Кварц -Quartz

Кварц
Кварц, Тибет.jpg
Общий
Категория силикатный минерал
Формула
(повторяющаяся единица)
SiO 2
символ ИМА Qz
Классификация Штрунца 4.DA.05 ( оксиды )
Классификация Дана 75.01.03.01 ( тектосиликаты )
Кристаллическая система α-кварц: треугольный
β-кварц: гексагональный
Кристальный класс α-кварц: трапециевидный (класс 3 2)
β-кварц: трапециевидный (класс 6 2 2)
Космическая группа α-кварц: P3 2 21 (№ 154)
β-кварц: P6 2 22 (№ 180) или P6 4 22 (№ 181)
Ячейка а = 4,9133 Å , с = 5,4053 Å; Z=3
Идентификация
Формула массы 60,083  г·моль −1
Цвет Бесцветный через различные цвета до черного
Кристаллическая привычка 6-гранная призма, оканчивающаяся 6-гранной пирамидой (типично), друзовая, от мелкозернистой до микрокристаллической, массивная
Твиннинг Общее право Дофина, право Бразилии и право Японии
Расщепление {0110} Нечеткий
Перелом раковистый
упорство Хрупкий
Твердость по шкале Мооса 7 – ниже в нечистых разновидностях (определяющий минерал)
Блеск Стекловидное тело – от воскового до матового в массивном состоянии.
Полоса Белый
прозрачность Прозрачный до почти непрозрачного
Удельный вес 2,65; переменная 2,59–2,63 в нечистых разновидностях
Оптические свойства Одноосный (+)
Показатель преломления n ω = 1,543–1,545
n ε = 1,552–1,554
Двулучепреломление +0,009 (интервал BG)
плеохроизм Никто
Температура плавления 1670 °C (β- тридимит ) 1713 °C (β- кристобалит )
Растворимость Нерастворим при СТП ; От 1 ppm по массе при 400 °C и 500 фунтов/дюйм 2 до 2600 ppm по массе при 500 °C и 1500 фунтов/дюйм 2
Другие характеристики решетка: гексагональная , пьезоэлектрическая , может быть триболюминесцентной , хиральной (следовательно, оптически активной, если не рацемической )
Рекомендации

Кварц — это твердый кристаллический минерал , состоящий из кремнезема ( диоксида кремния ). Атомы связаны в непрерывную структуру кремний-кислородных тетраэдров SiO 4 , причем каждый кислород распределяется между двумя тетраэдрами, что дает общую химическую формулу SiO 2 . Кварц является вторым наиболее распространенным минералом в континентальной коре Земли после полевого шпата .

Кварц существует в двух формах: нормальный α-кварц и высокотемпературный β-кварц, обе формы хиральны . Превращение α-кварца в β-кварц происходит резко при 573 ° C (846 K; 1063 ° F). Поскольку превращение сопровождается значительным изменением объема, оно легко может вызвать микротрещиноватость керамики или горных пород, проходящих через этот температурный порог.

Существует много различных разновидностей кварца, некоторые из которых классифицируются как драгоценные камни . С древних времен разновидности кварца были наиболее часто используемыми минералами при изготовлении ювелирных изделий и резьбы по твердому камню , особенно в Евразии .

Кварц - это минерал , имеющий значение 7 по шкале твердости Мооса , качественный метод царапания для определения твердости материала к истиранию.

Этимология

Слово «кварц» происходит от немецкого слова «Quarz», имевшего одинаковую форму в первой половине XIV века в средневерхненемецком и восточно-центральном немецком языке и пришедшего из польского диалекта термина kwardy , что соответствует чешский термин tvrdý ( «жесткий»).

Древние греки называли кварц κρύσταλλος ( krustallos ), происходящим от древнегреческого κρύος ( kruos ), что означает «ледяной холод», потому что некоторые философы (в том числе Теофраст ), по-видимому, считали этот минерал формой переохлажденного льда. Сегодня термин горный хрусталь иногда используется как альтернативное название прозрачного крупнокристаллического кварца.

