Кварц

Кварц
Друза кварцаДруза кварца
Формула SiO2
Физические свойства
Цвет Бесцветный, розовый, белый, фиолетовый, серый, жёлтый, коричневый, чёрный
Цвет черты Белый
Блеск Стеклянный, в сплошных массах иногда жирный
Прозрачность Полупрозрачный,прозрачный
Твёрдость 7
Спайность отсутствует
Излом раковистый
Плотность 2,6—2,65 г/см³
Кристаллографические свойства
Сингония Тригональная
Оптические свойства
Показатель преломления 1,544

Ква́рц (нем. Quarz, польск. kwardy) — широко распространённый породообразующий минерал класса оксидов (химическая формула SiO2 является полиморфной модификацией диоксида кремния), занимающий второе место по содержанию в литосфере Земли. Минерал обладает утверждённым статусом IMA и официальным символом Qz[1].

Этимология и историческое развитие знаний

Происхождение термина и лингвистические корни

Современное название минерала восходит к немецкому слову «quarz», которое через средневерхненемецкое «twarc» было заимствовано из западнославянских языков, предположительно от древнепольского kwardy, родственного польскому twardy и чешскому tvrdý — «твёрдый»[2].

Античная номенклатура использовала древнегреческое κρύσταλλος (krustallos), происходящее от κρύος (kruos) — «ледяной холод». Это отражало представления древних философов о кварце как о разновидности сверхохлаждённого льда, навсегда застывшего в недрах земли.

Вехи научного познания

Революционным открытием стало обнаружение пьезоэлектрических свойств кварца братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 году[3], положившее начало практическому использованию минерала в электронике.

Римский натуралист Плиний Старший поддерживал гипотезу о ледяной природе кварца, ссылаясь на его находки вблизи альпийских ледников и отсутствие в вулканических областях. Он также отмечал способность больших кварцевых кристаллов охлаждать руки и расщеплять свет на спектральные составляющие.

Фундаментальный вклад в кристаллографию внёс Николаус Стено в XVII веке, установивший неизменность углов между соответствующими гранями кварцевых кристаллов независимо от их размеров и общих пропорций.

Фундаментальные характеристики минерала

Химический состав и молекулярное строение

Молекулярная структура кварца основывается на каркасе кремнекислородных тетраэдров SiO4, где каждый атом кислорода разделяется между двумя соседними тетраэдрами. Молекулярная масса составляет 60,083 г/моль[4].

Минерал проявляет замечательную химическую стойкость, разлагаясь только при воздействии плавиковой кислоты и расплавленных щелочных веществ.

Растворимость кварца в водных средах минимальна при стандартных условиях, однако возрастает с повышением температуры и давления: при 400 °C и давлении 3,45 МПа достигает 1 ppm, а при 500 °C и 10,3 МПа увеличивается до 2600 ppm. Эти характеристики обусловливают его диэлектрические свойства и способность генерировать электрическое напряжение под механическим воздействием.

Физические свойства и механические характеристики

Кварцу соответствует эталонное значение 7 на десятибалльной шкале твёрдости Мооса, что делает его одним из наиболее устойчивых к абразивному воздействию природных материалов. Плотность варьируется в диапазоне 2,60-2,65 г/см³[5], обеспечивая оптимальное соотношение прочности и массы.

Оптические характеристики включают показатель преломления 1,544 для обыкновенного луча, двупреломление +0,009 и одноосность с положительным знаком. Минерал характеризуется белой чертой, стеклянным блеском различной интенсивности, раковистым типом излома и полным отсутствием спайности.

Температура плавления находится в интервале 1713—1728 °C, причём точное определение затруднено высокой вязкостью расплава. Некоторые образцы проявляют триболюминесценцию — способность излучать свет при механическом воздействии.

Кристаллическая архитектура

Симметрия и пространственное строение

Кристаллическая структура кварца демонстрирует тригональную симметрию при комнатной температуре с точечной группой D3 в обозначении Шёнфлиса или 32 в международной номенклатуре. Параметры элементарной ячейки составляют a = 4,9133 Å, c = 5,4053 Å при Z = 3[6].

Низкотемпературная α-модификация кристаллизуется в пространственных группах P3121 или P3221, выбор которых определяется хиральностью конкретного кристалла. Исследования температурной зависимости структуры показали, что при нагревании происходят закономерные изменения межатомных расстояний и углов связей.

Особенностью структуры является её хиральность — существование правых и левых энантиоморфных форм, построенных из ахиральных строительных блоков SiO4. Гексагональная решётка обеспечивает высокую механическую прочность и химическую инертность.

