Kvarcs — silīcija dioksīds: minerāls, īpašības un pielietojums

Atklāj kvarca (SiO2) īpašības, šķirnes un pielietojumu — no pusdārgakmeņiem un pulksteņu oscilatoriem līdz pusvadītājiem un augsto tehnoloģiju stiklam.

Kvarcs ir tektosilikātu minerāls, kas ir otrs visbiežāk sastopamais minerāls Zemes kontinentālajā garozā. Tā kristāliskā struktūra ir SiO4 silīcija-skābekļa tetraedru struktūra. Katram no tiem ir kopīgs skābekļa atoms ar citu tetraedru, tāpēc kopējā ķīmiskā formula ir SiO2 jeb silīcija dioksīds.

Ir daudz dažādu kvarca šķirņu, no kurām dažas ir pusdārgakmeņi. Tos jau izsenis izmanto juvelierizstrādājumu un cietakmens gravīru izgatavošanai. Agāts, ametists, rozā kvarcs ir kvarca veidi.

Kvarca kristālus izmanto oscilatoru, piemēram, kvarca pulksteņos. Cilvēki arī iegūst silīciju, lai izgatavotu pusvadītājus. Lielākā daļa smilšu ir mazi kvarca gabaliņi. Kvarca minerālu cietība ir 7 (Moha skala).

Vārds "kvarcs" cēlies no vācu valodas vārda "quarz".

"Kausētais kvarcs" ir stikls, kas izgatavots no silīcija dioksīda nekristāliskā formā. Tas nesatur citas sastāvdaļas, ko pievieno citam stiklam, lai pazeminātu kušanas temperatūru. Kausētajam silīcija dioksīdam ir augsta darba un kušanas temperatūra. Dažiem mērķiem kausētais kvarcs ir piemērotāks nekā citi stikla veidi, jo tas ir tīrāks. Šo stiklu izmanto vairākos augsto tehnoloģiju izstrādājumos.

Fizikālās un ķīmiskās īpašības

Kvarcs pieder pie trigonalās kristāliskās sistēmas (biežākā modificācija — α‑kvarcs). Tā raksturīgākās īpašības:

• Ķīmiskā formula: SiO2.
• Blīvums: aptuveni 2,65 g/cm³.
• Cietība: 7 pēc Moha skala.
• Griezes un šķelšanās: nav skaidras šķelšanās; raksturīga konkordālā (gliemežvāka) lūzuma virsma.
• Optiskās īpašības: caurspīdīgs līdz caurspīdīgs, atkarībā no iekļaujumiem un struktūras; lieliska gaismas caurlaidība, it īpaši tīrā kausētā formā.
• Piezoelektriskums un pjezoelektriskā rezonanse: kvarcam nav centra simetrijas, tāpēc tam ir piezoelektriskas īpašības — spēja pārvērst mehānisko spiedienu elektriskā spriegumā un otrādi, kas ir pamatā daudziem rezonatoriem un sensoriem.

Polimorfisms un augstas spiediena formas

Silīcija dioksīds pastāv vairākās kristāliskās modifikācijās atkarībā no temperatūras un spiediena. Papildus parastajam kvarcam (α- un β‑kvarcs) pastāv arī tridimīts, kristobalīts un augsta spiediena formas kā coesīts un stishovīts. Dažas no šīm formām veidojas vulkāniskos vai meteoritiskos apstākļos un pētījumiem par Zemes iekšējo dinamiku.

Dažādi kvarca veidi un krāsojums

Kvarca daudzveidību nosaka iekļaujumos esošas vielas, apstākļi, kādā kristāls veidojies, un mikrostruktūra. Par populārākajiem variantiem:

• Ametists: violets kvarcs, krāsu nosaka dzelzs piemaisījumi un starojums. (ametists)
• Citrīns: dzeltenīgs līdz oranžs kvarcs, bieži dabīgs vai termiski apstrādāts ametists.
• Rozā kvarcs: rozā toņi, ko rada dažādi iekļājumi (piem., titāns vai mangāns). (rozā kvarcs)
• Smoky (dūmainais) kvarcs: brūns līdz melns, ko izraisa starojuma iedarbība uz dzelzs piemaisījumiem.
• Milchīgs (piena) kvarcs: matēts, necaurspīdīgs, satur gaisa un šķidruma iekļaujumus.
• Agāts, ahāts, kalcedons: mikrokrystalliskas kvarca formas ar svītrām vai joslām; bieži izmanto rotās. (Agāts)
• Jaspers, onikss u.c.: krāsainas, blīvas kvarca formas ar dažādu izmantošanu rotās un mākslā.

Veidošanās un izplatība

Kvarcs veidojas plašā ģeoloģisku apstākļu spektrā:

• Magmatiskajās iežos — granitos, pegmatītos.
• Metamorfajos iežos — gneisa, šītas formās.
• Sedimentāros iežos — kvarca smilts veidojas kiešās un smilšakmens veidošanā.
• Hidrotermālajās dzīslās — bieži veido masīvus un lielus kristālus, kas ir vērtīgi gemoloģijā.

