Quarz

Quarz (α-Quarz, Tiefquarz)

Reiner Quarz (Bergkristall)
Chemische Formel SiO2
Mineralklasse Oxide mit Metall: Sauerstoff = 1:2 (und vergleichbare) - Mit kleinen Kationen: Kieselsäure-Familie
4.DA.05 (8. Auflage: IV/D.01-10) nach Strunz
75.01.03.01 nach Dana
Kristallsystem trigonal
Kristallklasse; Symbol nach Hermann-Mauguin trigonal-trapezoedrisch, 32
Farbe farblos, Weiß, alle Farben möglich
Strichfarbe Weiß
Mohshärte 7
Dichte 2,65 g/cm3
Glanz Glasglanz auf Prismenflächen,
Fettglanz auf Bruchflächen
Transparenz durchsichtig bis undurchsichtig
Bruch muschelig, spröde
Spaltbarkeit keine
Habitus prismatisch, mikrokristallin
Häufige Kristallflächen \{ 10\bar{1}1 \} ,~ \{01\bar{1}1\} ,~ \{10\bar{1}0\}
Zwillingsbildung überwiegend Ergänzungszwillinge
Kristalloptik
Brechungsindex no = 1,5442
ne = 1,5533
(jeweils bei 589 nm)
Doppelbrechung
(optischer Charakter)
Δ = 0,0091 ; positiv
Optischer Achsenwinkel 2V = häufiger anomal mit 2vz ~ 0-10°
Pleochroismus fehlt
Weitere Eigenschaften
Phasenumwandlungen Übergang in hexagonalen Hochquarz (β-Quarz) oberhalb 573 °C
Schmelzpunkt 1713 °C (SiO2 in der Modifikation β-Cristobalit)
Chemisches Verhalten löslich in Flusssäure und Soda-Schmelzen
ähnliche Minerale keine
Besondere Kennzeichen kann Flüssigkeitseinschlüsse enthalten

Quarz (wissenschaftliche Bezeichnung: Tiefquarz oder α-Quarz) ist ein Mineral mit der chemischen Zusammensetzung SiO2 und trigonaler Symmetrie. Er ist die auf der Erdoberfläche stabile Form (Modifikation) des Siliciumdioxidsund nach den Feldspaten das zweithäufigste Mineral der Erdkruste.

Mit einer Mohshärte von 7 gehört Quarz zu den harten Mineralen und dient als Bezugsgröße auf der bis 10 (Diamant) reichenden Skala nach Friedrich Mohs. Er bildet oft gut entwickelte Kristalle von großer Formen- und Farbenvielfalt (siehe Modifikationen und Varietäten), deren Kristallflächen Glasglanz aufweisen. Quarz besitzt keine Spaltbarkeit>, bricht muschelig wie Glasund zeigt auf den Bruchflächen einen fettigen Glanz.

In der Industrie ist Quarz eines der wichtigsten Minerale und hat gleichermaßen als Baustoff wie als Rohstoff für die Keramik-, Glas- und Zementindustrie weltweite Bedeutung. Quarzsand ist der Rohstoff zur Gewinnung von Silicium.

Darüber hinaus werden Quarz und seine farbigen Varietäten seit alters her als Schmuckstein geschätzt (siehe Verwendung).

Quarzkristalle werden auch künstlich hergestellt: daraus unter anderem geschnittene Schwingquarze dienen als Taktgeber in elektronischen Schaltungen und Quarzuhren.

Gelegentlich wird Quarz mit dem Calcit verwechselt, kann jedoch durch seine größere Härte, die niedrigere Doppelbrechung und die Reaktion des Calcits mit verdünnter Salzsäure leicht von diesem unterschieden werden.

Besondere Eigenschaften

Chemische Zusammensetzung

Quarz ist eine sehr reine Verbindung und baut andere Elemente nur in Spuren ins Kristallgitter ein. Natürliche Quarze können zwischen 13 und 15.000 ppm (meist aber nur einige 100 ppm) Al3+, zwischen 9 und 1400 ppm Na+, zwischen 3 und 300 ppm K+, sowie geringere Mengen an Fe3+, Ti4+, P5+, H+ und Li+ enthalten.

