Кварц: формула и свойства минерала¶

Кварц — один из самых распространённых минералов земной коры, относящийся к классу оксидов. Его химическая формула — SiO₂ (диоксид кремния). В чистом виде кварц состоит из кремния (около 46,7 % по массе) и кислорода (около 53,3 %), однако в природных кристаллах почти всегда присутствуют примеси, определяющие окраску и ряд физических свойств. По химическому составу кварц представляет собой простейший оксид кремния и является полиморфной модификацией кремнезёма.

¶Химический состав и формула

Формула SiO₂ отражает стехиометрическое соотношение атомов: на один атом кремния приходится два атома кислорода. В кристаллической решётке каждый атом кремния окружён четырьмя атомами кислорода, образуя тетраэдр SiO₄, а каждый атом кислорода связан с двумя атомами кремния. Такая структура формирует каркасный тип кристаллической решётки.

Кремнезём (SiO₂) существует в нескольких полиморфных модификациях, устойчивых при разных температурах и давлениях:

• α-кварц — устойчив при обычных условиях, тригональная сингония;
• β-кварц — образуется при нагреве выше 573 °C, гексагональная сингония;
• тридимит и кристобалит — высокотемпературные модификации;
• коэсит и стишовит — образуются при высоком давлении.

Все эти модификации имеют одну и ту же формулу SiO₂, но различаются строением кристаллической решётки.

¶Физические свойства

Кварц обладает характерными диагностическими признаками:

Кварц не имеет спайности, что связано с каркасным строением решётки. Он обладает пьезоэлектрическими свойствами: при механическом сжатии или растяжении кристалла на его гранях возникают электрические заряды. Это свойство широко используется в технике.

Температура плавления чистого кварца составляет около 1713 °C. Минерал устойчив к кислотам, за исключением плавиковой (HF), растворяется в щелочах при высоких температурах.

¶Разновидности

Многообразие окраски и строения кварца породило множество его разновидностей:

• Горный хрусталь — прозрачные бесцветные кристаллы;
• Аметист — фиолетовая окраска за счёт примесей железа;
• Цитрин — жёлтый или золотистый;
• Дымчатый кварц (раухтопаз) — серо-коричневый;
• Морион — почти чёрный;
• Розовый кварц — розовый, окраска связана с примесями титана и железа;
• Авантюрин — с включениями, дающими мерцающий блеск;
• Волосатик — с игольчатыми включениями других минералов.

К скрытокристаллическим разновидностям относятся халцедон, агат, сердолик, оникс, кремень. Все они имеют тот же состав SiO₂, но лишены явной кристаллической формы.

¶Происхождение и месторождения

Кварц образуется преимущественно в магматических и метаморфических процессах. Он входит в состав гранитов, гнейсов, песчаников. При выветривании горных пород кварц как химически стойкий минерал накапливается в россыпях, образуя кварцевые пески.

Крупные месторождения пьезооптического и ювелирного кварца известны на Урале, в Забайкалье, на Алтае, в Карелии. За рубежом значимые месторождения находятся в Бразилии, на Мадагаскаре, в Шри-Ланке, в США. В России кварцевое сырьё добывают также в Мурманской области и Приморье.

¶Применение

Благодаря сочетанию распространённости, твёрдости и пьезоэлектрических свойств кварц широко применяется:

• в электронике — как пьезоэлектрический элемент в резонаторах, генераторах, фильтрах;
• в оптике — для изготовления линз, призм, окон приборов;
• в стекольной и керамической промышленности — кварцевый песок служит сырьём для стекла и формовочных смесей;
• в строительстве — как компонент бетонов и отделочных материалов;
• в ювелирном деле — как поделочный и драгоценный камень;
• в часовой промышленности — кварцевые генераторы обеспечивают точность хода.

Кварцевое стекло, получаемое плавлением горного хрусталя, отличается высокой термостойкостью и прозрачностью в широком диапазоне спектра.

¶Значение в науке и технике

Кварц — эталонный минерал шкалы твёрдости Мооса (твёрдость 7). На его основе созданы кварцевые стандарты частоты, применяемые в метрологии. Кварцевые резонаторы обеспечивают стабильность частоты в генераторах, что критично для радиосвязи, навигации и вычислительной техники. В геологии кварц служит индикатором условий минералообразования и используется при реконструкции физико-химических параметров среды.

¶Интересные факты

• Название «кварц» происходит от немецкого Quarz, которое, вероятно, восходит к славянскому корню, связанному со словом «твёрдый».
• Кварц — второй по распространённости минерал в континентальной земной коре после полевых шпатов.
• Песок пустынь и пляжей состоит преимущественно из кварцевых зёрен.
• Пьезоэлектричество кварца открыли братья Кюри в 1880 году.

Источники: минералогические справочники, данные по кристаллографии и материаловедению, геологические обзоры месторождений кварцевого сырья.