Кварц — твердый кристаллический минерал , состоящий из кремнезема ( диоксида кремния ). Атомы связаны в непрерывную структуру кремний-кислородных тетраэдров SiO 4 , причем каждый кислород разделен между двумя тетраэдрами, что дает общую химическую формулу SiO 2 . Таким образом, по структуре кварц классифицируется как каркасный силикатный минерал , а по составу — как оксидный минерал . Кварц – второй по распространенности минерал в континентальной коре Земли после полевого шпата . [10]
Кварц существует в двух формах: нормальный α-кварц и высокотемпературный β-кварц, обе из которых являются хиральными . Превращение альфа-кварца в бета-кварц происходит резко при 573 ° C (846 К; 1063 ° F). Поскольку превращение сопровождается значительным изменением объема, оно легко может вызвать микроразрушение керамики или горных пород, проходящих этот температурный порог.
Существует много различных разновидностей кварца, некоторые из которых классифицируются как драгоценные камни . С древности разновидности кварца были наиболее часто используемыми минералами при изготовлении ювелирных изделий и резных изделий из твердого камня , особенно в Европе и Азии.
Кварц — минерал , определяющий значение 7 по шкале твердости Мооса , качественному методу царапин для определения твердости материала к истиранию.
Слово «кварц» происходит от немецкого слова Quarz , [11] которое имело одну и ту же форму в первой половине XIV века в средневерхненемецком и восточно-центральнонемецком языках [12] и произошло от польского диалектного термина kwardy . , что соответствует чешскому термину tvrdý («жесткий»). [13] Некоторые источники, однако, связывают происхождение слова с саксонским словом Querkluftertz , что означает «перекрестная руда» . [14] [15]
Древние греки называли кварц κρύσταλλος ( krustallos ) , происходящим от древнегреческого κρύος ( kruos ), означающего «ледяной холод», поскольку некоторые философы (включая Теофраста ) понимали этот минерал как форму переохлажденного льда. [16] Сегодня термин « горный хрусталь» иногда используется как альтернативное название прозрачного крупнокристаллического кварца. [17] [18]
Римский натуралист Плиний Старший считал, что кварц — это водяной лед , навсегда замерзший после длительного периода времени. [19] Он поддержал эту идею, заявив, что кварц встречается вблизи ледников в Альпах, но не на вулканических горах, и что большие 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 исследование кварца Николасом Стено проложило путь современной кристаллографии . Он обнаружил, что независимо от размера и формы кристалла кварца его длинные грани призмы всегда соединяются под идеальным углом 60°. [21]
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 — шестигранная призма , оканчивающаяся шестигранными пирамидальными ромбоэдрами на каждом конце. В природе кристаллы кварца часто являются двойниками (с двойными правыми и левыми кристаллами кварца), деформируются или настолько срастаются с соседними кристаллами кварца или других минералов, что демонстрируют только часть этой формы или не имеют очевидных граней кристалла. в целом и кажутся массивными . [22] [23]
Хорошо сформированные кристаллы обычно образуют друзу ( слой кристаллов, выстилающий пустоту), особенно прекрасным примером которой являются кварцевые жеоды . [24] Кристаллы прикреплены одним концом к вмещающей породе, и присутствует только одна завершающая пирамида. Однако кристаллы с двойным окончанием 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 К; 1063 °F) α-кварц в P 3 1 21 становится более симметричным шестиугольным 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 истинно киральны (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 ). Превращение между α- и β-кварцем включает лишь сравнительно небольшой поворот тетраэдров относительно друг друга без изменения способа их соединения. [22] [27] Однако во время этого перехода происходит значительное изменение объема, [ необходимы разъяснения ] , и это может привести к значительным микротрещинам в керамике [28] и в горных породах земной коры. [29]
Хотя исторически многие названия разновидностей 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. [30]
Чистый кварц, традиционно называемый горным хрусталем или прозрачным кварцем, бесцветен, прозрачен или полупрозрачен и часто используется для резьбы по твердым камням , таким как кристалл Лотаря . Распространенные цветные разновидности включают цитрин, розовый кварц, аметист, дымчатый кварц, молочный кварц и другие. [31] Эти цветовые различия возникают из-за присутствия примесей, которые изменяют молекулярные орбитали, вызывая некоторые электронные переходы в видимом спектре, вызывающие цвета.
