Kwarc: budowa, właściwości, odmiany i zastosowania krzemionki (SiO2)

Kwarc (SiO2): budowa, właściwości, odmiany i zastosowania — od kamieni półszlachetnych i piasku po elektronikę i szkło kwarcowe. Praktyczny przewodnik.

Kwarc jest minerałem tektokrzemianowym, który jest drugim co do częstości występowania minerałem w skorupie kontynentalnej Ziemi. Jego struktura krystaliczna stanowi szkielet tetrahedry krzemowo-tlenowej SiO4. Każdy z nich dzieli atom tlenu z innym tetraedronem, więc ogólny wzór chemiczny to SiO2 lub krzemionka.

Istnieje wiele różnych odmian kwarcu, niektóre z nich są kamieniami półszlachetnymi. Od dawna używa się ich do wyrobu biżuterii i rzeźb z twardego kamienia. Agat, ametyst, kwarc różany to wszystkie formy kwarcu.

Kryształy kwarcowe są stosowane w oscylatorach, na przykład w zegarach kwarcowych. Ludzie wydobywają również krzem do produkcji półprzewodników. Większość piasku to małe bity kwarcowe. Kwarc ma twardość mineralną 7. (skala mohs).

Słowo "kwarc" pochodzi od niemieckiego słowa "quarz".

"Kwarc topiony" to szkło wykonane z krzemionki w postaci niekrystalicznej. Nie zawiera on innych składników, które są dodawane do innego szkła w celu obniżenia temperatury topnienia. Krzemionka topiona ma wysoką temperaturę roboczą i topnienia. Dla niektórych celów kwarc topiony jest lepszy od innych rodzajów szkła ze względu na swoją czystość. Szkło to jest stosowane w wielu zaawansowanych technologicznie produktach.

Budowa krystaliczna i odmiany polimorficzne

Kwarc jest zbudowany z tetraedrów SiO4, połączonych ze sobą przez atomy tlenu, tworząc trójwymiarową sieć. Najczęściej spotykaną formą jest α-kwarc (trigonalny), stabilny w temperaturach poniżej około 573°C, powyżej tej temperatury przechodzi w β-kwarc (heksagonalny). SiO2 występuje także w innych polimorfach: tridymit, cristobalit (stabilne w wyższych temperaturach), a przy wysokim ciśnieniu — coesite i stishovite (o większej gęstości i odmiennej strukturze).

Właściwości fizyczne i chemiczne

• Twardość: 7 w skali Mohsa (odporność na zarysowania).
• Gęstość: około 2,65 g/cm3 dla typowego kryształu.
• Przejście fazowe: α → β przy ~573°C (zmiana struktury, odwracalna).
• Topnienie: czysty SiO2 tworzy szkło; topnienie i obróbka wymagają bardzo wysokich temperatur (dla szkła kwarcowego około 1700–1720°C).
• Właściwości optyczne: przezroczysty do przezroczystości w szerokim zakresie widma; jest minerałem jednoosiowym (uniaxialny), często lekko wykazuje dwuogniskowość (birefringencja) — nω ≈ 1,544, nε ≈ 1,553 (przy λ=589 nm).
• Właściwości elektryczne: piezoelektryczny i piroelektryczny — pod obciążeniem mechanicznym generuje napięcie, co wykorzystuje się w oscylatorach i czujnikach.
• Chemia: odporność na większość kwasów i zasad, nierozpuszczalny w wodzie; rozpuszcza się w kwasie fluorowodorowym (HF).

Odmiany i barwy

Kolor i wygląd kwarcu zależą od domieszek oraz wrostków i inkluzji:

• Ametyst: fioletowy, barwę daje żelazo i naturalne napromieniowanie.
• Citrine (cytryn): żółty lub pomarańczowy — zwykle efekt ogrzewania ametystu lub naturalnych domieszek Fe.
• Smoky quartz (kwarc dymny): szary do brązowego — związany z promieniowaniem i śladami glinu.
• Kwarc różany: różowy — barwa może pochodzić od mikroskopijnych inkluzji, domieszek tytanu, żelaza lub mikroskopijnych włókien rutylu.
• Agat, chalcedon, jaspis, onyx: kryptokrystaliczne formy krzemionki o ziarnistej lub drobnokrystalicznej strukturze, często warstwowane lub zawierające zanieczyszczenia barwne.
• Aventurine: zawiera iskrzące inkluzje (np. miki) dające efekt awenturynowy.

Występowanie i geneza

Kwarc powstaje w bardzo różnych warunkach geologicznych: w utworach magmowych (np. pegmatyty), w żyłach hydrotermalnych, w skałach metamorficznych oraz jako składnik skał osadowych (piaski). Duże kryształy i geody (np. ametystowe) powstają w pustkach skalnych w wyniku przesycania roztworów hydrotermalnych. Największe złoża i słynne lokalizacje to m.in. Brazylia, Urugwaj, Madagaskar, Alpy i Arkansas (USA).

