Quarz

Quarz ist typischerweise ungiftig, es sei denn, es liegt in Pulverform vor. Langfristige Exposition gegenüber fein gemahlenem Pulver kann zu Silikose führen. Daher ist es wichtig, beim Schneiden oder Polieren von Quarz eine Staubmaske zu tragen, um das Einatmen des Staubs zu vermeiden.

Reiner Quarz, traditionell Bergkristall oder klarer Quarz genannt, ist farblos und transparent oder durchscheinend und wurde häufig für Hartsteinschnitzereien wie den Lothair-Kristall verwendet. Übliche farbige Sorten sind Citrin, Rosenquarz, Amethyst, Rauchquarz, Milchquarz und andere. Diese Farbdifferenzierungen entstehen durch das Vorhandensein von Verunreinigungen, die die Molekülorbitale verändern und dazu führen, dass im sichtbaren Spektrum einige elektronische Übergänge stattfinden, die Farben verursachen. Polymorphe von Quarz umfassen: α-Quarz (niedrig), β-Quarz, Tridymit, Moganit, Cristobalit, Coesit und Stishovit.

Die wichtigste Unterscheidung zwischen Quarzarten ist die von makrokristallinen (einzelne Kristalle, die mit bloßem Auge sichtbar sind) und mikrokristallinen oder kryptokristallinen Sorten (Aggregate von Kristallen, die nur bei starker Vergrößerung sichtbar sind). Die kryptokristallinen Sorten sind entweder durchscheinend oder größtenteils undurchsichtig, während die transparenten Sorten dazu neigen, makrokristallin zu sein. Chalcedon ist eine kryptokristalline Form von Kieselsäure, die aus feinen Verwachsungen beider Quarze und ihres monoklinen polymorphen Moganits besteht. Andere undurchsichtige Edelsteinsorten von Quarz oder gemischte Gesteine, einschließlich Quarz, häufig mit kontrastierenden Bändern oder Farbmustern, sind Achat, Karneol oder Sard, Onyx, Heliotrop und Jaspis.

Quartz haben piezoelektrische Eigenschaften; Sie entwickeln ein elektrisches Potential bei Anwendung mechanischer Beanspruchung. Eine frühe Verwendung dieser Eigenschaft von Quarzkristallen war in Phonographen-Tonabnehmern.

Quartz ist ein bestimmender Bestandteil von Granit und anderen felsischen magmatischen Gesteinen. Es ist sehr häufig in Sedimentgesteinen wie Sandstein und Schiefer. Es ist ein häufiger Bestandteil von Schiefer, Gneis, Quarzit und anderen metamorphen Gesteinen. Quarz hat das geringste Verwitterungspotential in der Goldich-Auflösungsreihe und ist daher als Restmineral in Flusssedimenten und Restböden sehr häufig. Im Allgemeinen deutet eine hohe Quarzpräsenz auf ein "reifes" Gestein hin, da dies darauf hinweist, dass das Gestein stark überarbeitet wurde und Quarz das Hauptmineral war, das starker Verwitterung standhielt. Während der Großteil des Quarzes aus geschmolzenem Magma kristallisiert, fällt Quarz auch chemisch aus heißen hydrothermalen Adern als Gangart aus, manchmal mit Erzmineralien wie Gold, Silber und Kupfer. In magmatischen Pegmatiten finden sich große Quarzkristalle. Gut geformte Kristalle können mehrere Meter lang werden und Hunderte von Kilogramm wiegen. Natürlich vorkommende Quarzkristalle von extrem hoher Reinheit, die für die Tiegel und andere Geräte erforderlich sind, die zum Züchten von Siliziumwafern in der Halbleiterindustrie verwendet werden, sind teuer und selten. Ein wichtiger Abbauort für hochreinen Quarz ist die Spruce Pine Gem Mine in Spruce Pine, North Carolina, USA. Quarz kann auch in Caldoveiro Peak in Asturien, Spanien gefunden werden. Der größte dokumentierte Quarz-Einkristall wurde in der Nähe von Itapore, Goiaz, Brasilien, gefunden. es maß ungefähr 6,1 × 1,5 × 1,5 m und wog 39.916 kg.

