Кварц — это твёрдый кристаллический минерал , состоящий из кремнезёма ( диоксида кремния ). Атомы связаны в непрерывный каркас кремниево-кислородных тетраэдров SiO 4 , причём каждый кислород разделяется между двумя тетраэдрами, что даёт общую химическую формулу SiO 2 . Поэтому кварц классифицируется структурно как силикатный минерал каркасного типа , а по составу — как оксидный минерал . Кварц — второй по распространённости минерал в континентальной коре Земли после полевого шпата . [10]
Кварц существует в двух формах: обычный α-кварц и высокотемпературный β-кварц, обе из которых являются хиральными . Превращение из α-кварца в β-кварц происходит резко при 573 °C (846 K; 1063 °F). Поскольку преобразование сопровождается значительным изменением объема, оно может легко вызвать микротрещины керамики или горных пород, проходящих через этот температурный порог.
Существует множество 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 резных изделий из твердого камня , особенно в Европе и Азии.
Кварц — минерал, имеющий значение 7 по шкале твердости Мооса , качественному методу царапания для определения твердости материала к истиранию.
Слово «кварц» происходит от немецкого слова Quarz , [11] которое имело ту же форму в первой половине XIV века в средневерхненемецком и восточно-центральнонемецком языках [12] и которое произошло от польского диалектного термина kwardy , который соответствует чешскому термину tvrdý («твёрдый»). [13] Некоторые источники, однако, приписывают происхождение слова саксонскому слову Querkluftertz , означающему руду с поперечными жилами . [14] [15]
Древние греки называли кварц κρύσταλλος ( krustallos ), что происходит от древнегреческого κρύος ( kruos ), что означает «ледяной холод», поскольку некоторые философы (включая Теофраста ) считали этот минерал формой переохлажденного льда. [16] Сегодня термин «горный хрусталь» иногда используется как альтернативное название для прозрачного крупнокристаллического кварца. [17] [18]
Римский натуралист Плиний Старший считал, что кварц — это водяной лед , навсегда замерзший после долгого времени. [19] Он поддержал эту идею, сказав, что кварц встречается вблизи ледников в Альпах, но не на вулканических горах, и что крупные кристаллы кварца были сформированы в сферы, чтобы охлаждать руки. Эта идея сохранялась по крайней мере до 17 века. Он также знал о способности кварца расщеплять свет на спектр . [20]
В 17 веке изучение кварца Николасом Стено проложило путь современной кристаллографии . Он обнаружил, что независимо от размера или формы кварцевого кристалла, его длинные призматические грани всегда соединяются под идеальным углом 60°. [21]
Кварц принадлежит к тригональной кристаллической системе при комнатной температуре и к гексагональной кристаллической системе выше 573 °C (846 K; 1063 °F). Идеальная форма кристалла - шестигранная призма , заканчивающаяся шестигранными пирамидообразными ромбоэдрами на каждом конце. В природе кристаллы кварца часто сдвоены (с двойными правосторонними и левосторонними кристаллами кварца), искажены или так срослись с соседними кристаллами кварца или других минералов, что показывают только часть этой формы или вообще не имеют очевидных кристаллических граней и кажутся массивными . [22] [23]
Хорошо сформированные кристаллы обычно образуются в виде друзы (слоя кристаллов, выстилающего пустоту), особенно прекрасными примерами которой являются кварцевые жеоды . [24] Кристаллы прикреплены одним концом к окружающей породе, и присутствует только одна конечная пирамида. Однако двуконечные кристаллы встречаются там, где они развиваются свободно без прикрепления, например, в гипсе . [25]
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 гексагональным P 6 4 22 (пространственная группа 181), а α-кварц в P 3 2 21 переходит в пространственную группу P 6 2 22 (№ 180). [26]
Эти пространственные группы являются истинно хиральными (каждая из них принадлежит к 11 энантиоморфным парам). Как α-кварц, так и β-кварц являются примерами хиральных кристаллических структур, состоящих из ахиральных строительных блоков (тетраэдров SiO 4 в данном случае). Преобразование между α- и β-кварцем включает в себя только сравнительно небольшое вращение тетраэдров относительно друг друга, без изменения способа их соединения. [22] [27] Однако во время этого перехода происходит значительное изменение объема, [28] и это может привести к значительному микротрещинообразованию в керамике во время обжига, [29] в декоративном камне после пожара [30] и в породах земной коры, подвергающихся воздействию высоких температур, [31] тем самым повреждая материалы, содержащие кварц, и ухудшая их физические и механические свойства.
