Кіріспе

Кварц – кремний мен оттегіден тұратын минерал. Кварц – кремний қышқылынан (кремний диоксиді) құралған, қатты, кристалды минерал. Атомдар SiO4 кремний-оттегі тетраэдрінің үздіксіз тізбегімен байланысқан, әрбір оттегі екі тетраэдр арасында ортақ болады, нәтижесінде SiO2 жалпы химиялық формуласы пайда болады. Сондықтан кварц құрылымдық жағынан каркас силикат минералы, ал құрамы бойынша оксид минералы ретінде жіктеледі. Кварц – Жердің құрлықтық қабығындағы екінші ең көп кездесетін минерал, дала шпаттарынан кейін. Кварц екі түрде кездеседі: қалыпты α-кварц және жоғары температуралы β-кварц, екеуі де хиралды. α-кварцтан β-кварцқа өту кенеттен жүзеге асады. Өйткені бұл өтуге айтарлықтай көлем өзгерісі сүйемелдейді, ол бұл температуралық шектен өтетін керамиканың немесе тау жыныстарының микрожарықтарын тудыруы мүмкін. Кварцтың көптеген түрлері бар, олардың кейбіреулері бағалы тастарға жатады. Көне заманнан бері кварцтың түрлері, әсіресе Еуропа мен Азияда, зергерлік бұйымдар мен қатты тастан жасалған өнер туындыларын жасауда ең көп қолданылатын минералдар болып табылады. Кварц – материалдың сызатқа төзімділігін анықтауға арналған сапалық әдіс – Мосс шкаласы бойынша 7 қаттылық дәрежесін анықтайтын минерал.

Этимология

"Кварц" сөзі неміс тіліндегі Quarz сөзінен шыққан, ол 14 ғасырдың бірінші жартысында Орта және Шығыс Орта Германия тілдерінде де осы формада болған. Бұл сөз поляк диалектісіндегі kwardy сөзінен, ал ол чех тіліндегі tvrdý ("қатты") сөзімен сәйкес келеді. Дегенмен, кейбір дереккөздер сөздің шығу тегін сакс тіліндегі Querkluftertz сөзімен байланыстырады, яғни "көлденең талшықты кен" деген мағынаны білдіреді. Көне гректер кварцты κρύσταλλος (krustallos) деп атаған, бұл сөз көне грек тіліндегі κρύος (kruos) сөзінен ("мұзды суық") шыққан, себебі кейбір философтар (Теофраст сияқты) бұл минералды суытылған мұздың бір түрі деп санаған. Бүгінде "тас кристаллы" термині кейде мөлдір, ірі кристалды кварцты атау үшін қолданылады.

Алғашқы зерттеулер

Римдік табиғат зерттеушісі Плиний Үлкен кварцты ұзақ уақыт бойы мұздаған су деп ойлаған. Ол бұл пікірін Альп тауларындағы мұздықтардың жанында кварц кездесетінімен, бірақ жанартау тауларында жоқ екенімен түсіндірген, сондай-ақ үлкен кварц кристалдарынан қолды салқындатуға арналған шарлар жасалғанын айтқан. Бұл идея кем дегенде 17 ғасырға дейін сақталды. Ол кварцтың жарықты спектрге жіктеу қабілетін де білген. 17 ғасырда Николас Стеноның кварцты зерттеуі қазіргі кристаллографияның дамуына жол ашты. Ол кварц кристалдарының мөлшері мен пішініне қарамастан, олардың ұзын призмалық жақтары әрқашан 60° бұрышпен қосылатынын анықтады.