Quartz gehört zum trigonalen Kristallsystem. Die ideale Kristallform ist ein sechsseitiges Prisma, das an jedem Ende mit sechsseitigen Pyramiden endet. In der Natur sind Quarzkristalle häufig Zwillinge (mit zwei rechts- und linkshändigen Quarzkristallen), verzerrt oder so mit benachbarten Quarzkristallen oder anderen Mineralien verwachsen, dass sie nur einen Teil dieser Form aufweisen oder keine offensichtlichen Kristallflächen aufweisen und erscheinen massiv. Gut geformte Kristalle bilden sich typischerweise in einem "Bett", das ungehindert zu einem Hohlraum wächst. normalerweise sind die Kristalle am anderen Ende an eine Matrix gebunden, und es ist nur eine Abschlusspyramide vorhanden. Doppelt terminierte Kristalle treten jedoch dort auf, wo sie sich frei entwickeln, ohne sich zu binden, beispielsweise innerhalb von Gips. Eine Quarzgeode ist eine solche Situation, in der der Hohlraum ungefähr kugelförmig ist und mit einem nach innen zeigenden Kristallbett ausgekleidet ist. α-Quarz kristallisiert je nach Chiralität im trigonalen Kristallsystem, Raumgruppe P3121 oder P3221. β-Quarz gehört zum hexagonalen System, Raumgruppe P6222 bzw. P6422. Diese Raumgruppen sind wirklich chiral (sie gehören jeweils zu den 11 enantiomorphen Paaren). Sowohl α-Quarz als auch β-Quarz sind Beispiele für chirale Kristallstrukturen aus achiralen Bausteinen (im vorliegenden Fall SiO4-Tetraeder). Die Umwandlung zwischen α- und β-Quarz beinhaltet nur eine vergleichsweise geringe Drehung der Tetraeder zueinander, ohne dass sich die Art und Weise ändert, in der sie miteinander verbunden sind.

Eine der häufigsten piezoelektrischen Anwendungen von Quarz ist heute der Kristalloszillator. Die Quarzuhr ist ein bekanntes Gerät, das das Mineral verwendet. Die Resonanzfrequenz eines Quarzkristalloszillators wird durch mechanisches Laden geändert, und dieses Prinzip wird für sehr genaue Messungen sehr kleiner Massenänderungen in der Quarzkristall-Mikrowaage und in Dünnschichtdickenmonitoren verwendet.

Quarz gilt als der Geburtsstein für die im April Geborenen und ist seit 1967 das Staatswappen von Arkansas. Traditionell behaupteten die Japaner, dass Quarz Reinheit und unendlichen Raum bedeutete, während alte nordamerikanische und burmesische Kulturen diesen Stein für ein lebendes Wesen hielten, Rituale für ihn abhielten und ihn mit Nahrung versorgten.