Lielākā daļa sauszemes smilšu un pludmales smilšu satur lielu daudzumu kvarca gabaliņu, jo kvarcs ir izturīgs pret ķīmisku un fizikālu noārdīšanos.

Pielietojums

Kvarca plašais pielietojums izriet no tā ķīmiskā noturības, optisko un pjezoelektrisko īpašību kombinācijas:

• Elektronika: kvarca oscilatori un rezonatori pulksteņos, tālruņos, radioierīcēs; SAW (surface acoustic wave) ierīces; sensori.
• Pusvadītāju rūpniecība: no kvarca iegūst silīciju, kas pēc tīrīšanas un kristalizācijas tiek lietots mikroshēmu un saules elementu ražošanā. (silīciju, pusvadītājus)
• Optika un fotonika: kausētais kvarcs (fused silica) tiek lietots optiskajās lēcās, logiem, UV caurspīdīgiem elementiem, laboratorijas traukiem un optiskajām šķiedrām.
• Stikls un augsttemperatūras iekārtas: kausētais kvarcs un tīrais SiO2 izmantošanai, kur nepieciešama augsta darba temperatūra un ķīmiska tīrība. (stikls, kas izgatavots no silīcija dioksīda)
• Celtniecība un rūpniecība: smiltis liekšķaldēs, betona sastāvos, smilšstrūklām, abrazīviem un profilēšanas materiāliem.
• Juvelierizstrādājumi un dekoratīvie lietojumi: agāts, ametists, rozā kvarcs u.c. kā dārgakmeņi un dekoratīvi elementi. (juvelierizstrādājumu)

Ražošana un apstrāde

Komercmērķiem kvarcu apstrādā dažādos veidos:

• Polikristālisks un sintētisks kvarcs: sintētisko kvarcu audzē hidrotermālā procesā, lai iegūtu ļoti tīrus kristālus elektronikai.
• Metodikas silīcija iegūšanai: rūpnieciskā ceļā silīciju iegūst no kvarca ar redukcijas procesiem (piem., carbothermiskā redukcija), pēc tam attīrot līdz nepieciešamajai tīrības pakāpei (polysilicon) un kristalizējot (Czochralski u.c.) mikroelektronikai.
• Kausētais kvarcs (fused silica): ražo, izkausējot un reģenerējot SiO2, vai arī sintezējot no SiCl4 hidroloģiskās oksidācijas ceļā; tiek izmantots tad, kad nepieciešama īpaši augsta tīrība un optiskā caurlaidība.

Veselība un drošība

Smalks kvarca (kvēpu) puteklis, kas rodas griešanas, slīpēšanas vai urbšanas laikā, var izraisīt hronisku plaušu slimību — silikozes — ja tiek ilgstoši ieelpots. Tāpēc rūpnieciskās apkārtēs jāievēro drošības pasākumi: respiratori, ventilācija un putekļu slāpēšana.

Nobeigums

Kvarcs ir universāls un daudzpusīgs minerāls — no ikdienišķajām smiltīm līdz augsto tehnoloģiju komponentiem. Tā stabilitāte, optiskās un pjezoelektriskās īpašības padara to neaizstājamu gan rūpniecībā, gan zinātnē, gan mākslā.

Satriekts kvarcs

Šokveida kvarcs ir kvarca paveids, kura mikroskopiskā struktūra atšķiras no parastā kvarca. Spēcīgā spiedienā (bet ierobežotā temperatūrā) kvarca kristāliskā struktūra tiek deformēta pa kristāla iekšējām plaknēm. Šīs plaknes mikroskopā redzamas kā līnijas.

Triecienveida kvarcs ir sastopams visā pasaulē, īpaši trieciena krāteros un plānajā krīta un paleogēna robežslānī. Tas ir saskarē starp krīta un paleogēna iežiem. Tas ir vēl viens pierādījums (papildus iridija bagātināšanai), ka pāreju starp abiem ģeoloģiskajiem periodiem izraisīja liels trieciens. Eugene Shoemaker to atklāja celtniecības akmeņos Bavārijas pilsētā Nördlingen. Akmeņi bija no meteora krātera satricinātiem metamorfiem iežiem, piemēram, brekcijas.

šokēta kvarca fotomikrogrāfija

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir kvarcs?

J: No kurienes cēlies nosaukums "kvarcs"?

J: Kādas ir dažas kvarca šķirnes?

J: Cik ciets ir kvarcs?

J: Kas ir kausētais kvarcs?

J: Kādiem izstrādājumiem var izmantot kausētu kvarcu?

J: Cik ilgi cilvēki izmanto dažādus kvarca veidus rotaslietām un grebumiem?

Meklēt pēc burta