Наиболее важным различием между типами кварца являются макрокристаллические ( отдельные кристаллы, видимые невооруженным глазом) и микрокристаллические или скрытокристаллические разновидности ( агрегаты кристаллов, видимые только при большом увеличении). Скрытокристаллические разновидности либо полупрозрачны, либо в основном непрозрачны, тогда как прозрачные разновидности имеют тенденцию быть макрокристаллическими. Халцедон — скрытокристаллическая форма кремнезема, состоящая из тонких сростков кварца и его моноклинной полиморфной модификации моганита . [32] Другими непрозрачными разновидностями драгоценных камней кварца или смешанными породами, включая кварц, часто включающими контрастные полосы или цветные узоры, являются 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 растут в одном кристалле. Тогда его называют аметрином . Аметист получил свой цвет из-за присутствия в его структуре следов железа. [33]
Голубой кварц содержит включения волокнистого магнезио-рибекита или крокидолита . [34]
Включения минерала дюмортьерита в кусочках кварца часто приводят к появлению шелковистых пятен синего оттенка. Иногда также присутствуют оттенки фиолетового или серого . «Дюмортьеритовый кварц» (иногда называемый «голубым кварцем») иногда имеет контрастирующие светлые и темные цветовые зоны по всему материалу. [35] [36] «Голубой кварц» — мелкий драгоценный камень. [35] [37]
Цитрин — разновидность кварца, цвет которого варьируется от бледно-желтого до коричневого из-за субмикроскопического распределения примесей коллоидного гидроксида железа . [38] Натуральные цитрины встречаются редко; Большинство коммерческих цитринов представляют собой термообработанные аметисты или дымчатые кварцы . Однако термообработанный аметист будет иметь небольшие линии на кристалле, в отличие от мутного или дымчатого вида натурального 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 от слова « цитрон ». Иногда цитрин и аметист можно найти вместе в одном кристалле, который тогда называют аметрином . [39] Цитрин называют «торговым камнем» или «денежным камнем» из-за суеверия, что он принесет процветание. [40]
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 он не пользовался большим спросом. [41]
Молочный кварц или молочный кварц — наиболее распространенная разновидность кристаллического кварца. Белый цвет вызван мельчайшими жидкими включениями газа, жидкости или того и другого, захваченными во время формирования кристаллов, [42] что делает его малоценным для оптических и качественных применений драгоценных камней. [43]
Розовый кварц — это разновидность кварца, который имеет оттенок от бледно-розового до розово-красного. Цвет обычно считается следствием следовых количеств титана , железа или марганца в материале. Некоторые сорта розового кварца содержат микроскопические иглы рутила , которые создают астеризм в проходящем свете. Недавние рентгеновские дифракционные исследования показывают, что цвет обусловлен тонкими микроскопическими волокнами, возможно, дюмортьерита внутри кварца. [44]
Кроме того, существует редкий тип розового кварца (также часто называемый кристаллическим розовым кварцем), цвет которого, как полагают, вызван следовыми количествами фосфата или алюминия . Цвет кристаллов, по-видимому, светочувствителен и подвержен выцветанию. Первые кристаллы были обнаружены в пегматите , найденном недалеко от Рамфорда , штат Мэн , США, и в штате Минас-Жерайс , Бразилия. [45] Найденные кристаллы более прозрачны и идиоморфны из-за примесей фосфата и алюминия, образующих кристаллический розовый кварц, в отличие от железа и микроскопических волокон дюмортьерита , образующих розовый кварц. [46]
Дымчатый кварц – это серая полупрозрачная версия кварца. Его прозрачность варьируется от почти полной прозрачности до коричневато-серых кристаллов, почти непрозрачных. Некоторые также могут быть черными. Полупрозрачность возникает в результате естественного облучения, воздействующего на мельчайшие следы алюминия в кристаллической структуре. [47]
Празе — зеленая разновидность кварца. [48] Зеленый цвет обусловлен включениями амфибола . [49]
Празиолит , также известный как вермарин , представляет собой разновидность кварца зеленого цвета. [50] Зеленый цвет вызван ионами железа. [49] Это редкий в природе минерал, который обычно встречается вместе с аметистом; Большинство «празиолитов» не являются природными – они были получены искусственно путем нагревания аметиста. С 1950 года почти весь природный празиолит добывался в небольшом бразильском руднике, но его также можно увидеть в Нижней Силезии в Польше . Природный празиолит также встречается в районе Тандер-Бей в Канаде . [50]
