Кварцевый | |
---|---|
Общий | |
Категория | силикатный минерал [1] |
Формула (повторяющаяся единица) | SiO 2 |
Классификация Струнца | 4.DA.05 ( оксиды ) |
Классификация Дана | 75.01.03.01 ( тектосиликаты ) |
Кристаллическая система | α-кварц: тригональный β-кварц: гексагональный |
Кристалл класс | α-кварц: трапециевидный (3 класс 2); β-кварц: трапециевидный (класс 6 2 2) [2] |
Космическая группа | α-кварц: P3 2 21 (№ 154) [3] β-кварц: P6 2 22 (№ 180) или P6 4 22 (№ 181) [4] |
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 |
Хрустальная привычка | 6-сторонняя призма, оканчивающаяся 6-гранной пирамидой (типичная), дузовидная, от мелкозернистой до микрокристаллической, массивная |
Twinning | Общий закон дофина, закон Бразилии и закон Японии |
Расщепление | {0110} Нечеткое |
Перелом | Конхоидальный |
Упорство | Хрупкий |
Твердость по шкале Мооса | 7 - ниже у нечистых сортов (определяющий минерал) |
Блеск | Стекловидное тело - воскообразное или тусклое при массивном |
Полоса | белый |
Прозрачность | От прозрачного до почти непрозрачного |
Удельный вес | 2,65; переменная 2,59–2,63 у нечистых сортов |
Оптические свойства | Одноосный (+) |
Показатель преломления | n ω = 1,543–1,545 n ε = 1,552–1,554 |
Двулучепреломление | +0,009 (интервал ГК) |
Плеохроизм | Никто |
Температура плавления | 1670 ° C (β- тридимит ) 1713 ° C (β- кристобалит ) [2] |
Растворимость | Нерастворим в STP ; 1 ppm массы при 400 ° C и от 500 фунтов / дюйм 2 до 2600 ppm массы при 500 ° C и 1500 фунт / дюйм 2 [2] |
Другие характеристики | решетка: гексагональная , пьезоэлектрическая , может быть триболюминесцентной , хиральной (следовательно, оптически активной, если не рацемической ) |
использованная литература | [5] [6] [7] [8] |
Кварц - твердый кристаллический минерал, состоящий из кремнезема ( диоксида кремния ). Атомы связаны в непрерывном рамках SiO 4 кремнекислородных тетраэдров , причем каждый кислород, разделяемых между двумя тетраэдрами, что дает общую химическую формулу из SiO 2 . Кварц является вторым наиболее распространенным минералом в земном «s континентальной коры , за шпатом . [9]
Кварц существует в двух формах: нормальный α-кварц и высокотемпературный β-кварц, обе из которых являются хиральными . Превращение α-кварца в β-кварц происходит внезапно при 573 ° C (846 K; 1063 ° F). Поскольку преобразование сопровождается значительным изменением объема, оно может легко вызвать разрушение керамики или горных пород, превышающее этот температурный порог.
Есть много различных разновидностей кварца, некоторые из которых являются полудрагоценными драгоценными камнями . С древних времен разновидности кварца были наиболее часто используемыми минералами при изготовлении ювелирных изделий и резьбе по твердому камню , особенно в Евразии .
Кварц - это минерал, определяющий значение 7 по шкале твердости Мооса , качественный метод царапания для определения твердости материала к истиранию.