Кристаллдың әдеті мен құрылымы

Кварц бөлме температурасында тригональды кристалл жүйесіне, ал жоғары температурада гексагональды кристалл жүйесіне жатады. Идеалды кристалл пішіні – алты жақты призма, екі басында алты жақты пирамида тәрізді ромбоэдрлермен аяқталған. Табиғатта кварц кристалдары көбінесе қосарланып (оң және сол жақ кварц кристалдарынан тұратын), бұрмаланып немесе кварцтың немесе басқа минералдардың жақын орналасқан кристалдарымен бірігіп, осы пішіннің тек бір бөлігін көрсетіп, немесе мүлдем анық кристалл жақтарынсыз, массивті болып көрінеді. Жақсы қалыптасқан кристалдар әдетте дрюс түрінде (бос кеңістіктің ішінде кристаллдардың қабаты) пайда болады, кварц геодтары осыған ең жақсы мысалдар. Кристаллдар бір жағынан қоршаған тау жынысына бекітіледі және бір ғана аяқталу пирамидасы болады. Дегенмен, екі ұшты кристалдар да кездеседі, олар тіркелмей еркін дамыған жерлерде, мысалы, гипстің ішінде өседі. α кварц тригональды кристалл жүйесінде, P3121 немесе P3221 кеңістіктік тобында (сәйкесінше 152 немесе 154 кеңістіктік тобы) кристалданады, бұл хиралдылыққа байланысты. Жоғары температурада P3121 кеңістіктік тобындағы α кварц симметриялы алты бұрышты P6422 (181 кеңістіктік тобына) айналады, ал P3221 кеңістіктік тобындағы α кварц P6222 (180 нөмірі) кеңістіктік тобына өтеді. Бұл кеңістіктік топтар шынайы хиралды (олардың әрқайсысы 11 энантиоморфтық жұпқа жатады). α кварц және β кварц – ахиральды құрылымдық элементтерден (осы жағдайда SiO4 тетраэдрлерінен) тұратын хиральды кристалл құрылымдарының мысалдары. α және β кварц арасындағы трансформация тетраэдрлердің бір-біріне қатысты салыстырмалы түрде аз бұрылуын қамтиды, олардың байланысу әдісі өзгермейді. Алайда, бұл ауысу кезінде көлемде айтарлықтай өзгеріс болады, бұл керамикада және Жер қыртысының тау жыныстарында микрожарықтардың пайда болуына әкелуі мүмкін.

Түрлері (микроқұрылысына қарай)

Басқа көптеген сорттық атаулар тарихи түрде минералдың түсіне байланысты туындаса да, қазіргі ғылыми жіктеу жүйелері минералдың микроқұрылымын негізге алады. Түс криптокристаллдық минералдар үшін екіншілік белгі, ал макрокристаллдық сорттары үшін – басты белгі болып табылады. + Кварцтың негізгі түрлері Түрі Түсі мен сипаттамасы Мөлдірлігі Геркимер алмазы Түссіз Мөлдір Тау кристаллы Түссіз Мөлдір Аметист Көгілдірден күлгінге дейінгі кварц Мөлдір Цитрин Сары кварц, қызғылт-сарыдан қоңырға дейін (Мадера кварцы), кейде жасыл сары Мөлдір Аметрин Көгілдір/күлгін және сары немесе қоңыр/сары түстердің қоспасынан тұратын аметист пен цитриннің араласуы Мөлдір Роза кварцы Қызғылт, диастеризмді көрсетуі мүмкін Мөлдір Халцедон Талшықты, әртүрлі мөлдірліктегі, криптокристаллдық кварц, көптеген сорттарда кездеседі. Бұл термин көбінесе моганитпен біріккен ақ, бұлтты немесе ашық түсті материалды сипаттау үшін қолданылады. Басқа жағдайда, нақтырақ атаулар қолданылады. Карнель Қызыл-сары халцедон Жартылай мөлдір Авантюрин Шағын тізбектелген инклюзиялары (әдетте слюда) бар кварц, авантюресценциямен жылтылдайды Жартылай мөлдірден мөлдірсіз Агат Көп түсті, иінді немесе концентрлі жолақты халцедон (салыстырыңыз: Күлтегін) Жартылай мөлдірден мөлдірге дейін Күлтегін Көп түсті, тік жолақты халцедон немесе херт (салыстырыңыз: Агат) Жартылай мөлдірден мөлдірсіз Жаспер Күлгін криптокристаллдық кварц, әдетте қызылдан қоңырға дейін, бірақ басқа түстер үшін де қолданылады. Мөлдірсіз Сүтті кварц Ақ, диастеризмді көрсетуі мүмкін Жартылай мөлдірден мөлдірсіз Түтінді кварц Ашықтан қою сұрға дейін, кейде қоңыр реңімен Мөлдірсіз Жолбарыс көзі Талшықты алтын, қызыл-қоңыр немесе көкшіл түсті халцедон, шатояндық көрсетеді. Празиолит Жасыл Мөлдір Рутилді кварц Рутилдің ине тәрізді инклюзияларын қамтиды Мөлдір Дюмортьерит кварцы Көк дюмортьерит кристалдарының көп мөлшерін қамтиды Жартылай мөлдір Праза Жасыл Жартылай мөлдір