Кристаллический габитус и структура

Кварц принадлежит к тригональной кристаллической системе при комнатной температуре и к гексагональной кристаллической системе при температуре выше 573 ° C (846 K; 1063 ° F). Идеальная форма кристалла представляет собой шестигранную призму , заканчивающуюся шестигранными пирамидами на каждом конце. В природе кристаллы кварца часто бывают двойниковыми (с двойными правыми и левыми кристаллами кварца), искаженными или настолько сросшимися с соседними кристаллами кварца или других минералов, что видна только часть этой формы или вообще отсутствуют очевидные грани кристалла. и кажутся массивными. Хорошо сформированные кристаллы обычно формируются в виде друзы (слоя кристаллов, выстилающих пустоту), особенно прекрасными примерами которых являются кварцевые жеоды . Кристаллы прикреплены одним концом к вмещающей породе, и присутствует только одна концевая пирамида. Однако двоякоконечные кристаллы встречаются там, где они развиваются свободно, без прикрепления, например, в гипсе .

Хиральная пара альфа-кварца.

α-кварц кристаллизуется в тригональной кристаллической системе, пространственная группа P 3 1 21 или P 3 2 21 (пространственная группа 152 или 154 соответственно) в зависимости от хиральности. Выше 573 ° C (846 K; 1063 ° F) α-кварц в P 3 1 21 становится более симметричным шестиугольником P 6 4 22 (пространственная группа 181), а α-кварц в P 3 2 21 переходит в пространственную группу P 6 2 22 (№ 180). Эти пространственные группы действительно хиральны (каждая из них принадлежит 11 энантиоморфным парам). И α-кварц, и β-кварц являются примерами хиральных кристаллических структур, состоящих из ахиральных строительных блоков ( в данном случае тетраэдров SiO 4 ). Преобразование между α- и β-кварцем включает лишь сравнительно небольшое вращение тетраэдров по отношению друг к другу без изменения способа их соединения. Однако при этом переходе происходит значительное изменение объема, что может привести к значительной микротрещиноватости керамики и горных пород земной коры.

Разновидности (по микроструктуре)

Хотя многие названия сортов исторически возникли из-за цвета минерала, современные научные схемы наименования относятся в первую очередь к микроструктуре минерала. Цвет является вторичным идентификатором скрытокристаллических минералов, хотя он является основным идентификатором макрокристаллических разновидностей.

Основные разновидности кварца
Тип Цвет и описание Прозрачность
Алмаз Херкимер Бесцветный Прозрачный
Горный хрусталь Бесцветный Прозрачный
Аметист Кварц от пурпурного до фиолетового цвета Прозрачный
Цитрин Желтый кварц от красновато-оранжевого до коричневого (мадерский кварц), иногда зеленовато-желтый. Прозрачный
Аметрин Смесь аметиста и цитрина с оттенками фиолетового/фиолетового и желтого или оранжевого/коричневого. Прозрачный
Розовый кварц Розовый, может проявляться диастеризм Прозрачный
Халцедон Волокнистый, в различной степени полупрозрачный, скрытокристаллический кварц, встречающийся во многих разновидностях.
Этот термин часто используется для обозначения белого, мутного или светлоокрашенного материала, сросшегося с моганитом .
В противном случае используются более конкретные имена.
Сердолик Красновато-оранжевый халцедон полупрозрачный
Авантюрин Кварц с крошечными ровными включениями (обычно слюды ), переливающимися авантюризмом. Прозрачный до непрозрачного
Агат Разноцветный халцедон с изогнутыми или концентрическими полосами (ср. Оникс) От полупрозрачного до полупрозрачного
Оникс Разноцветный халцедон или кремний с прямыми полосами (ср. Агат) От полупрозрачного до непрозрачного
Джаспер Непрозрачный скрытокристаллический кварц, обычно от красного до коричневого, но часто используемый для других цветов. Непрозрачный
Молочный кварц Белый, может проявляться диастеризм Прозрачный до непрозрачного
Дымчатый кварц От светло- до темно-серого, иногда с коричневатым оттенком Прозрачный до непрозрачного
Глаз тигра Волокнистое золото, халцедон красно-коричневого или голубоватого цвета, с переливчатым отливом .
Празиолит Зеленый Прозрачный
Рутиловый кварц Содержит игольчатые (игольчатые) включения рутила .
Дюмортьеритовый кварц Содержит большое количество голубых кристаллов дюмортьерита . полупрозрачный