Слово «кварц» происходит от немецкого слова «Quarz», которое имело ту же форму в первой половине 14 века в средневерхненемецком и в восточно-центральном немецком [10] и произошло от польского диалектного термина kwardy , что соответствует чешскому термину tvrdý («жесткий»). [11]
В Древние греки называют кварца в качестве κρύσταλλος ( krustallos ) , полученного из древнего греческого κρύος ( kruos ) , что означает «ледяной холод», потому что некоторые философы ( в том числе Теофраста ) , по- видимому считали , что минерал быть формой переохлажденного льда. [12] Сегодня термин горный хрусталь иногда используется как альтернативное название прозрачного крупнокристаллического кварца. [13] [14]
Кварц принадлежит к тригональной кристаллической системе при комнатной температуре и к гексагональной кристаллической системе при температуре выше 573 ° C (846 K; 1063 ° F). Форма идеального кристалла представляет собой шестигранные призмы , оканчивающиеся шестигранными пирамиды на каждый конце. В природе кристаллы кварца часто двойниковые (с двойными правосторонними и левосторонними кристаллами кварца), искажены или так срослись с соседними кристаллами кварца или других минералов, чтобы показать только часть этой формы или полностью лишить очевидных граней кристаллов. и кажутся массивными. [15] [16] Хорошо сформированные кристаллы обычно образуются в виде друзы.(слой кристаллов, выстилающий пустоту), из которых кварцевые жеоды являются особенно прекрасными примерами. [17] Кристаллы прикреплены одним концом к вмещающей скале, и присутствует только одна конечная пирамида. Однако кристаллы с двойным окончанием действительно встречаются там, где они свободно развиваются без прикрепления, например, в гипсе . [18]
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). [19]Эти пространственные группы действительно киральны (каждая 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 только сравнительно небольшой поворот тетраэдров относительно друг друга без изменения способа их соединения. [15] [20]
Кристаллическая структура α-кварца (красные шары - кислород, серые - кремний)
β-кварц
Хотя многие из названий разновидностей 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. [21]
|
Чистый кварц, традиционно называемый горным хрусталем или прозрачным кварцем, бесцветен, прозрачен или полупрозрачен и часто используется для резьбы по твердому камню , например, для кристаллов Lothair . Общие цветные разновидности включают цитрин, розовый кварц, аметист, дымчатый кварц, молочный кварц и другие. [22] Эти цветовые различия возникают из-за наличия примесей, которые изменяют молекулярные орбитали, вызывая некоторые электронные переходы в видимом спектре, вызывающие цвета.
Наиболее важное различие между типами кварца - это макрокристаллический (отдельные кристаллы, видимые невооруженным глазом) и микрокристаллические или скрытокристаллические разновидности ( агрегаты кристаллов, видимые только при большом увеличении). Скрытокристаллические разновидности либо полупрозрачные, либо в основном непрозрачные, тогда как прозрачные разновидности имеют тенденцию быть макрокристаллическими. Халцедон - это скрытокристаллическая форма кремнезема, состоящая из мелких сростков кварца и его моноклинного полиморфного моганита . [23]Другие разновидности непрозрачных драгоценных камней кварца или смешанных пород, включая кварц, часто включающие контрастные полосы или цветные узоры, - это агат , сердолик или сард, оникс , гелиотроп и яшма . [15]
Аметист - это форма кварца, которая варьируется от яркого ярко-фиолетового до темного или тускло-лилового оттенка. Самые большие в мире месторождения аметистов находятся в Бразилии, Мексике, Уругвае, России, Франции, Намибии и Марокко. Иногда в одном кристалле растут аметист и цитрин. Затем он упоминается как аметрин . Аметист получает свой цвет от следов железа в его структуре. [24]
Синий кварц содержит включения волокнистого магнезио-рибекита или крокидолита . [25]