Zastosowania

Kwarc i związana z nim krzemionka mają szerokie zastosowanie dzięki trwałości, czystości i właściwościom elektrycznym:

• Biżuteria i ozdoby: ametyst, kwarc różany, cytryn, agaty i inne odmiany.
• Elektronika i telekomunikacja: kryształy kwarcu stosowane w oscylatorach, zegarach kwarcowych, filtrowaniu częstotliwości; syntetyczny kwarc hydrotermalny używany tam, gdzie wymagana jest stabilność częstotliwości.
• Produkcja krzemu: krzemionka jest surowcem do wytwarzania metalo-krzemu używanego w przemyśle półprzewodnikowym i fotowoltaice (wymagana wysoka czystość).
• Przemysł szklarski i optyczny: szkło kwarcowe (kwarc topiony, fused silica) używane do spektroskopii, elementów optycznych, szyb odpornych na wysoką temperaturę, włókien optycznych i komponentów do lamp UV.
• Budownictwo i odlewnictwo: piasek kwarcowy do betonu, form piaskowych, materiały ścierne.
• Przemysł chemiczny i materiałowy: napełniacze do farb, tworzyw sztucznych, ceramiki oraz katalizatory i nośniki.

Kwarc topiony i syntetyczny

Kwarc topiony (fused quartz / fused silica) to niekrystaliczna forma SiO2 otrzymywana przez stopienie i szybkie ochłodzenie lub poprzez osadzanie pary SiO2. Charakteryzuje się bardzo wysoką czystością, niską rozszerzalnością cieplną i szeroką przepuszczalnością optyczną, dzięki czemu znajduje zastosowanie w zaawansowanej optyce, lampach i przyrządach laboratoryjnych. Syntetyczny kwarc otrzymywany metodą hydrotermalną pozwala na uzyskanie kryształów o bardzo niskiej zawartości defektów i domieszek — wykorzystywane są one w oscylatorach i w urządzeniach wymagających stabilności temperaturowej.

Bezpieczeństwo i zagrożenia

Pył krzemionkowy (drobne cząstki kwarcu) jest szkodliwy dla zdrowia przy długotrwałym wdychaniu i może prowadzić do krzemicy (silicosis) oraz zwiększać ryzyko chorób płuc i gruźlicy. W miejscach pracy związanych z obróbką kwarcu (cięcie, szlifowanie, wiercenie) obowiązują środki ochrony: odciąg pyłu, wilgotne cięcie, maski i systemy filtracji powietrza.

Podsumowanie

Kwarc to wszechstronny i powszechny minerał o prostym składzie chemicznym (SiO2), ale o złożonej fizycznej i genetycznej różnorodności. Jego mechaniczne, optyczne i elektryczne właściwości sprawiają, że jest niezastąpiony zarówno w tradycyjnej biżuterii, jak i w nowoczesnej technologii — od prostych piasków po precyzyjne kryształy stosowane w elektronice i optyce.

Kwarc zszokowany

Kwarc szokowy jest formą kwarcu, który ma mikroskopijną strukturę różną od normalnego kwarcu. W warunkach intensywnego ciśnienia (ale ograniczonej temperatury), struktura krystaliczna kwarcu ulega deformacji wzdłuż płaszczyzn wewnątrz kryształu. Płaszczyzny te pojawiają się jako linie pod mikroskopem.

Kwarc szokowy znajduje się na całym świecie, szczególnie w kraterach uderzeniowych i w cienkiej krecowo-paleogenicznej warstwie granicznej. Znajduje się on na styku skał kredowych i paleogenicznych. Jest to kolejny dowód (oprócz wzbogacenia irydu) na to, że przejście między tymi dwoma okresami geologicznymi było spowodowane dużym uderzeniem. Eugeniusz Szewc odkrył go w kamieniach budowlanych w bawarskim mieście Nördlingen. Kamienie te pochodziły ze zburzonych skał metamorficznych, takich jak breksiki, z krateru meteorficznego.

fotomikrograf kwarcu szokującego

Pytania i odpowiedzi

P: Co to jest kwarc?

P: Skąd pochodzi nazwa "kwarc"?

P: Jakie są niektóre odmiany kwarcu?

P: Jak twardy jest kwarc?

P: Co to jest kwarc topiony?

P: Do jakich produktów można stosować kwarc topiony?

P: Od jak dawna ludzie używają różnych rodzajów kwarcu do produkcji biżuterii i rzeźb?

Szukaj według litery