Түрлері (түсіне қарай)

Таза кварц, дәстүрлі түрде тау кристалдары немесе мөлдір кварц деп аталады, түссіз және мөлдір немесе жартылай мөлдір болып келеді және көбінесе Лотхайр кристалы сияқты қатты тастан жасалған өрнектерге пайдаланылады. Көп таралған түрлі түстеріне цитрин, раушан кварцы, аметист, түтін кварцы, сүттей кварц және басқалары жатады. Бұл түстердің айырмашылығы молекулалық орбитальдарды өзгертетін қоспалардың болуынан туындайды, бұл көзге көрінетін спектрде электрондық ауысуларға себеп болып, түстердің пайда болуына әкеледі. Кварц түрлерінің арасындағы ең маңызды айырмашылық – макрокристалл (жеке кристалдар қанағаттандыратын көзбен көрінетін) және микрокристалл немесе криптокристалл түрлері (жоғары ұлғайтуда ғана көрінетін кристалдардың жиынтығы). Криптокристалл түрлері мөлдір немесе көбінесе мөлдірсіз, ал мөлдір түрлері көбінесе макрокристалл болып табылады. Халцедон – кварц пен оның моноклинді полиморфы моганиттің ұсақ араласуынан тұратын кремнеземнің криптокристалл түрі. Кварцтың басқа мөлдір емес әшекей тас түрлері немесе кварцтан тұратын аралас тау жыныстары, көбінесе контрастты жолақтар немесе түстердің өрнектері бар, мысалы, агат, карнелиан немесе сард, оникс, гелиотроп және жасмық.

Аметист

Аметист – кварцтың бір түрі, түсі жарық, көрікті қою лаванды түстен қара немесе күңгірт лаванды түске дейін өзгереді. Әлемдегі ең ірі аметист кен орындары Бразилия, Мексика, Уругвай, Ресей, Франция, Намибия және Мароккода табылған. Кейде аметист пен цитрин бір кристалда бірігіп өседі, мұндай кезде ол аметрин деп аталады. Аметистің түсі оның құрамындағы темірдің шағын мөлшерінен пайда болады.

Көк кварц

Көк кварцта талшықты магнезий рибеккиті немесе кроцидолит кірінділері болады.

Дюмортиерит кварцы

Кварц бөлшектеріндегі думортиерит минералының қосылыстары көк түсті, жібектей көрінетін дақтарға себеп болады. Көбінесе күлгін немесе сұр түстер де кездеседі. "Думортиерит кварцы" (кейде "көк кварц" деп аталады) материалдың ішінде ақ және қара түстің контрастты аймақтарын көрсетуі мүмкін. "Көк кварц" - сирек кездесетін әшекей тас.

Цитрин

Цитрин – кварцтың бір түрі, оның түсі коллоидты темір гидроксидінің өте ұсақ таралуынан ақшыл сарыдан қоңырға дейін өзгереді. Табиғи цитрин сирек кездеседі, ал саудадағы цитриннің көп бөлігі қыздырылған аметист немесе түтінді кварцтан жасалады. Дегенмен, қыздырылған аметисте кристалл ішінде жұқа сызықтар болады, ал табиғи цитрин бұлтты немесе түтінді көрінеді. Цитриннің кесілген түрі мен сары топазды көзге қарап ажырату қиын, бірақ олардың қаттылығымен ерекшеленеді. Бразилия цитрин өндіруші елдердің ішінде бірінші орында тұрады, оның көп бөлігі Рио-Гранде-ду-Сул штатынан шығады. Бұл атау латын тіліндегі "сары" деген мағына беретін "citrina" сөзінен алынған, сонымен қатар "лимон" сөзінің де түбірі болып табылады. Кейде цитрин мен аметист бір кристалда табылып, оны аметрин деп атайды. Цитринге "саудагер тасы" немесе "ақша тасы" деген есім берілген, себебі оның өркендеуге көмектесетініне сенген. Цитрин алғаш рет Грецияда б.з.д. 300-150 жылдар аралығында, эллинистік дәуірде алтын сары әшекей тас ретінде бағаланды. Одан бұрын сары кварцтан әшекей және тұрмыстық заттар жасалған, бірақ ол аса жоғары бағаланбаған.