Изображение кристалла кварца с Первомайско-Зверевского золоторудного месторождения, Средний Урал

Морфология кристаллов и структурные особенности

Идеальная форма кристаллов представляет шестигранные псевдогексагональные призмы, завершающиеся шести- или трёхгранными пирамидальными окончаниями. Характерной особенностью служит поперечная штриховка на призматических гранях, позволяющая отличить кварц от сходных минералов.

Природные кристаллы часто образуют правые и левые формы, различающиеся направлением закручивания структуры. Длинные призматические грани сопрягаются под углом 60°, что было установлено Николаусом Стено в XVII веке при формулировке закона постоянства углов между гранями[7].

Двойникование происходит по нескольким законам:

  1. Дофине;
  2. Бразилии;
  3. Японии.

Это приводит к срастанию кристаллов с различной ориентацией. Размеры природных образований варьируются от микроскопических до гигантских — крупнейший задокументированный монокристалл размером 6,1×1,5×1,5 м и массой свыше 39 900 кг был обнаружен близ Итапоре в штате Гойяс, Бразилия.

Полиморфные превращения и фазовые переходы

При температуре 573 °C происходит резкий переход α-кварца в высокотемпературную β-модификацию без изменения химического состава[8]. Этот процесс сопровождается значительным изменением объёма, способным вызывать образование микротрещин в керамических изделиях и горных породах.

β-кварц обладает гексагональной симметрией с пространственными группами P6422 или P6222. Изменение структуры затрагивает лишь относительное вращение тетраэдров без разрыва химических связей.

При более высоких температурах и давлениях образуются другие полиморфные модификации:

Моганит представляет моноклинную полиморфную форму, а лешательерит — аморфное кварцевое стекло, образующееся при ударах молний в кварцевые пески.

Геологические условия формирования

Магматические процессы кристаллизации

Кварц занимает двенадцатипроцентную долю литосферы по массе, уступая лишь группе полевых шпатов (41 %) и превосходя пироксены (11 %)[9].

Непосредственная кристаллизация из кислых магм происходит при температурах около 700 °C в гранитных интрузиях, как установлено геобаротермометрическими исследованиями.

В вулканических породах кислого состава температура выделения может превышать 1 000 °C, формируя порфировые вкрапленники в риолитах и дацитах. Наличие в породах типа кварцевых габбро говорит о позднемагматическом этапе формирования.

Гидротермальные и метаморфические преобразования

Пегматитовые процессы приводят к образованию крупнейших кварцевых кристаллов, достигающих нескольких метров в длину и сотен килограммов массы. В пегматитовых жилах кварц формирует характерные срастания с калиевым полевым шпатом, а внутренние части часто сложены чистым кварцем[10]. Гидротермальная деятельность создаёт кварцевые и хрусталеносные жилы с живописными жеодами, нередко обрамлёнными агатовыми оболочками. Апогранитные метасоматиты, или грейзены, содержат кварц как главный породообразующий минерал.

Седиментогенез и выветривание

Исключительная химическая устойчивость обеспечивает накопление кварца в россыпных месторождениях различного генезиса: прибрежно-морских, эоловых, аллювиальных. Окатанная галька, гравий и песок составляют основную массу обломочных отложений[11].

Мономинеральные кварцевые пески формируют крупные месторождения промышленного значения. В осадочных толщах кварц встречается в виде конкреций, жеод и прожилков в известняках и доломитах.

Синтетический кварцевый кристалл

Технологии искусственного воспроизводства

Исторические попытки синтеза

Первооткрывателем искусственного синтеза стал немецкий геолог Карл Эмиль фон Шафхойтль, впервые вырастивший в 1845 году микроскопические кварцевые кристаллы в автоклаве[12]. Качество и размеры ранних синтетических образцов оставались неудовлетворительными для практического применения.

Значительного прогресса достиг немецкий минералог Рихард Накен в 1930-1940 годах. Вторая мировая война, нарушившая поставки природного сырья из Бразилии, единственного тогда источника качественных кристаллов, стимулировала интенсивные исследования синтетических методов.

Современные методы гидротермального выращивания

Промышленное производство синтетического кварца началось в 1957 году в СССР с организацией производств в Гусь-Хрустальном и Южноуральске[13]. Американские разработки велись по контрактам армии США с Bell Laboratories и Brush Development Company в Кливленде, достигшие к 1948 году выращивания кристаллов диаметром 1,5 дюйма.