Разновидности (по цвету)

Кристалл кварца, демонстрирующий прозрачность

Чистый кварц, традиционно называемый горным хрусталем или прозрачным кварцем, бесцветен, прозрачен или полупрозрачн и часто используется для резьбы по твердому камню , например, кристалл Лотаря . Обычные цветные разновидности включают цитрин, розовый кварц, аметист, дымчатый кварц, молочный кварц и другие. Эти цветовые различия возникают из-за присутствия примесей, которые изменяют молекулярные орбитали, вызывая некоторые электронные переходы в видимом спектре, вызывая цвета.

Наиболее важное различие между типами кварца состоит в том, что он состоит из макрокристаллов (отдельные кристаллы, видимые невооруженным глазом) и микрокристаллических или скрытокристаллических разновидностей ( скопления кристаллов, видимых только при большом увеличении). Скрытокристаллические разновидности либо полупрозрачны, либо в основном непрозрачны, в то время как прозрачные разновидности имеют тенденцию быть макрокристаллическими. Халцедон представляет собой скрытокристаллическую форму кремнезема, состоящую из тонких сростков как кварца, так и его моноклинного полиморфного моганита . Другими непрозрачными разновидностями драгоценных камней из кварца или смешанных пород, включающих кварц, часто с контрастными полосами или узорами цвета, являются агат , сердолик или сердолик, оникс , гелиотроп и яшма .

Аметист

Прозрачный (обычный) кварц
Аметист
Синий кварц
Дюмортьеритовый кварц
Цитриновый кварц (натуральный)
Цитриновый кварц (термоизмененный аметист)
Молочный кварц
Розовый кварц
Дымчатый кварц
Празиолит

Аметист — это форма кварца, цвет которой варьируется от ярко-фиолетового до темного или тускло-лавандового оттенка. Крупнейшие в мире месторождения аметистов можно найти в Бразилии, Мексике, Уругвае, России, Франции, Намибии и Марокко. Иногда в одном кристалле растут аметист и цитрин. Тогда его называют аметрином . Аметист получает свой цвет из-за следов железа в своей структуре.

Синий кварц

Голубой кварц содержит включения волокнистого магнезио-рибекита или крокидолита .

Дюмортьеритовый кварц

Включения минерала дюмортьерита в кусочках кварца часто приводят к появлению шелковистых пятен с голубым оттенком. Иногда также присутствуют оттенки фиолетового или серого . «Дюмортьеритовый кварц» (иногда называемый «голубым кварцем») иногда имеет контрастные светлые и темные цветовые зоны по всему материалу. «Голубой кварц» — второстепенный драгоценный камень.

Цитрин

Цитрин представляет собой разновидность кварца, цвет которого варьируется от бледно-желтого до коричневого из-за субмикроскопического распределения примесей коллоидного гидроксида железа . Натуральные цитрины встречаются редко; большинство коммерческих цитринов представляют собой термообработанные аметисты или дымчатые кварцы . Тем не менее, термообработанный аметист будет иметь небольшие линии в кристалле, в отличие от мутного или дымчатого внешнего вида природного цитрина. Визуально отличить ограненный цитрин от желтого топаза практически невозможно , но они различаются по твердости . Бразилия является ведущим производителем цитрина, большая часть которого производится в штате Риу-Гранди-ду-Сул . Название происходит от латинского слова citrina , что означает «желтый», а также является источником слова « цитрон ». Иногда цитрин и аметист можно найти вместе в одном кристалле, который тогда называют аметрином . Цитрин называют «торговым камнем» или «денежным камнем» из-за суеверия, что он принесет процветание.