Сүт кварцы

Сүт кварцы немесе сүтті кварц – кристалдық кварцтың ең көп таралған түрі. Ақ түсі кристалл пайда болған кезде ішке қапталған газ, сұйық немесе олардың қосындысының кішкентай сұйықтық кірігіштерінен туындайды, сондықтан ол оптикалық және жоғары сапалы әшекей тастарда қолдануға қолайлы емес.

Роза кварцы

Роза кварц – кварцтың бір түрі, ақшыл қызғылттан қызғылт қызыл түске дейін боялған. Түсі көбінесе материалдағы титан, темір немесе марганецтың шамалы мөлшерімен байланысты деп саналады. Кейбір роза кварцтардың құрамында микроскопиялық рутил инелері болады, олар жарық өткен кезде астеризм құбылысын тудырады. Жақында жүргізілген рентгендік сәулелердің дифракциясы зерттеулері түстің кварцтың ішіндегі, мүмкін думортиериттің жұқа микроскопиялық талшықтарынан пайда болатынын көрсетті. Сонымен қатар, сирек кездесетін қызғылт кварцтың түрі де бар (көбінесе кристалды роза кварц деп аталады), оның түсі фосфат немесе алюминийдің шамалы мөлшерінен туындайды деп есептеледі. Кристаллдардағы түс жарыққа сезімтал және солғануға бейім. Алғашқы кристалдар АҚШ-тың Мэн штатындағы Рамфорд маңында және Бразилияның Минас-Жерайс штатында табылған пегматитте кездесті. Табылған кристалдар, темір мен микроскопиялық думортиерит талшықтарынан құралған роза кварцтан айырмашылығы, фосфат пен алюминийдің қоспаларының арқасында көбірек мөлдір және жақсы пішінделген.

Түтіндік кварц

Түтін кварцы – кварцтың күлгін сұр, жартылай мөлдір түрі. Оның мөлдірлігі толық мөлдірден бастап, дерлік көрінбейтін қоңыр сұр кристалдарға дейін өзгереді. Кейбіреулері қара болуы да мүмкін. Бұл жартылай мөлдірлік кристалдық құрылымдағы алюминийдің ұсақ мөлшеріне табиғи сәулеленудің әсерінен пайда болады.

Жақсылық

Праз – кварцтың жасыл түрі. Жасыл түсі амфиболдың кірігіп қалуынан туындайды.

Празиолит

Празиолит, сондай-ақ вермарин деп те аталады, – жасыл түсті кварцтың бір түрі. Жасыл түсі темір иондарының әсерінен пайда болады. Кварцтың пьезоэлектрлік қасиеттерін 1880 жылы Жак және Пьер Кюри ашқан.

Пайда болуы

Кварц гранит пен басқа да фелсикалық магмалық жыныстардың маңызды құрамдас бөлігі болып табылады. Ол құмтастар мен тақталы тастар сияқты шөгінді жыныстарда кеңінен таралған. Кварц шиста, гнейсте, кварцитте және басқа метаморфтық жыныстарда да жиі кездеседі. Голдих еріту тізбегінде кварцтың ыдырауға бейімділігі ең төмен, сондықтан ол өзен шөгінділері мен қалдық топырақтарда қалдық минерал ретінде көптеп кездеседі. Әдетте, кварцтың көп мөлшерде болуы тау жынысының "жетілгенін" көрсетеді, себебі ол тау жынысының қайта өңделгенін және кварцтың ауыр сыртқы факторларға төтеп берген басты минерал болғанын білдіреді. Кварцтың көп бөлігі балқыған магмадан кристалдасса, сонымен қатар ыстық гидротермальдық тамырлардан химиялық тұрғыдан шөгінді түрінде, кейде алтын, күміс және мыс сияқты кен минералдарымен бірге пайда болады. Кварцтың ірі кристалдары магмалық пегматиттерде табылады. Жақсы қалыптасқан кристалдары бірнеше метрге дейін жете алады және жүздеген килограмм салмаққа ие болуы мүмкін. Кварцтың ең ірі жеке кристаллы Бразилияның Гойас штатындағы Итапоре маңынан табылған; оның өлшемдері шамамен және салмағы астам.

