Kwarts

Kwarts is doorgaans niet giftig, tenzij het in poedervorm is. Langdurige blootstelling aan fijn gemalen poeder kan leiden tot silicose. Daarom, wanneer je kwarts snijdt of polijst, zorg ervoor dat je een stofmasker draagt om te voorkomen dat je het stof inademt.

Zuiver kwarts, traditioneel bergkristal of helder kwarts genoemd, is kleurloos en transparant of doorschijnend en wordt vaak gebruikt voor hardsteengravures, zoals het Lothair Crystal. Veel voorkomende gekleurde variëteiten zijn citrien, rozenkwarts, amethist, rookkwarts, melkachtig kwarts en andere. Deze kleurdifferentiaties ontstaan door de aanwezigheid van onzuiverheden die de moleculaire orbitalen veranderen, waardoor er elektronische overgangen plaatsvinden in het zichtbare spectrum die kleuren veroorzaken. Polymorfen van kwarts omvatten: α-kwarts (laag), β-kwarts, tridymiet, moganiet, cristobaliet, coesiet en stishoviet.

Het belangrijkste onderscheid tussen soorten kwarts is dat van macrokristallijne (individuele kristallen zichtbaar voor het blote oog) en de microkristallijne of cryptokristallijne variëteiten (aggregaten van kristallen die alleen zichtbaar zijn bij sterke vergroting). De cryptokristallijne variëteiten zijn ofwel doorschijnend of meestal ondoorzichtig, terwijl de transparante variëteiten de neiging hebben macrokristallijn te zijn. Chalcedoon is een cryptokristallijne vorm van silica die bestaat uit fijne vergroeiingen van zowel kwarts als zijn monokliene polymorfe moganiet. Andere ondoorzichtige edelsteenvariëteiten van kwarts of gemengde gesteenten waaronder kwarts, vaak inclusief contrasterende banden of kleurpatronen, zijn agaat, carneool of sard, onyx, heliotroop en jaspis.

Quartz hebben piëzo-elektrische eigenschappen; ze ontwikkelen een elektrisch potentieel door mechanische belasting. Een vroeg gebruik van deze eigenschap van kwartskristallen was in grammofoonelementen.

Quartz is een bepalend bestanddeel van graniet en andere felsische stollingsgesteenten. Het is heel gebruikelijk in sedimentair gesteente zoals zandsteen en leisteen. Het is een algemeen bestanddeel van schist, gneis, kwartsiet en andere metamorfe gesteenten. Kwarts heeft het laagste verweringspotentieel in de Goldich-oplossingsserie en is daarom zeer gebruikelijk als restmineraal in beekafzettingen en restbodems. Over het algemeen suggereert een hoge aanwezigheid van kwarts een "volwassen" gesteente, aangezien het aangeeft dat het gesteente zwaar is herwerkt en kwarts het primaire mineraal was dat zware verwering heeft doorstaan. Terwijl de meerderheid van kwarts kristalliseert uit gesmolten magma, slaat kwarts ook chemisch neer uit hete hydrothermale aders als ganggesteente, soms met ertsmineralen zoals goud, zilver en koper. Grote kristallen van kwarts worden gevonden in magmatische pegmatieten. Goed gevormde kristallen kunnen meters lang worden en honderden kilo's wegen. Natuurlijk voorkomende kwartskristallen met een extreem hoge zuiverheid, die nodig zijn voor de smeltkroezen en andere apparatuur die wordt gebruikt voor het kweken van siliciumwafels in de halfgeleiderindustrie, zijn duur en zeldzaam. Een belangrijke mijnlocatie voor zeer zuiver kwarts is de Spruce Pine Gem Mine in Spruce Pine, North Carolina, Verenigde Staten. Kwarts kan ook worden gevonden in Caldoveiro Peak, in Asturië, Spanje. Het grootste gedocumenteerde eenkristal van kwarts werd gevonden in de buurt van Itapore, Goiaz, Brazilië; het meet ongeveer 6,1 x 1,5 x 1,5 m en woog 39.916 kilogram.