Кристаллы кварца обладают пьезоэлектрическими свойствами; они развивают электрический потенциал при приложении механического напряжения . [51] Пьезоэлектрические свойства кварца были открыты Жаком и Пьером Кюри в 1880 году. [52] [53]
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 . [22] Кварц имеет самый низкий потенциал выветривания в серии растворения Гольдича и, следовательно, он очень распространен в качестве остаточного минерала в речных отложениях и остаточных почвах . Обычно высокое присутствие кварца предполагает « зрелую » породу, поскольку это указывает на то, что порода подверглась сильной переработке, а кварц был основным минералом, выдержавшим сильное выветривание. [54]
Хотя 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. [55]
Самый большой задокументированный монокристалл кварца был найден недалеко от Итапора , Гояс , Бразилия; его размер примерноЕго размеры составляли 6,1 × 1,5 × 1,5 м , а вес — 39 916 килограммов . [56]
Кварц добывают открытым способом . Шахтеры иногда используют взрывчатку, чтобы обнажить глубокие карманы кварца. Чаще всего для удаления почвы и глины и обнажения кварцевых жил используются бульдозеры и экскаваторы , которые затем обрабатываются ручными инструментами. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать резких перепадов температуры, которые могут повредить кристаллы. [57] [58]
Тридимит и кристобалит представляют собой высокотемпературные полиморфные модификации SiO 2 , встречающиеся в высококремнистых вулканических породах. Коэсит представляет собой более плотную полиморфную модификацию SiO 2 , обнаруженную в некоторых местах падения метеоритов и в метаморфических породах, образовавшихся при давлениях, превышающих типичные для земной коры. Стишовит представляет собой еще более плотную полиморфную модификацию SiO 2 , находящуюся под более высоким давлением, обнаруженную в некоторых местах падения метеоритов. [59] Моганит представляет собой моноклинную полиморфную модификацию. Лешательерит — аморфное кварцевое стекло SiO2 , образующееся при ударе молнии в кварцевом песке . [60]
Поскольку кварц представляет собой разновидность кремнезема, он может вызывать беспокойство на различных рабочих местах. Резка, шлифовка, скалывание, шлифовка, сверление и полировка изделий из натурального и искусственного камня могут выделять опасные уровни очень мелких частиц кристаллической кварцевой пыли в воздух, которым дышат рабочие. [61] Кристаллический кремнезем размером, пригодным для вдыхания, является признанным канцерогеном для человека и может привести к другим заболеваниям легких, таким как силикоз и фиброз легких . [62] [63]
Не все разновидности кварца встречаются в природе. Некоторые прозрачные кристаллы кварца можно обрабатывать с помощью тепла или гамма-излучения , чтобы вызвать цвет там, где в противном случае он не возник бы естественным путем. Восприимчивость к такой обработке зависит от места добычи кварца. [64]
Празиолит, материал оливкового цвета, получают путем термической обработки; [65] природный празиолит также был обнаружен в Нижней Силезии в Польше. [66] Хотя цитрин встречается в природе, большая его часть является результатом термической обработки аметиста или дымчатого кварца. [65] Сердолик подвергался термической обработке для придания более глубокого цвета с доисторических времен. [67]
Поскольку природный кварц часто является двойником , для использования в промышленности производят синтетический кварц. Большие безупречные монокристаллы синтезируются в автоклаве гидротермальным способом . [68] [22] [69]
Как и другие кристаллы, кварц может быть покрыт парами металлов , чтобы придать ему привлекательный блеск. [70] [71]
Кварц — наиболее распространенный материал, идентифицируемый как мистическое вещество мабан в мифологии австралийских аборигенов . Его регулярно находят на кладбищах проходных гробниц в Европе в контексте захоронений, таких как Ньюгрейндж или Кэрроумор в Ирландии . Кварц также использовался в доисторической Ирландии , как и во многих других странах, для изготовления каменных орудий ; и жильный кварц, и горный хрусталь были добыты в рамках каменной технологии доисторических народов. [72]
Хотя 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 типов ювелирных изделий и резьбы по твердому камню . , в том числе гравированные драгоценные камни и камеи , вазы из горного хрусталя и экстравагантные сосуды. Эта традиция продолжала производить предметы, которые очень высоко ценились до середины 19 века, когда она во многом вышла из моды, за исключением ювелирных изделий. В технике камеи используются цветные полосы оникса и других разновидностей.