Цитрин впервые был оценен как золотисто-желтый драгоценный камень в Греции между 300 и 150 годами до нашей эры, в эпоху эллинизма . До этого желтый кварц использовался для украшения украшений и инструментов, но не пользовался большим спросом.

Молочный кварц

Молочный кварц или молочный кварц является наиболее распространенной разновидностью кристаллического кварца. Белый цвет вызван мельчайшими жидкими включениями газа, жидкости или того и другого, попавшими в ловушку во время формирования кристалла, что делает его малоценным для применения в оптических и качественных драгоценных камнях.

Розовый кварц

Розовый кварц — это тип кварца, который имеет оттенок от бледно-розового до розово-красного. Цвет обычно считается следствием следовых количеств титана , железа или марганца в материале. Некоторые розовые кварцы содержат микроскопические иглы рутила , которые вызывают астеризм в проходящем свете. Недавние исследования рентгеновской дифракции показывают, что цвет обусловлен тонкими микроскопическими волокнами, возможно, дюмортьерита внутри кварца.

Кроме того, существует редкий тип розового кварца (также часто называемый кристаллическим розовым кварцем) с цветом, который, как считается, вызван следовыми количествами фосфата или алюминия . Цвет кристаллов, по-видимому, светочувствителен и подвержен выцветанию. Первые кристаллы были обнаружены в пегматите , найденном недалеко от Румфорда , штат Мэн , США, и в штате Минас-Жерайс , Бразилия .

Дымчатый кварц

Дымчатый кварц — это полупрозрачная разновидность кварца серого цвета. Его чистота варьируется от почти полной прозрачности до коричневато-серого кристалла, который почти непрозрачен. Некоторые также могут быть черными. Полупрозрачность является результатом естественного облучения, воздействующего на мельчайшие следы алюминия в кристаллической структуре.

Празиолит

Празиолит , также известный как вермарин , представляет собой разновидность кварца зеленого цвета. С 1950 года почти весь природный празиолит добывается в небольшой бразильской шахте, но его также можно увидеть в Нижней Силезии в Польше . Встречающийся в природе празиолит также встречается в районе Тандер-Бей в Канаде . Это редкий минерал в природе; большинство зеленых кварцев представляют собой термообработанный аметист.

Синтетические и искусственные методы лечения

Синтетический кристалл кварца, выращенный гидротермальным методом , длиной около 19 см и весом около 127 грамм.

Не все разновидности кварца встречаются в природе. Некоторые прозрачные кристаллы кварца можно обрабатывать с помощью нагревания или гамма-облучения, чтобы вызвать цвет, который в противном случае не возник бы в природе. Восприимчивость к такой обработке зависит от места добычи кварца.

Празиолит , материал оливкового цвета, производится путем термической обработки; природный празиолит также был обнаружен в Нижней Силезии в Польше. Хотя цитрин встречается в природе, большая его часть является результатом термической обработки аметиста или дымчатого кварца. С доисторических времен сердолик подвергали термической обработке для придания ему более глубокого цвета.

Поскольку природный кварц часто является двойником , синтетический кварц производится для использования в промышленности. Крупные безупречные монокристаллы синтезируются в автоклаве с помощью гидротермального процесса .

Как и другие кристаллы, кварц может быть покрыт парами металла , чтобы придать ему привлекательный блеск.

Вхождение

Гранитная скала в скале Грос-ла-Тет на острове Арид , Сейшельские острова . Тонкие (шириной 1–3 см) более светлые слои представляют собой кварцевые жилы, образовавшиеся на поздних стадиях кристаллизации гранитных магм. Иногда их называют «гидротермальными венами».

Кварц является определяющим компонентом гранита и других кислых магматических пород . Это очень распространено в осадочных породах, таких как песчаник и сланец . Это обычная составляющая сланцев , гнейсов , кварцитов и других метаморфических пород . Кварц имеет самый низкий потенциал выветривания в ряду растворения Гольдича и, следовательно, он очень распространен в качестве остаточного минерала в речных отложениях и остаточных почвах . Как правило, высокое содержание кварца указывает на « зрелую » породу, поскольку это указывает на то, что порода была сильно переработана, а кварц был основным минералом, который выдержал сильное выветривание.

