Thạch anh

Thạch anh (silic dioxide, SiO2) hay còn gọi là thủy ngọc là một trong số những khoáng vật phổ biến trên Trái Đất. Thạch anh được cấu tạo bởi một mạng liên tục các tứ diện silic - oxy (SiO4), trong đó mỗi oxy chia sẻ giữa hai tứ diện nên nó có công thức chung là SiO2.
Thạch anh được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau: điện tử, quang học... và trong ngọc học. 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.
Nguyên gốc từ.
Từ "thạch anh" có nguồn gốc từ tiếng Đức "Quarz", có cùng hình thức với từ này trong nửa đầu của thế kỷ 14 trong tiếng Đức Cao Trung đại và tiếng Đông Trung Quốc. và bắt nguồn từ cụm từ tiếng Ba Lan "kwardy", tương ứng với cụm từ tiếng Séc "tvrdý" ("cứng").
Người Hy Lạp cổ đại gọi quartz là κρύσταλλος ("krustallos"), xuất phát từ từ tiếng Hy Lạp cổ đại "κρύος" ("kruos") có nghĩa là "lạnh giá", bởi vì một số nhà triết học (bao gồm Theophrastus) hiểu rằng khoáng chất này là một dạng băng được làm lạnh vượt quá điểm đông lạnh. Ngày nay, cụm từ "rock crystal" thỉnh thoảng được sử dụng làm tên thay thế cho quartz trong trạng thái tinh thể trong suốt có kích thước hạt lớn.
Tạo hình và cấu trúc tinh thể.
Quartz thuộc hệ tinh thể tam giác ở nhiệt độ phòng, và hệ tinh thể lục giác ở trên nhiệt độ . Hình dạng tinh thể lý tưởng là một hình chóp sáu mặt với các hình chóp sáu mặt ở mỗi đầu. Trong tự nhiên, các tinh thể quartz thường tạo song sinh (bao gồm cả các tinh thể quartz chủ động và tinh thể quartz chủ động trái), bị biến dạng hoặc xen kẽ với các tinh thể quartz hoặc khoáng vật khác kề cận đến mức chỉ thấy một phần của hình dạng này, hoặc không có mặt tinh thể rõ ràng và trông như khối lớn. Các tinh thể có hình dạng tốt thường hình thành như một druse (một lớp tinh thể bọc kín một khoảng trống), trong đó các geode quartz là các ví dụ đẹp. Các tinh thể được gắn vào một đầu vào đá bao quanh và chỉ có một hình chóp duy nhất. Tuy nhiên, các tinh thể có hai đầu xảy ra khi chúng phát triển tự do mà không bị gắn vào bất kỳ vật thể nào, ví dụ như trong can-xi.
Quartz alpha tinh thể hóa trong hệ tinh thể tam giác, nhóm không gian "P"3121 hoặc "P"3221 (nhóm không gian 152 hoặc 154 tương ứng) tùy thuộc vào tính đối xứng. Trên nhiệt độ , alpha quartz trong "P"3121 trở thành "P"6422 lục giác đối xứng hơn (nhóm không gian 181), và alpha quartz trong "P"3221 chuyển sang nhóm không gian "P"6222 (số 180). Các nhóm không gian này là thực sự đối xứng (họ thuộc 11 cặp phản đối thứ 2). Cả alpha-quartz và beta-quartz đều là ví dụ về cấu trúc tinh thể không đối xứng được cấu tạo từ các khối xây dựng không đối xứng (tứ diện SiO4 trong trường hợp này). Quá trình chuyển đổi giữa alpha và beta quartz chỉ liên quan đến việc quay nhẹ của các tứ diện liên quan đến nhau, không làm thay đổi cách chúng được liên kết. Tuy nhiên, có một sự thay đổi đáng kể về thể tích trong quá trình chuyển đổi này, và điều này có thể dẫn đến việc xuất hiện sự nứt vỡ vi tiểu trong gốm sứ và trong các đá của vỏ trái đất.
Các loại (dựa trên cấu trúc vi mô).
Mặc dù nhiều tên loại theo truyền thống phát sinh từ màu sắc của khoáng vật, nhưng các hệ thống đặt tên khoa học hiện tại chủ yếu liên quan đến cấu trúc vi mô của khoáng vật. Màu sắc là chỉ mục phụ cho các khoáng vật tiểu tinh thể, trong khi nó lại là chỉ mục chính cho các loại khoáng vật lớn tinh thể.
Các loại (dựa trên màu sắc).