Das Wort "Quarz" kommt aus dem Deutschen Quarz, welches slawischen Ursprungs ist (tschechische Bergleute nannten es křemen). Andere Quellen führen den Ursprung des Wortes auf das sächsische Wort Querkluftertz zurück, was Quererzgang bedeutet. Quarz ist das am häufigsten identifizierte Material, das als die mystische Substanz Maban in der australischen Aboriginal-Mythologie gilt. Es findet sich regelmäßig in Körbegräberfriedhöfen in Europa im Beerdigungskontext, wie Newgrange oder Carrowmore in Irland. Das irische Wort für Quarz ist grianchloch, was 'Sonnenstein' bedeutet. Quarz wurde auch in der prähistorischen Zeit in Irland, sowie in vielen anderen Ländern, für Steinwerkzeuge verwendet; sowohl Gangquarz als auch Bergkristall wurden als Teil der lithischen Technologie der prähistorischen Völker geschlagen. Während Jade seit der frühesten Zeit der am meisten geschätzte Halbedelstein für Schnitzereien in Ostasien und präkolumbischem Amerika war, wurden in Europa und im Nahen Osten verschiedene Arten von Quarz am häufigsten für verschiedenen Schmuck und Hartstein-Schnitzereien verwendet, einschließlich gravierter Edelsteine und Kamee-Edelsteine, Bergkristallvasen und aufwendige Gefäße. Die Tradition setzte sich fort, Objekte zu produzieren, die bis Mitte des 19. Jahrhunderts äußerst wertvoll waren, als es größtenteils aus der Mode kam - außer im Schmuckbereich. Die Kamee-Technik nutzt die Farbbänder im Onyx und anderen Quarzsorten. Der römische Naturforscher Plinius der Ältere glaubte, dass Quarz gefrorenes Wasser sei, das nach langer Zeit dauerhaft gefroren war. (Das Wort „Kristall“ kommt vom griechischen Wort κρύσταλλος, „Eis“.) Er unterstützte diese Idee, indem er sagte, dass Quarz in der Nähe von Gletschern in den Alpen, aber nicht auf Vulkanbergen zu finden sei, und dass große Quarzkristalle zu Kugeln geformt wurden, um die Hände zu kühlen. Diese Idee hielt sich mindestens bis ins 17. Jahrhundert. Er kannte auch die Fähigkeit von Quarz, Licht in ein Spektrum zu zerlegen. Im 17. Jahrhundert ebneten Nicolas Stenos Studien über Quarz den Weg zur modernen Kristallographie. Er entdeckte, dass unabhängig von der Größe oder Form eines Quarzkristalls, seine langen Prismengesichter immer in einem perfekten 60°-Winkel zusammentrafen. Quarz' piezoelektrische Eigenschaften wurden 1880 von Jacques und Pierre Curie entdeckt. Der Quarzoszillator oder -resonator wurde erstmals von Walter Guyton Cady im Jahr 1921 entwickelt. George Washington Pierce entwarf und patentierte Quarz-Oszillatoren im Jahr 1923. Warren Marrison schuf die erste Quarzoszillatoruhr basierend auf der Arbeit von Cady und Pierce im Jahr 1927. Versuche, Quarz zu synthetisieren, begannen Mitte des neunzehnten Jahrhunderts, als Wissenschaftler versuchten, Mineralien unter Laborbedingungen zu schaffen, die den Bedingungen in der Natur ähnelten: Der deutsche Geologe Karl Emil von Schafhäutl (1803–1890) war der erste, der 1845 winzige Quarzkristalle in einem Schnellkochtopf synthetisierte. Die Qualität und Größe der bei diesen frühen Versuchen produzierten Kristalle war jedoch schlecht. In den 1930er Jahren war die Elektronikindustrie auf Quarzkristalle angewiesen. Die einzige Quelle geeigneter Kristalle war Brasilien; der Zweite Weltkrieg unterbrach jedoch die Lieferungen aus Brasilien, sodass die Länder versuchten, Quarz in großem Maßstab zu synthetisieren. Der deutsche Mineraloge Richard Nacken (1884–1971) hatte in den 1930er und 1940er Jahren teilweise Erfolg. Nach dem Krieg versuchten viele Labors, große Quarzkristalle zu züchten. In den USA beauftragte das US Army Signal Corps Bell Laboratories und die Brush Development Company in Cleveland, Ohio, Kristalle nach Nackens Vorbild zu synthetisieren. (Vor dem Zweiten Weltkrieg produzierte Brush Development piezoelektrische Kristalle für Plattenspieler.) Bis 1948 hatte Brush Development die bis dahin größten Kristalle mit einem Durchmesser von 3,8 cm gezüchtet. In den 1950er Jahren produzierten hydrothermale Synthesetechniken synthetische Quarzkristalle im industriellen Maßstab, und heute ist praktisch aller für die moderne Elektronikindustrie verwendete Quarzkristall synthetisch.

Das Wort "Quarz" leitet sich vom deutschen Wort "Quarz" ab, das in der ersten Hälfte des 14. Jahrhunderts in Mittelhochdeutsch und Ostmitteldeutsch die gleiche Form hatte und aus dem polnischen Dialektbegriff kwardy stammt, der dem entspricht der tschechische Begriff tvrdý ("hart"). Die alten Griechen bezeichneten Quarz als κρύσταλλος (krustallos), abgeleitet vom altgriechischen κρύος (kruos), was "eisige Kälte" bedeutet, weil einige Philosophen (einschließlich Theophrastus) anscheinend glaubten, das Mineral sei eine Form von unterkühltem Eis. Heutzutage wird der Begriff Bergkristall manchmal als alternativer Name für die reinste Form von Quarz verwendet.