В то время как большая часть кварца кристаллизуется из расплавленной магмы , кварц также химически осаждается из горячих гидротермальных жил в виде пустой породы , иногда с рудными минералами, такими как золото, серебро и медь. Крупные кристаллы кварца встречаются в магматических пегматитах . Хорошо сформированные кристаллы могут достигать нескольких метров в длину и весить сотни килограммов.

Включение элементарных примесей сильно влияет на способность обрабатывать и использовать кварц. Встречающиеся в природе кристаллы кварца чрезвычайно высокой чистоты, необходимые для тиглей и другого оборудования, используемого для выращивания кремниевых пластин в полупроводниковой промышленности, дороги и редки. Эти кварцы высокой чистоты содержат менее 50 частей на миллион примесных элементов. Основным местом добычи кварца высокой чистоты является шахта драгоценных камней Спрус-Пайн в Спрус-Пайн, Северная Каролина , США . Кварц также можно найти на пике Кальдовейро в Астурии , Испания .

Самый большой задокументированный монокристалл кварца был найден недалеко от Итапора , Гояз , Бразилия; он измерял приблизительно6,1 м × 1,5 м × 1,5 м и весил 39 916 кг .

Добыча

Кварц добывают в карьерах . Шахтеры иногда используют взрывчатые вещества, чтобы обнажить глубокие карманы кварца. Чаще бульдозеры и экскаваторы используются для удаления почвы и глины и обнажения кварцевых жил, которые затем обрабатываются ручными инструментами. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать резких перепадов температуры, которые могут повредить кристаллы.

Почти весь промышленный спрос на кварцевый кристалл (используемый в основном в электронике) удовлетворяется за счет синтетического кварца, полученного гидротермальным способом. Однако синтетические кристаллы менее ценны для использования в качестве драгоценных камней. Популярность лечения кристаллами увеличила спрос на природные кристаллы кварца, которые сейчас часто добывают в развивающихся странах с использованием примитивных методов добычи, иногда с привлечением детского труда .

Связанные минералы кремнезема

Тридимит и кристобалит представляют собой высокотемпературные полиморфы SiO 2 , встречающиеся в вулканических породах с высоким содержанием кремнезема. Коэсит представляет собой более плотный полиморф SiO 2 , обнаруженный в местах падения некоторых метеоритов и в метаморфических породах, образовавшихся при давлениях, превышающих типичные для земной коры. Стишовит представляет собой еще более плотную полиморфную форму SiO 2 , работающую при более высоком давлении , которая обнаруживается в местах падения некоторых метеоритов. Лешательерит представляет собой аморфное кварцевое стекло SiO 2 , которое образуется при ударе молнии в кварцевый песок .

Безопасность

Поскольку кварц представляет собой форму кремнезема, он может вызывать беспокойство на различных рабочих местах. При резке, шлифовке, расщеплении, шлифовании, сверлении и полировке изделий из природного и искусственного камня в воздух, которым дышат рабочие, могут выделяться опасные количества очень мелких частиц кристаллической пыли кремнезема. Кристаллический диоксид кремния респирабельного размера является признанным канцерогеном для человека и может вызывать другие заболевания легких, такие как силикоз и легочный фиброз .

История

Слово «кварц» происходит от немецкого Quarz , имеющего славянское происхождение (чешские горняки называли его křemen ). Другие источники приписывают происхождение слова саксонскому слову Querkluftertz , что означает руда с поперечными жилами .  

Кварц является наиболее распространенным материалом, идентифицируемым как мистическое вещество мабан в мифологии австралийских аборигенов . Его регулярно находят на кладбищах проходных гробниц в Европе в контексте захоронений, таких как Ньюгрейндж или Карроумор в Ирландии . Ирландское название кварца — grianchloch , что означает «солнечный камень» . Кварц также использовался в доисторической Ирландии , как и во многих других странах, для изготовления каменных орудий ; и жильный кварц, и горный хрусталь были высечены в рамках каменной технологии доисторических народов.