Гидротермальный метод использует автоклавы высокого давления, воспроизводящие природные условия кристаллизации в ускоренном режиме. К 1950-м годам технология достигла промышленных масштабов, обеспечивая современную электронную индустрию синтетическим сырьём.

Параметры качества и чистоты

Полупроводниковая промышленность требует особо чистых кварцевых материалов с содержанием примесей менее 50 ppm для изготовления тиглей и оборудования для выращивания кремниевых пластин. Синтетические кристаллы превосходят природные по однородности распределения примесей и структурному совершенству[14].

Декоративное применение минерала основано на возможности получать материалы любых цветов и насыщенности, в том числе голубых и синих оттенков, которых нет в природе. Металлические покрытия придают дополнительный блеск обработанным изделиям.

Сферы практического использования

Электронная и радиотехническая промышленность

Революция в электронике началась с разработки кварцевого резонатора Уолтером Гайтоном Кэди в 1921 году и патентования кварцевых осцилляторов Джорджем Вашингтоном Пирсом в 1923 году[15]. К 1930-м годам электронная промышленность стала во многом зависеть от кварцевых кристаллов. Уоррен Маррисон создал первые кварцевые часы в 1927 году, основываясь на работах Уолтера Кэди и Джорджа Пирса.

Современные применения включают кварцевые микровесы и мониторы тонкоплёночных покрытий, использующие изменение резонансной частоты при механической нагрузке для сверхточных измерений микроскопических колебаний массы. Практически весь промышленный спрос на кварцевые кристаллы удовлетворяется синтетическим материалом, производимым гидротермальным методом.

Оптическая и приборостроительная отрасли

Оптические свойства кварца находят применение в прецизионных приборах, использующих его прозрачность в ультрафиолетовом диапазоне. Генераторы ультразвука задействуют пьезоэлектрические характеристики для преобразования электрических сигналов в механические колебания[16]. Кварцевые волокна служат основой специализированных оптических систем, требующих высокой химической стойкости и температурной стабильности.

Строительная и стекольная промышленность

Стекольная и керамическая отрасли потребляют значительные количества горного хрусталя и чистого кварцевого песка. Кремнезёмистые огнеупорные изделия на основе кварца обеспечивают высокотемпературную стойкость промышленных печей.

Однокомпонентное кварцевое стекло, получаемое при плавлении высокочистого сырья, обладает уникальными свойствами: низким коэффициентом теплового расширения, высокой химической инертностью и прозрачностью в широком спектральном диапазоне[17].

Ювелирное дело и декоративно-прикладное искусство

Исторически кварц служил основным материалом для художественной резьбы в Европе и на Ближнем Востоке, в то время как нефрит доминировал в Восточной Азии и доколумбовой Америке. Традиции камейной техники используют цветовую зональность оникса и других полосчатых разновидностей.

Мастерские Милана наряду с Прагой и Флоренцией составляли главные ренессансные центры художественной обработки кристаллов, создавая кварцевые вазы и сложные декоративные сосуды. Традиция сохранялась до середины XIX века, пока не уступила место другим материалам, за исключением ювелирных применений.

В австралийской аборигенной мифологии кварц почитался как мистическая субстанция «мабан»[18]. Археологические находки в европейских мегалитических захоронениях типа Ньюгрейнджа и Кэрроумора в Ирландии свидетельствуют о ритуальном значении минерала.

Хрусталь

Добыча и месторождения

География промышленных месторождений

Ведущие месторождения высокочистого кварца сосредоточены в горнодобывающем районе Спрус-Пайн в Северной Каролине, США, обеспечивающем потребности полупроводниковой промышленности. Европейские источники включают месторождение Кальдовейро в Астурии, Испания[19]. Бразилия долгое время оставалась монопольным поставщиком кристаллов до развития синтетического производства. Крупнейшие природные образования продолжают находить в пегматитовых районах различных континентов.

Технологии извлечения

Добыча ведётся открытым способом с использованием взрывчатых веществ для вскрытия глубокозалегающих кварцевых тел. Бульдозеры и экскаваторы удаляют покрывающие породы, обнажая кварцевые жилы для последующей отработки вручную[20]. Критическим требованием является предотвращение резких температурных изменений, способных повредить кристаллическую структуру. В развивающихся странах сохраняются примитивные методы добычи с использованием детского труда, что вызывает международную обеспокоенность.

