклучувајќи и детски труд.