Quartz tinh khiết, truyền thống được gọi là đá hoặc quartz trong suốt, không màu và trong suốt hoặc bán trong suốt, thường được sử dụng để tạc các tác phẩm đá cứng, như Lothair Crystal. Các loại màu phổ biến bao gồm citrine, rose quartz, amethyst, smoky quartz, milky quartz và các loại khác. Những phân biệt màu sắc này phát sinh từ sự hiện diện của các tạp chất làm thay đổi các quỹ đạo phân tử, gây ra một số quá trình chuyển tiếp điện tử diễn ra trong phổ màu sắc thấy được.
Phân biệt quan trọng nhất giữa các loại quartz là loại "lớn tinh thể" (có thể nhìn thấy bằng mắt thường) và các biến thể siêu tinh thể hoặc siêu tinh thể ẩn (tổ hợp các tinh thể chỉ nhìn thấy dưới độ phóng đại cao). Các biến thể siêu tinh thể ẩn có thể trong suốt hoặc phần lớn không trong suốt, trong khi các biến thể trong suốt thường có cấu trúc tinh thể lớn. Chalcedony là một hình thức siêu tinh thể của silic bao gồm sự xen kẽ tốt giữa cả hai loại quartz và dạng monoclinic của nó, moganite. Các loại đá quý khác không trong suốt của quartz, hoặc các loại đá hỗn hợp bao gồm quartz, thường bao gồm các dải hoặc mẫu vẽ màu sắc tương phản, bao gồm agate, carnelian hoặc sard, onyx, heliotrope và jasper.
Thạch anh tím (Amethyst).
Amethyst là một dạng thạch anh có màu từ tím sáng rực rỡ đến màu oải hương tối mờ. Những mỏ thạch anh tím lớn nhất thế giới có thể tìm thấy ở Brazil, Mexico, Uruguay, Nga, Pháp, Namibia và Morocco. Đôi khi, thạch anh tím và thạch anh nâu vàng (citrine) lại cùng mọc trong cùng một tinh thể. Khi đó, chúng được gọi là ametrine. Thạch anh tím có màu sắc từ dấu vết của sắt trong cấu trúc của nó.
Thạch anh xanh.
Thạch anh xanh chứa các chất bao gồm sợi magnesio-riebeckite hoặc crocidolite.
Thạch anh Dumortierite.
Sự kết tinh của khoáng vật dumortierite trong các mảnh thạch anh thường tạo ra các vết loang lổ màu xanh dương với vẻ như lụa. Màu tím hoặc xám đôi khi cũng xuất hiện. "Thạch anh Dumortierite" (đôi khi được gọi là "thạch anh xanh") đôi khi có các vùng màu sáng và tối đối lập trên chất liệu. "Thạch anh xanh" là một loại đá quý nhỏ.
Citrine.
Citrine là một dạng thạch anh có màu sắc từ vàng nhạt đến nâu do sự phân bố vi mô của các tạp chất hydroxit ferric dạng sol. Citrine tự nhiên rất hiếm; hầu hết citrine thương mại là thạch anh tím amethyst hoặc thạch anh khói smoky quartz đã qua xử lý nhiệt. Tuy nhiên, thạch anh tím đã qua xử lý nhiệt sẽ có những đường nhỏ trong tinh thể, không giống như citrine tự nhiên có vẻ mờ hoặc giống khói. Gần như không thể phân biệt giữa citrine cắt và topaz vàng về mặt thị giác, nhưng chúng khác nhau về độ cứng theo thang độ cứng Mohs. Brazil là nhà sản xuất chính của citrine, với phần lớn sản lượng đến từ bang Rio Grande do Sul. Tên gọi được chuyển từ từ Latin "citrina" có nghĩa là "màu vàng" và cũng là nguồn gốc của từ "quả chanh". Đôi khi citrine và amethyst có thể được tìm thấy cùng nhau trong cùng một tinh thể, khi đó được gọi là ametrine. Citrine đã được gọi là "đá của thương gia" hoặc "đá tiền bạc", do một điềm tình rằng nó sẽ mang lại thịnh vượng.
Citrine được đánh giá lần đầu tiên như một loại đá quý màu vàng vàng ở Hy Lạp giữa năm 300 và 150 BC, trong thời kỳ Thời kỳ Hellenistic. Thạch anh vàng được sử dụng trước đó để trang trí đồ trang sức và dụng cụ nhưng nó không được tìm kiếm nhiều.
Thạch anh sữa.
Thạch anh sữa hoặc thạch anh mờ là dạng phổ biến nhất của thạch anh tinh thể. Màu trắng được tạo ra do những hạt chất lỏng nhỏ của khí, chất lỏng, hoặc cả hai, bị mắc kẹt trong quá trình hình thành tinh thể, làm giảm giá trị của nó cho các ứng dụng quang học và đá quý chất lượng.