Quartz behoort tot het trigonale kristalsysteem. De ideale kristalvorm is een zeszijdig prisma dat eindigt met zeszijdige piramides aan elk uiteinde. In de natuur zijn kwartskristallen vaak verbroederd (met twee rechtshandige en linkshandige kwartskristallen), vervormd of zo vergroeid met aangrenzende kristallen van kwarts of andere mineralen dat ze slechts een deel van deze vorm laten zien, of dat er helemaal geen duidelijke kristalvlakken zijn. en lijken enorm. Goed gevormde kristallen vormen zich typisch in een 'bed' dat onbeperkt uitgroeit tot een leegte; meestal zijn de kristallen aan het andere uiteinde aan een matrix vastgemaakt en is er slechts één eindpiramide aanwezig. Kristallen met dubbele uiteinden komen echter voor waar ze zich vrij ontwikkelen zonder gehechtheid, bijvoorbeeld in gips. Een kwartsgeode is zo'n situatie waarin de leegte ongeveer bolvormig is, bekleed met een bed van kristallen die naar binnen wijzen. α-kwarts kristalliseert in het trigonale kristalsysteem, ruimtegroep P3121 of P3221, afhankelijk van de chiraliteit. β-kwarts behoort tot het hexagonale systeem, respectievelijk ruimtegroep P6222 en P6422. Deze ruimtegroepen zijn echt chiraal (ze behoren elk tot de 11 enantiomorfe paren). Zowel α-kwarts als β-kwarts zijn voorbeelden van chirale kristalstructuren die zijn samengesteld uit achirale bouwstenen (SiO4-tetraëders in het onderhavige geval). De transformatie tussen α- en β-kwarts omvat slechts een relatief kleine rotatie van de tetraëders ten opzichte van elkaar, zonder een verandering in de manier waarop ze zijn verbonden.

Het blazen van kwartsglas is moeilijker dan glas, doordat het verwekingspunt veel hoger ligt en veel abrupter. Het vereist ook goede ventilatie omdat er gasvormig SiO2 bij ontstaat; dit kan de longen aantasten. Kwartsglas wordt veel toegepast. Het is sterk, zet weinig uit en kan dus grote temperatuurverschillen doorstaan. Het is chemisch vrij inert en het verwekingspunt ligt hoog (1665°C). De sterke covalente bindingen tussen de atomen zorgen hiervoor. Het is transparant voor ultraviolette straling, in tegenstelling tot de meeste andere vormen van glas. Het wordt daarom toegepast als cuvetmateriaal in de spectroscopie van het ultraviolette deel van het spectrum. Kwarts is ook de bron van silicium voor de halfgeleiderindustrie en de siliciumchemie. Kwarts is een piëzo-elektrisch materiaal. De trillingen die men in het kristal kan opwekken worden gebruikt in elektronische apparatuur zoals kristaloscillator in kwartsuurwerken en radio's.

Kwarts wordt beschouwd als de geboortesteen voor degenen die in april zijn geboren, en is sinds 1967 het staats-symbool van Arkansas. Traditioneel beweerden de Japanners dat kwarts zuiverheid en oneindige ruimte betekende, terwijl oude Noord-Amerikaanse en Birmese culturen deze steen beschouwden als een levend wezen, waarbij zij rituelen uitvoerden en het van voedsel voorzagen.