Попытки синтезировать кварц начались в середине девятнадцатого века, когда ученые пытались создать минералы в лабораторных условиях, имитирующих условия, в которых минералы образовывались в природе: немецкий геолог Карл Эмиль фон Шафхойтль (1803–1890) был первым человеком, синтезировавшим кварц. когда в 1845 году он создал микроскопические кристаллы кварца в скороварке . [73] Однако качество и размер кристаллов, полученных в результате этих ранних усилий, были плохими. [74]
Включение элементарных примесей сильно влияет на возможность переработки и использования кварца. 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. Этот кварц высокой чистоты определяется как содержащий менее 50 частей на миллион примесных элементов. [75] Основным местом добычи кварца высокой чистоты является рудник Спрус-Пайн в Спрус-Пайн, Северная Каролина , США. [76] Кварц также можно найти на пике Кальдовейро в Астурии , Испания. [77]
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 определенных успехов в 1930-х и 1940-х годах. [78] После войны многие лаборатории пытались вырастить крупные кристаллы кварца. В Соединенных Штатах Корпус связи армии США заключил контракт с Bell Laboratories и компанией Brush Development Company из Кливленда, штат Огайо, на синтез кристаллов, следуя примеру Накена. [79] [80] (До Второй мировой войны компания Brush Development производила пьезоэлектрические кристаллы для проигрывателей пластинок.) К 1948 году компания Brush Development вырастила кристаллы диаметром 1,5 дюйма (3,8 см), самые большие на тот момент. [81] [82] 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. [69]
Первое использование пьезоэлектричества кристаллов кварца было в звукоснимателях фонографов . Одним из наиболее распространенных сегодня пьезоэлектрических применений кварца является кварцевый генератор . Кварцевый генератор или резонатор был впервые разработан Уолтером Гайтоном Кэди в 1921 году. [83] [84] Джордж Вашингтон Пирс разработал и запатентовал кварцевые кварцевые генераторы в 1923 году. [85] [86] [87] Кварцевые часы — это знакомое устройство, использующее минерал. Уоррен Маррисон создал первые часы с кварцевым генератором на основе работы Кэди и Пирса в 1927 году. [88] Резонансная частота кварцевого генератора изменяется путем его механической нагрузки, и этот принцип используется для очень точных измерений очень малой массы. изменения в кварцевых микровесах и в тонкопленочных мониторах толщины . [89]
Практически вся потребность промышленности в кристалле кварца (используемом преимущественно в электронике) удовлетворяется синтетическим кварцем, получаемым гидротермальным способом. Однако синтетические кристаллы менее ценятся для использования в качестве драгоценных камней. [91] Популярность лечения кристаллами увеличила спрос на природные кристаллы кварца, которые сейчас часто добываются в развивающихся странах с использованием примитивных методов добычи полезных ископаемых, иногда с использованием детского труда . [92]
Помимо Праги и Флоренции, главным центром огранки хрусталя эпохи Возрождения был Милан.