Хотя многие из названий сортов исторически возникли из цвета минерала, современные научные схемы наименования в первую очередь ссылаются на микроструктуру минерала. Цвет является вторичным идентификатором для криптокристаллических минералов, хотя он является первичным идентификатором для макрокристаллических разновидностей. [32]
Чистый кварц, традиционно называемый горным хрусталем или чистым кварцем, бесцветен и прозрачен или полупрозрачен и часто использовался для резьбы по камню , например, для хрусталя Лотаря . Распространенные цветные разновидности включают цитрин, розовый кварц, аметист, дымчатый кварц, молочный кварц и другие. [33] Эти цветовые различия возникают из-за присутствия примесей, которые изменяют молекулярные орбитали, заставляя некоторые электронные переходы происходить в видимом спектре, вызывая цвета.
Наиболее важным различием между типами кварца является различие между макрокристаллическими (отдельные кристаллы, видимые невооруженным глазом) и микрокристаллическими или криптокристаллическими разновидностями ( агрегаты кристаллов, видимые только при большом увеличении). Криптокристаллические разновидности либо полупрозрачны, либо в основном непрозрачны, в то время как прозрачные разновидности, как правило, являются макрокристаллическими. Халцедон — это криптокристаллическая форма кремнезема , состоящая из тонких сростков как кварца, так и его моноклинного полиморфа моганита . [34] Другие непрозрачные драгоценные камни кварца или смешанные породы, включающие кварц, часто включающие контрастные полосы или узоры цвета, — это агат , сердолик или сард, оникс , гелиотроп и яшма . [22]
Аметист — это разновидность кварца, цвет которого 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 аметист и цитрин находят растущими в одном кристалле. Тогда его называют аметрином . Аметист получает свой цвет от следов железа в своей структуре. [35]
Синий кварц содержит включения волокнистого магнезио-рибекита или крокидолита . [36]
Включения минерала дюмортьерита в кварцевых кусках часто приводят к появлению шелковистых пятен с синим оттенком. Иногда также присутствуют оттенки фиолетового или серого. «Дюмортьеритовый кварц» (иногда называемый «голубым кварцем») иногда будет иметь контрастные светлые и темные цветовые зоны по всему материалу. [37] [38] «Голубой кварц» — второстепенный драгоценный камень. [37] [39]
Цитрин — это разновидность кварца, цвет которой варьируется от бледно-желтого до коричневого из-за субмикроскопического распределения примесей коллоидного гидроксида железа . [40] Природные цитрины встречаются редко; большинство коммерческих цитринов представляют собой термообработанные аметисты или дымчатые кварцы . Однако термообработанный аметист будет иметь небольшие линии в кристалле, в отличие от мутного или дымчатого вида натурального цитрина. Практически невозможно визуально отличить ограненный цитрин от желтого топаза , но они различаются по твердости . Бразилия является ведущим производителем цитрина, причем большая часть его производства приходится на штат 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 . [41] Цитрин называют «торговым камнем» или «денежным камнем» из-за суеверия, что он принесет процветание. [42]
Цитрин был впервые оценен как золотисто-желтый драгоценный камень в Греции между 300 и 150 годами до нашей эры, в эллинистическую эпоху . Желтый кварц использовался до этого для украшения ювелирных изделий и инструментов, но он не пользовался большим спросом. [43]
Молочный кварц или молочный кварц является наиболее распространенной разновидностью кристаллического кварца. Белый цвет обусловлен мельчайшими флюидными включениями газа, жидкости или того и другого, захваченными во время формирования кристалла, [44] что делает его малоценным для оптических и качественных драгоценных камней. [45]
Розовый кварц — это тип кварца, который имеет оттенок от бледно-розового до розово-красного. Цвет обычно считается обусловленным следовыми количествами титана , железа или марганца в материале. Некоторые розовые кварцы содержат микроскопические иглы рутила , которые создают астеризм в проходящем свете. Недавние исследования рентгеновской дифракции показывают, что цвет обусловлен тонкими микроскопическими волокнами, возможно, дюмортьерита внутри кварца. [46]
Кроме того, существует редкий тип розового кварца (также часто называемый кристаллическим розовым кварцем), цвет которого, как полагают, вызван следовыми количествами фосфата или алюминия . Цвет в кристаллах, по-видимому, светочувствителен и подвержен выцветанию. Первые кристаллы были обнаружены в пегматите , найденном около Рамфорда , штат Мэн , США, и в Минас-Жерайс , Бразилия. [47] Найденные кристаллы более прозрачны и идиоморфны из-за примесей фосфата и алюминия, которые образовали кристаллический розовый кварц, в отличие от железа и микроскопических волокон дюмортьерита , которые образовали розовый кварц. [48]
Дымчатый кварц — это серая, полупрозрачная версия кварца. Он варьируется по прозрачности от почти полной прозрачности до коричневато-серого кристалла, который почти непрозрачен. Некоторые могут быть также черными. Прозрачность является результатом естественного облучения, действующего на мельчайшие следы алюминия в кристаллической структуре. [49]
Празе — это зеленая разновидность кварца. [50] Зеленый цвет обусловлен включениями амфибола . [51]
