Kvarts: SiO2-mineraal — omadused, tüübid ja kasutusalad

Kvarts — SiO2 olemus, kristallstruktuur, sordid (ametüst, roosikvarts, agat), omadused, kõvadus ja kasutusalad alates ehtekunstist kuni pooljuhtide ja optikani.

Kvarts on tektosilikaatmineraal, mis on Maa mandrilise koore suuruselt teine mineraal. Selle kristallstruktuur on räni-hapniku tetraeedritest koosnev raamistik SiO4. Iga tetraeeder jagab hapniku aatomi teise tetraeetriga, nii et üldine keemiline valem on SiO2 ehk ränidioksiid.

Kvartsi on palju erinevaid sorte, millest mõned on poolvääriskivid. Neid on pikka aega kasutatud ehteid ja kõvakivist nikerdusi valmistades. Agat, ametüst, roosikvarts on kõik kvartsivormid.

Kvartskristalle kasutatakse ostsillaatorites, näiteks kvartskellades. Räni kaevandatakse ka pooljuhtide valmistamiseks. Suurem osa liivast on väikesed kvartsitükid. Kvartsi mineraalne kõvadus on 7. (mohs'i skaala).

Sõna "kvarts" tuleneb saksa sõnast "quarz".

"Sulakvarts" on klaas, mis on valmistatud ränidioksiidist mittekristallilisel kujul. See ei sisalda muid koostisosi, mida lisatakse muule klaasile sulamistemperatuuri alandamiseks. Sulatatud ränidioksiidi töö- ja sulamistemperatuur on kõrge. Teatud eesmärkidel on sulatatud kvarts oma puhtuse tõttu parem kui muud liiki klaas. Seda klaasi kasutatakse paljudes kõrgtehnoloogilistes toodetes.

Füüsikalised ja keemilised omadused

Kvarts on keemiliselt väga stabiilne ja vastupidav enamikule hapetele (välja arvatud fluoriidhape). Mõned peamised omadused:

• Keemiline valem: SiO2.
• Kristallsüsteem: trigonaalne (alfa-kvarts) — kuigi kristallid kasvavad sageli kuusnurksete prismadena.
• Tihedus: ~2,65 g/cm³.
• Refraktiivne indeks: ligikaudu 1,544–1,553.
• Kõvadus: 7 Mohsi skaala järgi.
• Pinnalõike ja murrang: puudub selge lõhenemine; murrang on konkoiidne (kumer, sarnaselt klaasile).
• Thermodünaamika: puhta ränidioksiidi sulamistemperatuur ~1710–1725 °C; alfa → beeta faasitransformatsioon umbes 573 °C.
• Elektro-optilised omadused: kvarts on pihtoelectric ja piezoelektriline—see tähendab, et see tekitab elektripinge, kui seda mehaaniliselt koormatakse, mis on põhjus, miks kvarts sobib täpsete oskillaatorite ja andurite valmistamiseks.

Tüübid ja morfoloogiad

Kvartsi leidub väga erinevates vormides — suurtest läbipaistvatest kristallidest kuni mikrokrüstaalse massini. Olulisemad rühmad ja näited:

• Läbipaistvad kristallid: selged, hästi vormunud kuusnurksete prismadena kasvavad kristallid (nn salakristallid).
• Poolvääriskivimid ja värvitud varieteed: ametüst (violetne), roosikvarts (roosa), suitskvarts (pruunikas-hall), tsitriin (kollane), milchig (piimvalge).
• Mikrokrüstaalsed ja küttevormid: kaltsedon, akaat (kihtidega), onüks, jaspis — need koosnevad mikrokristallsest SiO2-st ja vaakumitest/inclusions, mille tõttu tekivad mitmesugused mustrid ja värvid.
• Sünteetiline kvarts ja sulakvarts: kõrge puhtusega kunstlik kvarts ja sulatatud ränidioksiid kasutatakse optikatööstuses ja pooljuhtide tootmisel.

Tekkeviisid ja leidumine

Kvarts tekib mitmesugustes geoloogilistes keskkondades:

• magmaatilises keskkonnas – pegmatites ja aluse kivimid;
• hüdrotermalsetes veenides – sageli moodustuvad suured kristallikesed ja geoodid;
• metamorfsetes kivimites – tavaliselt ränirikastes metamorfsetes kivimites;
• setetes – liiv (peamiselt kvarts) ja rannaliiv on pehmemate kivimite mehaanilise purunemise tulemuseks.