Включения минерала дюмортьерита в кусках кварца часто приводят к появлению шелковистых пятен с синим оттенком. Иногда также присутствуют оттенки пурпурного или серого . «Дюмортьеритовый кварц» (иногда называемый «голубым кварцем») иногда имеет контрастирующие светлые и темные цветовые зоны по всему материалу. [26] [27] «Синий кварц» - драгоценный камень незначительной величины. [26] [28]
Цитрин - это разновидность кварца, цвет которого варьируется от бледно-желтого до коричневого из-за субмикроскопического распределения примесей коллоидного гидроксида железа . [29] Природные цитрины встречаются редко; большинство коммерческих цитринов представляют собой термообработанные аметисты или дымчатый кварц . Однако термообработанный аметист будет иметь небольшие линии в кристалле, в отличие от мутного или дымчатого внешнего вида природного цитрина. Визуально отличить разрезанный 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 словаcitrina, что означает «желтый», а также является источником слова « цитрон ». Иногда цитрин и аметист можно найти вместе в одном кристалле, который затем называют аметрином . [30] Цитрин называют «купеческим камнем» или «денежным камнем» из-за суеверия, что он принесет процветание. [31]
Цитрин был впервые признан золотисто-желтым драгоценным камнем в Греции между 300 и 150 годами до нашей эры, в эпоху эллинизма. Желтый кварц раньше использовался для украшения ювелирных изделий и инструментов, но не пользовался большим спросом. [32]
Молочный кварц или молочный кварц - наиболее распространенная разновидность кристаллического кварца. Белый цвет возникает из-за мельчайших жидких включений газа, жидкости или того и другого, захваченных во время формирования кристаллов [33], что делает его малоценным для оптики и применения в качестве драгоценных камней. [34]
Розовый кварц - это разновидность кварца от бледно-розового до розово-красного оттенка. Обычно считается, что цвет обусловлен следами титана , железа или марганца в материале. Некоторые виды розового кварца содержат микроскопические иглы рутила, которые создают астеризм в проходящем свете. Недавние исследования дифракции рентгеновских лучей предполагают, что цвет обусловлен тонкими микроскопическими волокнами, возможно, дюмортьерита внутри кварца. [35]
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 найдены в пегматите, найденном недалеко от Рамфорда , штат Мэн , США, и в штате Минас-Жерайс , Бразилия . [36]
Дымчатый кварц - это серая полупрозрачная версия кварца. Его прозрачность варьируется от почти полной прозрачности до коричневато-серого кристалла, который почти непрозрачен. Некоторые также могут быть черными. Прозрачность возникает в результате естественного облучения, воздействующего на мельчайшие следы алюминия в кристаллической структуре. [37]
Празиолит , также известный как вермарин , представляет собой разновидность кварца зеленого цвета. С 1950 года почти весь природный празиолит добывается на небольшой бразильской шахте, но он также встречается в Нижней Силезии в Польше . Встречающийся в природе празиолит также встречается в районе Тандер-Бей в Канаде . Это редкий минерал в природе; большая часть зеленого кварца - термообработанный аметист. [38]
Херкимер алмаз
Горный хрусталь
Аметрин
Аметист
Синий кварц
Халцедон
Цитрин
Розовый кварц
Празиолит
Рутилированный кварц
Скипетровый кварц
Дымчатый кварц
Не все разновидности кварца встречаются в природе. Некоторые прозрачные кристаллы кварца можно обрабатывать с помощью тепла или гамма-излучения, чтобы вызвать цвет там, где он иначе не возник бы естественным образом. Восприимчивость к такой обработке зависит от места добычи кварца. [39]
Празиолит , материал оливкового цвета, получают термической обработкой; [40] природный празиолит также был обнаружен в Нижней Силезии в Польше. [41] Хотя цитрин встречается в природе, большая часть его является результатом термической обработки аметиста или дымчатого кварца. [40] С доисторических времен сердолик подвергался термообработке для придания более насыщенного цвета. [42]
Поскольку природный кварц часто двойниковый , синтетический кварц производится для использования в промышленности. Крупные безупречные монокристаллы синтезируются в автоклаве с помощью гидротермального процесса . [43] [15] [44]