Празиолит , также известный как вермарин , представляет собой разновидность кварца зеленого цвета. [52] Зеленый цвет обусловлен ионами железа. [51] Это редкий минерал в природе, который обычно встречается вместе с аметистом; большинство «празиолитов» не являются природными — они были искусственно получены путем нагревания аметиста. С 1950 года [ требуется ссылка ] почти весь природный празиолит поступал из небольшой бразильской шахты, но его также можно увидеть в Нижней Силезии в Польше . Природный празиолит также встречается в районе Тандер-Бей в Канаде . [52]
Кристаллы кварца обладают пьезоэлектрическими свойствами; они создают электрический потенциал при приложении механического напряжения . [53] Пьезоэлектрические свойства кварца были открыты Жаком и Пьером Кюри в 1880 году. [54] [55]
Кварц является определяющим компонентом гранита и других кислых магматических пород . Он очень распространен в осадочных породах, таких как песчаник и сланец . Он является обычным компонентом сланца , гнейса , кварцита и других метаморфических пород . [22] Кварц имеет самый низкий потенциал выветривания в серии растворения Голдича и, следовательно, он очень распространен как остаточный минерал в речных отложениях и остаточных почвах . Обычно высокое присутствие кварца предполагает « зрелую » породу, поскольку это указывает на то, что порода была сильно переработана, и кварц был основным минералом, который выдержал сильное выветривание. [56]
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 . [22] Хорошо сформированные кристаллы могут достигать нескольких метров в длину и весить сотни килограммов. [57]
Самый большой задокументированный монокристалл кварца был найден около Итапоре , Гояс , Бразилия; его размеры составляли приблизительно 6,1 м × 1,5 м × 1,5 м (20 футов × 5 футов × 5 футов), а вес — более 39 900 кг (88 000 фунтов). [58]
Кварц добывают из открытых карьеров . Шахтеры иногда используют взрывчатку, чтобы вскрыть глубокие карманы кварца. Чаще всего для удаления почвы и глины и вскрытия кварцевых жил используются бульдозеры и экскаваторы , которые затем обрабатываются ручными инструментами. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать резких перепадов температуры, которые могут повредить кристаллы. [59] [60]
Тридимит и кристобалит являются высокотемпературными полиморфами SiO 2 , которые встречаются в вулканических породах с высоким содержанием кремния . Коэсит является более плотным полиморфом SiO 2 , обнаруженным в некоторых местах падения метеоритов и в метаморфических породах, образовавшихся при давлениях, превышающих типичные для земной коры. Стишовит является еще более плотным и высокобарическим полиморфом SiO 2 , обнаруженным в некоторых местах падения метеоритов. [62] Моганит является моноклинным полиморфом. Лешательерит является аморфным кварцевым стеклом SiO 2 , которое образуется при ударах молнии в кварцевый песок . [63]
Поскольку кварц является формой кремнезема, он может быть причиной беспокойства на различных рабочих местах. Резка, шлифовка, расщепление, шлифовка, сверление и полировка натуральных и искусственных каменных изделий могут высвобождать опасные уровни очень мелких частиц кристаллической кремнеземной пыли в воздух, которым дышат рабочие. [64] Кристаллический кремнезем вдыхаемого размера является признанным канцерогеном для человека и может привести к другим заболеваниям легких, таким как силикоз и легочный фиброз . [65] [66]
Не все разновидности кварца встречаются в природе. Некоторые прозрачные кристаллы кварца можно обработать с помощью нагрева или гамма-облучения, чтобы вызвать цвет там, где он не возник бы естественным образом. Восприимчивость к таким обработкам зависит от места, где был добыт кварц. [67]
Празиолит, материал оливкового цвета, производится путем термической обработки; [68] природный празиолит также был обнаружен в Нижней Силезии в Польше. [69] Хотя цитрин встречается в природе, большая его часть является результатом термической обработки аметиста или дымчатого кварца. [68] Сердолик подвергался термической обработке для углубления цвета с доисторических времен. [70]
Поскольку природный кварц часто двойниковый , синтетический кварц производится для использования в промышленности. Большие, безупречные, монокристаллы синтезируются в автоклаве с помощью гидротермального процесса . [71] [22] [72]
Как и другие кристаллы, кварц может быть покрыт парами металла, чтобы придать ему привлекательный блеск. [73] [74]
Кварц — наиболее распространённый материал, определяемый как мистическое вещество мабан в мифологии австралийских аборигенов . Он регулярно встречается в кладбищах с проходными гробницами в Европе в контексте погребения, например, в Ньюгрейндже или Карроуморе в Ирландии . Кварц также использовался в доисторической Ирландии , а также во многих других странах, для изготовления каменных орудий ; как жильный кварц, так и горный хрусталь обрабатывались как часть литической технологии доисторических народов. [75]
В то время как нефрит с древнейших 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 камню , включая гравированные камни и камни-камеи , вазы из горного хрусталя и экстравагантные сосуды. Традиция продолжала производить предметы, которые очень высоко ценились до середины 19 века, когда она в значительной степени вышла из моды, за исключением ювелирных изделий. Техника камеи использует полосы цвета в ониксе и других разновидностях.