Thạch anh hồng.
Thạch anh hồng là một loại thạch anh mang màu hồng nhạt đến hồng đỏ. Màu sắc thường được coi là do lượng dư vết của titanium, sắt, hoặc mangan trong vật liệu. Một số thạch anh hồng chứa kim cương rutile vi mô tạo ra asterism trong ánh sáng truyền qua. Các nghiên cứu phân tán X-quang gần đây cho thấy rằng màu sắc có thể do sợi vi mô của có thể là dumortierite trong thạch anh.
Ngoài ra, có một loại thạch anh hồng hiếm (cũng thường được gọi là thạch anh hồng tinh thể) với màu sắc được cho là do lượng dư vết của phosphate hoặc aluminium. Màu sắc trong các tinh thể rõ ràng là nhạy cảm với ánh sáng và có thể phai màu. Các tinh thể đầu tiên được tìm thấy trong một pegmatite gần Rumford, Maine, Mỹ và ở Minas Gerais, Brazil. Các tinh thể được tìm thấy là trong suốt và có hình dạng đẹp hơn, do chúng chứa tạp chất của phosphate và aluminium đã hình thành thạch anh hồng tinh thể, không giống như sắt và sợi dumortierite vi mô đã hình thành thạch anh hồng.
Thạch anh khói.
Thạch anh khói là một phiên bản màu xám, trong suốt của thạch anh. Nó có độ trong suốt từ gần như hoàn toàn trong suốt đến một tinh thể màu nâu xám gần như không thể xuyên thấu. Một số còn có thể có màu đen. Độ trong suốt xuất phát từ phóng xạ tự nhiên tác động lên lượng nhỏ nhôm trong cấu trúc tinh thể.
Prase.
Prase là một dạng thạch anh màu xanh. Màu xanh được tạo ra do sự bao gồm amphibole.
Prasiolite.
Prasiolite, còn được biết đến với tên "vermarine", là một dạng thạch anh màu xanh. Màu xanh được tạo ra do ion Fe. Đây là một khoáng vật hiếm trong tự nhiên và thường được tìm thấy với ametit; hầu hết "prasiolite" không phải là tự nhiên - nó đã được sản xuất nhân tạo bằng cách đun nóng ametit, hầu như tất cả prasiolite tự nhiên đều đến từ một mỏ nhỏ ở Brazil, nhưng cũng thấy ở Lower Silesia ở Ba Lan. Prasiolite tự nhiên cũng được tìm thấy ở khu vực Thunder Bay của Canada.
Phương pháp tổng hợp và xử lý nhân tạo.
Không phải tất cả các loại thạch anh đều tồn tại tự nhiên. Một số tinh thể thạch anh trong suốt có thể được xử lý bằng nhiệt hoặc bức xạ gamma để tạo ra màu sắc mà không tự nhiên có. Khả năng chịu đựng những loại xử lý như vậy phụ thuộc vào vị trí mà thạch anh được khai thác.
Prasiolite, một vật liệu màu ô liu, được sản xuất bằng phương pháp nhiệt; prasiolite tự nhiên cũng được ghi nhận tại Lower Silesia ở Ba Lan. Mặc dù citrine tồn tại tự nhiên, phần lớn là kết quả của việc xử lý nhiệt ametit hoặc thạch anh khói. Carnelian đã được xử lý nhiệt để làm sâu màu từ thời tiền sử.
Vì thạch anh tự nhiên thường bị phân tách, thạch anh tổng hợp được sản xuất để sử dụng trong công nghiệp. Các tinh thể lớn, hoàn hảo, đơn nhất được tổng hợp trong một autoclave thông qua quá trình hydrothermal.
Giống như các tinh thể khác, thạch anh có thể được phủ bằng hơi kim loại để mang lại cho nó một vẻ lấp lánh hấp dẫn.
Phân bố.
Thạch anh là thành phần xác định của granite và các loại đá magma khác. Nó rất phổ biến trong các loại đá trầm tích như đá cát và đá bùn. Nó là thành phần chung của đá phyllit, đá gneiss, đá quartzite và các loại đá biến chất khác. Thạch anh có tiềm năng thấp nhất cho sự phong hóa trong chuỗi phân giải Goldich dissolution series và do đó, nó rất phổ biến như là khoáng vật còn lại trong chất lượng sông và đất còn lại. Nói chung, một lượng lớn thạch anh cho thấy một loại đá "chín", vì nó chỉ ra rằng đá đã được tái chế nhiều và thạch anh là khoáng vật chính chịu được sự phong hóa mạnh mẽ.