Тау-кен өндірісі

Кварц ашық карьерлерден өндіріледі. Кеншілер кварцтың терең қалталарын ашу үшін кейде жарылғыш заттар қолданады. Көбінесе бульдозерлер мен экскаваторлар топырақ пен сазды алып тастап, кварц тамырларын ашыққа шығарады, олар кейін қол құралдарымен өңделеді. Кристаллдардың зақымдануына әкелуі мүмкін кенеттен температура өзгерістерінен сақтану қажет.

Сілті минералдар

Тридимит пен кристобалит – жоғары қышқылдық жанартаулық жыныстарда кездесетін SiO2-нің жоғары температуралық полиморфтары. Коэзит – кейбір метеориттердің соқтығысқан жерлерінде және Жер қыртысының қалыпты қысымынан артық қысымда түзілген метаморфтық жыныстарда табылатын SiO2-нің тығыз полиморфы. Стишовит – одан да тығыз және жоғары қысымдағы SiO2 полиморфы, ол кейбір метеориттердің соқтығысқан жерлерінде кездеседі. Моганит – моноклинді полиморф. Лехателиерит – кварц құмына шағынмен түскенде пайда болатын аморфты кремний шынысы SiO2.

Қауіпсіздік

Кварц – кремний қышқылының бір түрі болғандықтан, ол әртүрлі жұмыс орындарында мазасыздық тудыруы мүмкін. Табиғи және жасалған тас өнімдерін кесу, ұсақтау, қабыршақтау, тегістеу, бұрғылау және жылтырату кезінде ауаға жұмысшылардың тыныс алған кезде зиянды деңгейде өте ұсақ, кристалды кремний шаң бөлшектері таралуы мүмкін. Тыныс алуға қабілетті мөлшердегі кристалды кремний – адамға қатерлі ісік тудыратын зат ретінде танылған және силикоз бен өкпе фиброзы сияқты өкпе ауруларына әкелуі мүмкін.

Синтетикалық және жасанды өңдеулер

Кварцтың барлық түрлері табиғи түрде кездеспейді. Кейбір мөлдір кварц кристалдарын жылу немесе гамма сәулелендіру арқылы өңдеуге болады, бұл олар табиғатта пайда болмайтын түстерге ие болуына себеп болады. Мұндай өңдеуге осалдық кварц қандай жерден қазылғандығына байланысты. Зәйтүн түсті празиолит жылумен өңдеу арқылы жасалады, бірақ табиғи празиолит Польшаның Төменгі Силезиясында да кездеседі. Цитрин табиғи түрде де кездеседі, алайда оның көп бөлігі аметист немесе түтінді кварцты жылумен өңдеу нәтижесінде алынады. Табиғи кварц көбінесе қос кристалды болып келеді, сондықтан өнеркәсіпте қолдану үшін синтетикалық кварц жасалады. Ірі, кемшіліксіз, жалғыз кристалдар гидротермиялық әдіс арқылы автоклавта синтезделеді. Басқа да кристалдар сияқты, кварцты металл буларымен қаптау арқылы оған тартымды жылтыр беруге болады.