Kuna kvarts on nii keemiliselt vastupidav, ei lahustu see kergesti ja koguneb oluliselt settekivimitesse (liiv, liivakivi).

Kasutusvaldkonnad

Kvartsi laialdane levik ja head füüsikalised omadused teevad temast väga mitmekülgse materjali:

• Elektroonika: kvartsikristallid on põhikomponendid aja- ja sagedusstabiilsuse seadmetes (kvartsosillaatorid, kella- ja raadiosüsteemid).
• Pooljuhtide ja optika: kõrge puhtusega sulakvarts on asendamatu pooljuhetööstuses, optilistes komponentides, UV- ja kõrgelaske klaasides ning teleskoopide ja laboriseadmete akendes.
• Ehitusmaterjal: liiv ja liivakivi on olulised betooni ja klaasi tootmisel.
• Kristallid ja ehete tööstus: poolvääriskivid, nikerdused ja ornamentika.
• Hõõgküünlad, laboritoroid ja spetsiaalsed klaasid: sulakvarts talub kõrget temperatuuri ja termilisi šokke paremini kui tavaline klaas.
• Hõõg- ja abrasiivmaterjalid: kvartsliiv kasutatakse liivapritsis ja liivapaberis.

Tervise- ja ohutusküsimused

Kuigi kvarts ise on suhteliselt keemiliselt neutraalne, on tööstuslikult oluline oht seotud peene kristallilise ränidioksiidi tolmuga. Hõõrumisel, jahvatamisel või purustamisel tekkinud respiratoorne kvartsitolm võib põhjustada:

• silikoosi (püsiv ja progresseeruv kopsukahjustus),
• suurenenud tööõnnetuste risk ning seos teatud kopsuvähkidega.

Seetõttu rakendatakse tööstuses tolmu eraldamist, ventilatsiooni, isiklikke kaitsevahendeid ja piirnorme, et vähendada kokkupuudet.

Muutused temperatuuri mõjul ja polümorfsus

SiO2-l esineb mitmeid polümorfseid faase: kvarts on üks stabiilne vorm toatemperatuuril, kuid kõrgematel temperatuuridel võivad tekkida kolmoboloolsema struktuuriga faasid nagu tridümiit ja kristobaliit. Need faasid tekivad tavaliselt väga kõrgetel temperatuuridel või kiires jahutamises ja võivad olenevalt tingimustest muutuda tagasi kvartsiks.

Kokkuvõte

Kvarts on üks Maa koore kõige levinumaid ja mitmekülgsemaid mineraale — oluliseks nii looduslikes protsessides kui ka kõrgtehnoloogilistes rakendustes. Selle füüsikalised omadused (kõvadus, keemiline stabiilsus, piezoelektrilised omadused) ja erinevad morfoloogiad (läbipaistvatest kristallidest kuni mikrokrüstaalse kaltsedonini) selgitavad, miks kvarts on olnud ja jääb inimtegevuse jaoks väärtuslikuks materjaliks. Samas nõuab kvartsitolm tähelepanu ja kaitsemeetmeid tööohutuse huvides.

Šokeeritud kvarts

Sokk-kvarts on kvarts, mille mikroskoopiline struktuur erineb tavalisest kvartsist. Tugeva surve all (kuid piiratud temperatuuril) deformeerub kvartsi kristalliline struktuur mööda kristalli sisemisi tasandeid. Need tasapinnad ilmnevad mikroskoobi all joontena.

Löögikvartsi leidub kogu maailmas, eriti löögikraatrites ja õhukeses kriidi-paleogeeni piirikihis. See on kriidi- ja paleogeeni kivimite kokkupuutepunkt. See on täiendav tõend (lisaks iriidiumi rikastumisele), et ülemineku kahe geoloogilise perioodi vahel põhjustas suur kokkupõrge. Eugene Shoemaker avastas selle Baieri linnas Nördlingeni ehituskivides. Kivid olid pärit meteoriidikraatri šokeeritud metamorfsetest kivimitest, näiteks brektsia.

fotomikroproovi šokeeritud kvartsist

Küsimused ja vastused

K: Mis on kvarts?

K: Kust pärineb nimetus "kvarts"?

K: Millised on mõned kvartsisordid?

K: Kui kõva on kvarts?

K: Mis on sulatatud kvarts?

K: Milliste toodete jaoks saab sulatatud kvartsi kasutada?

K: Kui kaua on inimesed kasutanud erinevaid kvartsitüüpe ehete ja nikerduste valmistamiseks?

Otsing