Trong khi phần lớn thạch anh kết tinh từ dung nham magma, thạch anh cũng kết tủa hóa học từ các mạch nước nóng như gangue, đôi khi cùng với các khoáng vật quặng như vàng, bạc và đồng. Các tinh thể thạch anh lớn được tìm thấy trong các pegmatite hỗn hợp magma. Các tinh thể hình thành tốt có thể dài đến vài mét và nặng hàng trăm kilogram.
Sự đưa vào bất đồng chất nguyên tố ảnh hưởng mạnh mẽ đến khả năng xử lý và sử dụng thạch anh. Thạch anh tự nhiên với độ tinh khiết cực cao, cần thiết cho các lò và thiết bị khác dùng để nuôi cấy silicon đơn tinh thể trong ngành công nghiệp bán dẫn, là hiếm và đắt đỏ. Những thạch anh tinh khiết cao này được định nghĩa chứa ít hơn 50 ppm của các nguyên tố bất đồng chất. Một vị trí khai thác quan trọng cho thạch anh tinh khiết cao là Mỏ Gem Spruce Pine tại Spruce Pine, North Carolina, Hoa Kỳ. Thạch anh cũng có thể được tìm thấy tại Caldoveiro Peak, tại Asturias, Tây Ban Nha.
Tinh thể thạch anh lớn nhất được ghi nhận từng tìm thấy nằm gần Itapore, Goiaz, Brazil; nó có kích thước xấp xỉ và cân nặng 39,916 kilogram.
Khai thác.
Thạch anh được khai thác từ các mỏ khai thác mỏ mở. Các thợ mỏ đôi khi sử dụng thuốc nổ để khám phá các túi thạch anh sâu. Thông thường, bulldozer và backhoe được sử dụng để loại bỏ đất và đất sét và tiết lộ các mạch thạch anh, sau đó được khai thác bằng dụng cụ thủ công. Phải cẩn thận để tránh những thay đổi nhiệt độ đột ngột có thể làm hỏng các tinh thể.
Hầu hết nhu cầu công nghiệp cho tinh thể thạch anh (chủ yếu được sử dụng trong điện tử) được đáp ứng bằng thạch anh tổng hợp được sản xuất bằng quá trình hydrothermal. Tuy nhiên, tinh thể tổng hợp ít được ưa chuộng hơn để sử dụng làm đá quý. Sự phổ biến của việc chữa lành bằng tinh thể đã tăng nhu cầu đối với tinh thể thạch anh tự nhiên, hiện thường được khai thác tại các nước đang phát triển bằng phương pháp khai thác nguyên thủy, đôi khi liên quan đến lao động trẻ em.
Các khoáng vật silica liên quan.
Tridymite và cristobalite là các dạng biến thể của SiO2 ở nhiệt độ cao xuất hiện trong các loại đá núi lửa có hàm lượng silica cao. Coesite là một dạng biến thể dày hơn của SiO2 được tìm thấy ở một số địa điểm tác động của thiên thạch và trong các loại đá biến chất hình thành ở áp lực lớn hơn so với những gì thường thấy trong vỏ Trái Đất. Stishovite là một dạng biến thể dày hơn và áp lực cao hơn của SiO2 được tìm thấy trong một số địa điểm tác động của thiên thạch. Lechatelierite là một loại thủy tinh silica vô định hình SiO2 được hình thành bởi sét đánh vào cát thạch anh.
An toàn.
Vì thạch anh là một dạng của silica, nó có thể gây ra mối quan tâm trong các môi trường làm việc khác nhau. Việc cắt, mài, chẻ, mài, khoan và đánh bóng các sản phẩm đá tự nhiên và đá được sản xuất có thể thải ra mức độ nguy hiểm của bụi silica tinh thể rất nhỏ vào không khí mà công nhân hít thở. Silica tinh thể có kích cỡ hít vào được công nhận là chất gây ung thư ở con người và có thể dẫn đến các bệnh khác của phổi như silicosis và bệnh xơ phổi.
Điện từ áp.
Các tinh thể thạch anh có tính piezoelectric; chúng phát triển một tiềm thế điện khi áp dụng áp lực cơ học. Một ứng dụng sớm của tính chất này của tinh thể thạch anh là trong cục đầu đọc của đĩa hát. Một trong những ứng dụng piezoelectric phổ biến nhất của thạch anh ngày nay là dùng như một dao động quartz. Đồng hồ quartz là một thiết bị sử dụng khoáng vật này mà chúng ta thường thấy. Tần số cộng hưởng của một dao động quartz thay đổi khi nó được tải cơ học, và nguyên lý này được sử dụng để đo lường rất chính xác các thay đổi khối lượng rất nhỏ trong cân tinh thể thạch anh và trong thiết bị giám sát độ dày của màng mỏng.