Қолданылуы

Кварц – Австралия аборигендері мифологиясында мистикалық мабан зат ретінде танылған ең көп таралған материал. Ол Еуропада, мысалы, Ирландиядағы Ньюгрейндж немесе Карроумор зираттарында жерлеу контекстінде жиі кездеседі. Кварц сонымен қатар тас құралдар жасау үшін, Ирландияда да, көптеген басқа елдерде де пайдаланылған; тамыр кварцы мен тау кристалдары лит технологиясының бір бөлігі ретінде кесілген. Шығыс Азия мен Колумбтан бұрынғы Америкада нефрит ежелгі заманнан бері ою-өрнек үшін ең бағалы жартылай асыл тас болса, Еуропа мен Таяу Шығыста кварцтың түрлі түрлері әртүрлі зергерлік бұйымдар мен қатты тастан жасалған өнер туындылары үшін, соның ішінде гравировкаланған асыл тастар мен камео, тау кристаллы вазалар және сәнді ыдыстар жасау үшін ең көп қолданылған. Бұл дәстүр 19 ғасырдың ортасына дейін өте жоғары бағаланған заттар жасауды жалғастырды, бірақ зергерлік бұйымдардан басқа сәннен шықты. Камео техникасы оникс және басқа да сорттардың түсті жолақтарын пайдаланады. Кварцты синтездеу әрекеттері 19 ғасырдың ортасында ғалымдар минералдарды зертхана жағдайында, табиғатта пайда болу жағдайларын имитациялап жасауға тырысқанда басталды: неміс геологы Карл Эмиль фон Шафхаутл (1803–1890) 1845 жылы қысымды қазанда микроскопиялық кварц кристалдарын жасап, кварцты синтездеген алғашқы адам болды. Дегенмен, осы ерте әрекеттердің нәтижесінде алынған кристалдардың сапасы мен мөлшері нашар болды. Элементтік қоспалардың болуы кварцты өңдеу және пайдалану мүмкіндігіне күшті әсер етеді. Жартылай өткізгіш өнеркәсібінде кремний пластиналарын өсіру үшін қолданылатын, өте таза табиғи кварц кристалдары қымбат және сирек. Бұл жоғары тазалықтағы кварц 50 ppm-ден кем қоспа элементтері бар деп анықталады. Жоғары тазалықтағы кварцты өндірудің маңызды орны – Солтүстік Каролина штатының Спраус Пайн қаласындағы Спраус Пайн Gem Mine. Испанияның Астурия аймағындағы Кальдовейро шыңынан да кварцды табуға болады. 1930 жылдарға қарай электроника өнеркәсібі кварц кристалдарына тәуелді болды. Жарамды кристалдардың жалғыз көзі Бразилия болды; алайда, Екінші дүниежүзілік соғыс Бразилиядан жабдықтауды тоқтатты, сондықтан елдер кварцты коммерциялық масштабта синтездеуге тырысты. Неміс минералогы Рихард Наккен (1884–1971) 1930-1940 жылдары бірқатар жетістіктерге қол жеткізді. Соғыстан кейін көптеген зертханалар үлкен кварц кристалдарын өсіруге тырысты. АҚШ-та АҚШ Армиясының Сигнал корпусы Кливленд, Огайо штатындағы Brush Development Company компаниясымен Наккеннің әдісін негізге алған синтездік кристалдар жасау үшін келісімшарт жасады. (Екінші дүниежүзілік соғысқа дейін Brush Development пластинка ойнатқыштар үшін пьезоэлектрлік кристалдар өндірген.) 1948 жылға қарай Brush Development 3,8 см диаметріндегі кристалдарды өсірді, сол кездегі ең ірі кристалдар осы болды. 1950 жылдарға қарай гидротермальдық синтез әдістері синтетикалық кварц кристалдарын өндірістік деңгейде өндіруге мүмкіндік берді, және бүгінгі таңда қазіргі электроника өнеркәсібінде қолданылатын барлық кварц кристалдары синтетикалық. Джордж Вашингтон Пирс 1923 жылы кварц кристалл осцилляторларын жобалап, патент алды. Кварц сағаты – минералды пайдаланатын танымал құрылғы. Уоррен Марисон 1927 жылы Кейди мен Пирстің жұмысына негізделген алғашқы кварц осцилляторлық сағатты жасады. Кварц кристалл осцилляторларының резонанстық жиілігі механикалық жүктеме арқылы өзгереді, және бұл принцип кварц кристалл микросалмағындағы өте кішкентай массалық өзгерістерді және жұқа пленка қалыңдығын бақылау үшін қолданылады. Кварц кристалдарының (негізінен электроникада қолданылатын) барлық өнеркәсіптік сұранысы гидротермальдық процесспен өндірілетін синтетикалық кварцпен қанағаттандырылады. Алайда, синтетикалық кристалдар асыл тастар ретінде бағаланбайды. Кристаллмен емдеудің танымалдылығы табиғи кварц кристалдарына сұранысты арттырды, олар қазір дамып келе жатқан елдерде қарапайым қазба әдістерін қолдана отырып, кейде бала еңбегін пайдалана отырып өндіріледі.