Het woord "kwarts" komt van het Duitse Quarz, dat van Slavische oorsprong is (Tsjechische mijnwerkers noemden het křemen). Andere bronnen schrijven de oorsprong van het woord toe aan het Saksische woord Querkluftertz, wat kruisadererts betekent. Kwarts is het meest voorkomende materiaal dat wordt geïdentificeerd als de mysterieuze substantie maban in de Australische aboriginalmythologie. Het wordt regelmatig gevonden in grafheuvel kerkhoven in Europa in een begrafeniscontext, zoals Newgrange of Carrowmore in Ierland. Het Ierse woord voor kwarts is grianchloch, wat 'zonsteen' betekent. Kwarts werd ook gebruikt in Prehistorisch Ierland, evenals in vele andere landen, voor stenen gereedschap; zowel aderkwarts als bergkristal werden bewerkt als onderdeel van de lithische technologie van de prehistorische volkeren. Terwijl jade sinds de vroegste tijden de meest gewaardeerde halfedelsteen voor beeldhouwwerk was in Oost-Azië en Pre-Columbiaans Amerika, waren in Europa en het Midden-Oosten de verschillende variëteiten van kwarts het meest gebruikt voor verschillende soorten sieraden en hardsteenbeeldhouwwerk, inclusief gegraveerde edelstenen en cameo's, bergkristallen vazen en extravagante vaten. De traditie bleef objecten produceren die zeer gewaardeerd werden tot midden 19e eeuw, toen het grotendeels uit de mode raakte behalve in sieraden. De cameotechniek maakt gebruik van de kleurbanden in onyx en andere variëteiten. De Romeinse natuuronderzoeker Plinius de Oudere geloofde dat kwarts waterijs was, permanent bevroren na lange tijd. (Het woord "kristal" komt van het Griekse woord κρύσταλλος, "ijs"). Hij ondersteunde dit idee door te zeggen dat kwarts gevonden werd nabij gletsjers in de Alpen, maar niet op vulkanische bergen, en dat grote kwartskristallen werden gemodelleerd tot bollen om de handen te koelen. Dit idee hield stand tot ten minste de 17e eeuw. Hij kende ook het vermogen van kwarts om licht in een spectrum te splitsen. In de 17e eeuw baande Nicolas Steno's studie van kwarts de weg voor de moderne kristallografie. Hij ontdekte dat ongeacht de grootte of vorm van een kwartskristal, de lange prismavlakken altijd samenkwamen onder een perfecte hoek van 60°. De piëzo-elektrische eigenschappen van kwarts werden ontdekt door Jacques en Pierre Curie in 1880. De kwartsoscillator of resonator werd voor het eerst ontwikkeld door Walter Guyton Cady in 1921. George Washington Pierce ontwierp en patenteerde kwartskristaloscillatoren in 1923. Warren Marrison vervaardigde de eerste kwartsklok gebaseerd op het werk van Cady en Pierce in 1927. Pogingen om kwarts te synthetiseren begonnen midden 19e eeuw toen wetenschappers probeerden mineralen te creëren onder laboratoriumomstandigheden die de omstandigheden nabootsten waarin de mineralen in de natuur werden gevormd: de Duitse geoloog Karl Emil von Schafhäutl (1803–1890) was de eerste persoon die kwarts synthetiseerde toen hij in 1845 microscopische kwartskristallen creëerde in een snelkookpan. Echter, de kwaliteit en grootte van de kristallen die door deze vroege pogingen werden geproduceerd waren slecht. Tegen de jaren 1930 was de elektronica-industrie afhankelijk geworden van kwartskristallen. De enige bron van geschikte kristallen was Brazilië; echter, de Tweede Wereldoorlog verstoorde de aanvoer uit Brazilië, dus probeerden landen kwarts commercieel te synthetiseren. De Duitse mineraloog Richard Nacken (1884–1971) bereikte enige succes in de jaren 1930 en 1940. Na de oorlog probeerden veel laboratoria grote kwartskristallen te kweken. In de Verenigde Staten sloot het U.S. Army Signal Corps contracten met Bell Laboratories en met de Brush Development Company in Cleveland, Ohio om kristallen te synthetiseren volgens de methode van Nacken. (Vóór de Tweede Wereldoorlog produceerde Brush Development piëzo-elektrische kristallen voor platenspelers.) Tegen 1948 had Brush Development kristallen gegroeid die 1,5 inch (3,8 cm) in diameter waren, de grootste tot dusver. Tegen de jaren 1950 produceerden hydrothermale synthesetechnieken synthetische kwartskristallen op industriële schaal, en tegenwoordig is vrijwel al het kwartskristal dat in de moderne elektronica-industrie wordt gebruikt synthetisch.

Het woord "kwarts" is afgeleid van het Duitse woord "Quarz", dat in de eerste helft van de 14e eeuw dezelfde vorm had in het Middenhoogduits en in Oost-Centraal-Duits en dat afkomstig was van de Poolse dialectterm kwardy, die overeenkomt met de Tsjechische term tvrdý ("hard"). De oude Grieken noemden kwarts κρύσταλλος (krustallos), afgeleid van het oude Griekse κρύος (kruos), wat "ijskoud" betekent, omdat sommige filosofen (waaronder Theophrastus) blijkbaar geloofden dat het mineraal een vorm van onderkoeld ijs was. Tegenwoordig wordt de term bergkristal soms gebruikt als alternatieve naam voor de puurste vorm van kwarts.