Как и другие кристаллы, кварц может быть покрыт парами металла, чтобы придать ему привлекательный блеск. [45] [46]
Кварц является определяющей составляющей 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 . [15] Кварц имеет самый низкий потенциал выветривания в серии растворения Голдича, и, следовательно, он очень часто встречается в качестве остаточного минерала в отложениях ручьев и остаточных почвах . Как правило, высокое содержание кварца предполагает наличие « зрелого»«порода, поскольку это указывает на то, что порода была сильно переработана, и кварц был основным минералом, который выдержал сильное выветривание». [47]
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 . [15] Кристаллы правильной формы могут достигать нескольких метров в длину и весить сотни килограммов. [48]
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. Основным местом добычи кварца высокой чистоты является рудник Spruce Pine Gem Mine в Спрус-Пайн, Северная Каролина , США . [49] Кварц также можно найти на пике Кальдовейро в Астурии , Испания . [50]
Самый крупный зарегистрированный монокристалл кварца был найден около Итапура , Гояз , Бразилия; он имел размеры примерно 6,1 × 1,5 × 1,5 м и весил 39 916 кг . [51]
Кварц добывают в карьерах . Горняки иногда используют взрывчатку, чтобы обнажить глубокие карманы кварца. Более часто бульдозеры и экскаваторы-погрузчики используются для удаления почвы и глины и обнажения кварцевых жил, которые затем обрабатываются с помощью ручных инструментов. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать резких перепадов температуры, которые могут повредить кристаллы. [52] [53]
Почти весь промышленный спрос на кристалл кварца (используемый в основном в электронике) удовлетворяется за счет синтетического кварца, полученного гидротермальным способом. Однако синтетические кристаллы менее ценны для использования в качестве драгоценных камней. [54] Популярность исцеления кристаллами увеличила спрос на кристаллы природного кварца, которые в настоящее время часто добывают в развивающихся странах с использованием примитивных методов добычи, иногда с использованием детского труда . [55]
Тридимит и кристобалит представляют собой высокотемпературные полиморфы SiO 2 , встречающиеся в высококремнистых вулканических породах. Коэсит представляет собой более плотный полиморф SiO 2, обнаруженный в некоторых местах падения метеоритов и в метаморфических породах, образовавшихся при давлениях, превышающих те, которые характерны для земной коры. Стишовит - это еще более плотный полиморф SiO 2, работающий под более высоким давлением, обнаруженный в некоторых местах падения метеоритов. [56] Лешательерит представляет собой аморфное кварцевое стекло SiO 2, которое образуется при ударах молнии в кварце.песок . [57]
Поскольку кварц представляет собой форму кремнезема, он может вызывать беспокойство на различных рабочих местах. Резка, шлифовка, скалывание, шлифование, сверление и полировка изделий из природного и искусственного камня могут привести к выбросу в воздух, которым дышат рабочие, опасного уровня очень мелких частиц кристаллической кремнеземной пыли. [58] Кристаллический кремнезем пригодного для вдыхания размера является признанным канцерогеном для человека и может приводить к другим заболеваниям легких, таким как силикоз и фиброз легких . [59] [60]
Слово «кварц» происходит от немецкого Кварц ( помощь · информация ) , [61] , который славянского происхождения (чешские шахтеры назвали это Кремень ). Другие источники приписывают происхождение слова саксонскому слову Querkluftertz , что означает поперечно- жильную руду . [62]
Кварц - наиболее распространенный материал, который в мифологии австралийских аборигенов определяется как мистическое вещество мабан . Он регулярно встречается на кладбищах гробниц в Европе в контексте захоронения, таких как Ньюгрейндж или Кэрроумор в Ирландии . Ирландское слово для кварца grianchloch , что означает «Sunstone». Кварц также использовался в доисторической Ирландии , а также во многих других странах для изготовления каменных орудий ; Жильный кварц и горный хрусталь добывали как часть каменной технологии доисторических народов. [63]