В то время как нефрит с давних времен был самым ценным полудрагоценным камнем для резьбы в Восточной Азии и доколумбовой Америке, в Европе и на Ближнем Востоке различные разновидности кварца чаще всего использовались для различных видов ювелирных изделий и резьбы по твердому камню . , включая гравированные драгоценные камни и камни-камеи , вазы из горного хрусталя и экстравагантные сосуды. Традиция продолжала производить предметы, которые очень ценились до середины 19 века, когда она в значительной степени вышла из моды, за исключением ювелирных изделий. В технике камеи используются цветные полосы оникса и других разновидностей.

Римский естествоиспытатель Плиний Старший считал, что кварц представляет собой водяной лед , навсегда застывший после длительного периода времени. (Слово «кристалл» происходит от греческого слова κρύσταλλος , «лед»). охладить руки. Эта идея сохранялась по крайней мере до 17 века. Он также знал о способности кварца расщеплять свет на спектр .

В 17 веке исследование кварца Николя Стено проложило путь современной кристаллографии . Он обнаружил, что независимо от размера или формы кристалла кварца его длинные призматические грани всегда соединяются под идеальным углом 60°.

Пьезоэлектрические свойства кварца были обнаружены Жаком и Пьером Кюри в 1880 году. Кварцевый генератор или резонатор был впервые разработан Уолтером Гайтоном Кэди в 1921 году . Джордж Вашингтон Пирс сконструировал и запатентовал кварцевые генераторы в 1923 году. Уоррен Маррисон создал первые часы с кварцевым генератором на основе работы Кэди и Пирса в 1927 году.

Попытки синтезировать кварц начались в середине девятнадцатого века, когда ученые пытались создать минералы в лабораторных условиях, имитирующих условия, в которых минералы образуются в природе: немецкий геолог Карл Эмиль фон Шафхойтль (1803–1890) был первым, кто синтезировал кварц . когда в 1845 году он создал микроскопические кристаллы кварца в скороварке . Однако качество и размер кристаллов, полученных этими ранними усилиями, были низкими.

К 1930-м годам электронная промышленность стала зависеть от кварцевых кристаллов. Единственным источником подходящих кристаллов была Бразилия; однако Вторая мировая война прервала поставки из Бразилии, поэтому страны попытались синтезировать кварц в промышленных масштабах. Немецкий минералог Рихард Накен (1884–1971) добился определенных успехов в 1930-х и 1940-х годах. После войны во многих лабораториях пытались вырастить крупные кристаллы кварца. В Соединенных Штатах Корпус связи армии США заключил контракт с Bell Laboratories и с компанией Brush Development Company из Кливленда, штат Огайо, на синтез кристаллов по указанию Накена. (До Второй мировой войны Brush Development производила пьезоэлектрические кристаллы для проигрывателей.) К 1948 году Brush Development вырастила кристаллы диаметром 1,5 дюйма (3,8 см), самые большие на сегодняшний день. К 1950-м годам методы гидротермального синтеза позволяли производить синтетические кристаллы кварца в промышленных масштабах, и сегодня практически все кристаллы кварца, используемые в современной электронной промышленности, являются синтетическими.

Пьезоэлектричество

Кристаллы кварца обладают пьезоэлектрическими свойствами; они развивают электрический потенциал при приложении механического напряжения . Это свойство кристаллов кварца впервые использовалось в звукоснимателях фонографов . Одним из наиболее распространенных пьезоэлектрических применений кварца сегодня является кварцевый генератор . Кварцевые часы — привычное устройство, использующее минерал. Резонансная частота кварцевого генератора изменяется путем его механической нагрузки, и этот принцип используется для очень точных измерений очень малых изменений массы в микровесах кварцевого кристалла и в тонкопленочных мониторах толщины .

Смотрите также

Рекомендации

Внешние ссылки