Попытки синтезировать кварц начались в середине девятнадцатого века, когда ученые попытались создать минералы в лабораторных условиях, которые имитировали условия, в которых минералы образуются в природе: немецкий геолог Карл Эмиль фон Шафхойтль (1803–1890) был первым человеком, который синтезировал кварц, когда в 1845 году он создал микроскопические кристаллы кварца в скороварке . [76] Однако качество и размер кристаллов, которые были получены в результате этих ранних попыток, были низкими. [77]
Включение элементарных примесей сильно влияет на способность обрабатывать и использовать кварц. Природные кристаллы кварца чрезвычайно высокой чистоты, необходимые для тиглей и другого оборудования, используемого для выращивания кремниевых пластин в полупроводниковой промышленности, дороги и редки. Эти высокочистые кварцы определяются как содержащие менее 50 ppm примесных элементов. [78] Основным местом добычи высокочистого кварца является шахта Spruce Pine Gem Mine в Spruce Pine, Северная Каролина , США. [79] Кварц также можно найти в пике Кальдовейро в Астурии , Испания. [80]
К 1930-м годам электронная промышленность стала зависеть от кристаллов кварца. Единственным источником подходящих кристаллов была Бразилия; однако Вторая мировая война прервала поставки из Бразилии, поэтому страны попытались синтезировать кварц в коммерческих масштабах. Немецкий минералог Рихард Накен (1884–1971) добился определенного успеха в 1930-х и 1940-х годах. [81] После войны многие лаборатории пытались вырастить большие кристаллы кварца. В Соединенных Штатах Корпус связи армии США заключил контракт с Bell Laboratories и с Brush Development Company из Кливленда, штат Огайо, чтобы синтезировать кристаллы, следуя примеру Накена. [82] [83] (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 тот момент. [84] [85] К 1950-м годам методы гидротермального синтеза позволили производить синтетические кристаллы кварца в промышленных масштабах, и сегодня практически все кристаллы кварца, используемые в современной электронной промышленности, являются синтетическими. [72]
Раннее использование пьезоэлектричества кварцевых кристаллов было в звукоснимателях фонографов . Одним из наиболее распространенных пьезоэлектрических применений кварца сегодня является использование в качестве кварцевого генератора . Кварцевый генератор или резонатор был впервые разработан Уолтером Гайтоном Кэди в 1921 году. [86] [87] Джордж Вашингтон Пирс разработал и запатентовал кварцевые кварцевые генераторы в 1923 году. [88] [89] [90] Кварцевые часы — это известное устройство, использующее минерал. Уоррен Маррисон создал первые кварцевые генераторные часы на основе работы Кэди и Пирса в 1927 году. [91] Резонансная частота кварцевого кристаллического генератора изменяется путем его механической нагрузки, и этот принцип используется для очень точных измерений очень малых изменений массы в кварцевых микровесах и в тонкопленочных толщиномерах . [92]
Почти весь промышленный спрос на кварцевый кристалл (используемый в основном в электронике) удовлетворяется синтетическим кварцем, полученным гидротермальным способом. Однако синтетические кристаллы менее ценятся для использования в качестве драгоценных камней. [94] Популярность лечения кристаллами увеличила спрос на природные кварцевые кристаллы, которые теперь часто добываются в развивающихся странах с использованием примитивных методов добычи, иногда с привлечением детского труда . [95]
Помимо Праги и Флоренции, главным центром огранки хрусталя в эпоху Возрождения был Милан.