В то время как нефрит издавна 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. , включая драгоценные камни с гравировкой и 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 натуралист Плиний Старший считал кварц водяным льдом , навсегда замороженным по прошествии длительного времени. [64] (Слово «кристалл» происходит от греческого слова κρύσταλλος , «лед».) Он поддержал эту идею, заявив, что кварц находится недалеко от ледников в Альпах, но не на вулканических горах, и что были созданы большие кристаллы кварца. в сферы, чтобы охладить руки. Эта идея сохранялась по крайней мере до 17 века. Он также знал о способности кварца разделять свет на спектр . [65]
В 17 веке исследование кварца Николасом Стено проложило путь современной кристаллографии . Он обнаружил, что независимо от размера или формы кристалла кварца его длинные грани призмы всегда соединяются под идеальным углом 60 °. [66]
Кварц в пьезоэлектрические свойства были обнаружены Жака и Пьера Кюри в 1880. [67] [68] кварцевый генератор или резонатор был впервые разработан Walter Guyton Кэди в 1921 г. [69] [70] Джордж Вашингтон Пирс разработан и запатентован кварцевые кварцевые генераторы в 1923. [71] [72] [73] Уоррен Маррисон создал первые часы с кварцевым генератором на основе работ Кэди и Пирса в 1927 году. [74]
Усилия по синтезу кварца 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, кто синтезировал кварц, когда в 1845 году он создал микроскопические кристаллы кварца в скороварке. [75] Однако качество и размер кристаллов, которые были получены с помощью этих первых усилий, были плохими. [76]
К 1930-м годам электронная промышленность стала зависимой от кристаллов кварца. Единственным источником подходящих кристаллов была Бразилия; однако Вторая мировая война прервала поставки из Бразилии, поэтому страны пытались синтезировать кварц в промышленных масштабах. Немецкий минералог Ричард Накен (1884–1971) добился определенных успехов в 1930-х и 1940-х годах. [77] После войны многие лаборатории пытались вырастить большие кристаллы кварца. В Соединенных Штатах Корпус связи армии США заключил контракт с Bell Laboratories и Brush Development Company из Кливленда, штат Огайо, на синтез кристаллов по инициативе Накена. [78] [79] (До Второй мировой войны Brush Development производила пьезоэлектрические кристаллы для проигрывателей пластинок.) К 1948 году Brush Development вырастила кристаллы диаметром 1,5 дюйма (3,8 см), самые большие на сегодняшний день. [80] [81] К 1950-м годам методы гидротермального синтеза производили синтетические кристаллы кварца в промышленных масштабах, и сегодня практически все кристаллы кварца, используемые в современной электронной промышленности, являются синтетическими. [44]
Кувшин из горного хрусталя с резным гирляндным орнаментом работы миланской мастерской второй половины XVI века, Национальный музей в Варшаве . Город Милан, помимо Праги и Флоренции , был главным центром огранки хрусталя эпохи Возрождения . [82]
Кристаллы синтетического кварца, полученные в автоклаве, показанном на экспериментальной гидротермальной кварцевой установке Western Electric в 1959 году.
Кувшин из фатимидов из резного горного хрусталя (прозрачный кварц) с золотой крышкой, ок. 1000.
Кристаллы кварца обладают пьезоэлектрическими свойствами; они развивают электрический потенциал при приложении механического напряжения . [83] Раннее использование этого свойства кристаллов кварца было в звукоснимателях фонографа . Одно из наиболее распространенных пьезоэлектрических применений кварца сегодня - это кварцевый генератор . Кварцевые часы знакомое устройство , использующее минерал. Резонансная частота кварцевого генератора изменяется путем механической нагрузки, и этот принцип используется для очень точных измерений очень малых изменений массы в микровесах из кварцевого кристалла и в мониторах толщины тонких пленок .[84]
Помимо Праги и Флоренции, главным центром огранки хрусталя эпохи Возрождения был Милан.
Викискладе есть медиафайлы по теме кварца . |
В Wikisource есть оригинальный текст, относящийся к этой статье: EB1911: кварцевый |