Литература

  1. Белов Н. В. Очерки по структурной минералогии. — М.: Недра, 1976. — С. 344.
  2. Бетехтин, А. Г. Курс минералогии. — 3-е изд. — М.: Госгеолтехиздат, 1961. — С. 539.
  3. Булах А. Г. Минералогия с основами кристаллографии. — М.: Недра, 1989. — С. 350.
  4. Бондарев В. П. Основы минералогии и кристаллографии с элементами петрографии : учебное пособие для студентов биологических и химических специальностей педагогических вузов. — М.: ФОРУМ, 2015. — С. 276.

Примечания

  1. ↑ Anthony J. W., Bideaux R. A., Bladh K. W., Nichols M. C. Mineralogical Society of America. — 2010. — С. 4128.
  2. ↑ Tomkeieff S. I. Происхождение названия минерала кварц от немецкого «querkluftertz» // Mineralogical Magazine : журнал. — 1942. — № 176. — С. 172—178.
  3. ↑ Копцик В. А. Работы Пьера Кюри в области кристаллофизики (К 100-летию обнаружения пьезоэлектрического эффекта). — М.: УФН, 1981. — Т. 134:1. — С. 149–152.
  4. ↑ Gaines R. V., Skinner H. C. W., Foord E. E., Mason B., Rosenzweig A. Dana's New Mineralogy: The System of Mineralogy. — 8th Edition. — New York: John Wiley & Sons, 1997. — С. 1819.
  5. ↑ Доломанова Е. И., Горбатов Г. А., Пилоян Г. О., Успенская А. Б. Температура инверсии, диэлектрическая проницаемость и другие свойства кварца разного генезиса. Новые данные о минералах СССР. — М.: Наука, 1981. — С. 184.
  6. ↑ Le Page Y., Donnay G. Refinement of the crystal structure of low-quartz. — Acta Crystallographica, Section B., 1976. — Т. 32. — С. 2456–2459.
  7. ↑ Стенсен Н. О твёрдом, естественно содержащемся в твёрдом / пер. Г. А. Стратановского. — М.: АН СССР, 1957. — С. 150.
  8. ↑ Физическая кристаллография: сб. науч. тр. / Рос. АН, Ин-т кристаллографии им. А. В. Шубникова. — М. : Наука, 1992. — 364 с.
  9. ↑ Мурашова Е. Г. Вещественный состав земной коры: минералы, горные породы, грунты : учебное пособие. — Дальневост. гос. аграр. ун-т. Дальневосточного ГАУ, 2016. — С. 139.
  10. ↑ Записки Российского минералогического общества // Российское минералогическое общество.
  11. ↑ Советов Ю. К. Седиментология и стратиграфическая корреляция вендских отложений на юго-западе Сибирской платформы. — 2018. — Т. 18. — С. 20—45. — (Литосфера).
  12. ↑ Шефталь Н. Н. Первые советские опыты выращивания кварца. — М.: АН СССР, 1955. — С. 86.
  13. ↑ Марьина Е. А. Синтез кварца в высокотемпературных водных флюидах и компьютерное моделирование морфологии кристаллов кварца: автореф. диссертации на соискание учёной степени кандидата геолого-минералогических наук: 25.00.05. — М.: Московский государственный ун.-т им. М. В. Ломоносова, 2001. — 119 с.
  14. ↑ IEC 60758:2016 Synthetic quartz crystal // Specifications and guidelines for use.
  15. ↑ IEEE Milestone Dedication: Piezoelectric Quartz Oscillator 1921—1923 / Walter Guyton Cady // IEEE UFFC.
  16. ↑ Рупасов А. Е., Гриценко И. В., Буслеев Н. И. и др. Запись двулучепреломляющих микротреков в объёме плавленого кварца. — 2024. — Т. 132. — С. 1038–1042.
  17. ↑ Арбузов В. И. Основы радиационного оптического материаловедения. — СПб.: СПб ГУ ИТМО, 2008. — С. 284.
  18. ↑ Elkin A. P. Aboriginal Men of High Degree: Initiation and Sorcery in the World's Oldest Tradition. — Queensland: Queensland University Press, 1978. — С. 1977.
  19. ↑ Gutiérrez M., Luque C., García J. R., Rodríguez L. M. La Fluorita. Un Siglo de Minería de Asturias. — Universidad de Oviedo, 2009. — С. 565.
  20. ↑ Геология и разведка // Известия высших учебных заведений ; РГГРУ им. Серго Орджоникидзе.

Ссылки

При написании этой статьи использовался материал из издания «Казахстан. Национальная энциклопедия» (1998—2007), предоставленного редакцией «Қазақ энциклопедиясы» по лицензии Creative Commons BY-SA 3.0 Unported.

Источник — https://znanierussia.ru/articles/index.php?title=Кварц&oldid=1945961