Der Einbau dieser Ionen erfolgt zumeist über einen gekoppelten Ersatz (Substitution) eines Si4+-Ions durch ein dreiwertiges und ein einwertiges Ion, so etwa Al3+ und Na+. Die Fremdionen werden sowohl auf den Si-Positionen im Gitter eingebaut wie auch auf ansonsten leeren Zwischengitterplätzen. Der Einbau von Eisen und Aluminium ist zusammen mit der Einwirkung von ionisierender Strahlung verantwortlich für die verschiedenen Farben der Quarzvarietäten.

Piezoelektrizität

Quarz zeigt einen starken piezoelektrischen Effekt senkrecht zur Prismenachse entlang der a-Achsen. Auf Druck oder Zug reagiert ein Quarzkristall mit einer elektrischen Polarisierung entlang der Kraftrichtung. Umgekehrt führt das Anlegen einer elektrischen Gleichspannung zu einer Dehnung oder Stauchung des Kristalls. Wird eine Wechselspannung mit geeigneter Frequenz angelegt, so kann der Kristall zu Resonanzschwingungen angeregt werden. Die Resonanzfrequenz ist dabei von der Geometrie (Form und Größe) des Kristalls abhängig. Aufgrund der Regelmäßigkeit und Genauigkeit dieser Schwingungen werden Schwingquarze in Quarzoszillatoren als Zeitbasis und Taktgeber für elektronische Schaltungen eingesetzt, zum Beispiel in Uhren, Computern, Geräten der Digitaltechnik und der Funktechnik.

Optische Aktivität

Durch die Kristallisation des Quarzes in einer enantiomorphen Struktur wird die Schwingungsebene des Lichtes, das einen Tiefquarz in Richtung der c-Achse durchquert, gedreht. Die Angabe exakter Messergebnisse dieser Drehung erweist sich als schwierig, da Messergebnisse aufgrund verschiedener Störfaktoren wie unerkannter Verzwillingungen von Rechts- und Linksquarz oder kleinster Verunreinigungen stark streuen. Zusätzlich erschweren Fertigungstoleranzen die Herstellung exakt orientierter Quarzschnitte. Weiterhin ist die Stärke der Drehung der Schwingungsebene des Lichtes abhängig von der Wellenlänge des Lichtes (Beispiel: Natrium-D-Linie: 589,3 nm, Grünfilter für Quecksilberdampflampen: 546 nm). So schwankt die Angabe des optischen Drehvermögens bei Quarz je nach Quelle und Wellenlänge zwischen 21 und 28 °/mm.

Etymologie und Geschichte

Quarzsand vom Coral Pink Sand Dunes State Park, Utah; die Orangefärbung entsteht durch Hämatitauflage

Quarz war im Mittelalter eine Bezeichnung für das Bergwerk sowie für alle Kristalle. Erst mit Georgius Agricola im 16. Jahrhundert wurde der Begriff auf Bergkristalle eingeschränkt. Die Wortherkunft ist unklar. In Frage kommt das altslawische tvurdu für "hart". Das mittelhochdeutsche quarz, quärz oder als Mengenbezeichnung querze ist mit dem neulateinischen quarzum (silex) "Kies, Felsgestein" verwandt und entstammt der älteren Bezeichnung quaterz oder quaderz "böses Erz", die sich bis ins 16. Jahrhundert hielt. Nach anderer Annahme ist das Wort aus gewärz "Auswuchs" zusammengezogen. Schließlich soll das Wort als Zusammenziehung des Begriffs sächsischer Bergleute "Querklufterz" entstanden sein. Die Bezeichnung "Quarz" hat sich international durchgesetzt (mit leichten, sprachspezifischen Abwandlungen wie beispielsweise "quartz" im Englischen und Französischen).

Klassifikation

Nach der 8. und 9. Auflage der strunzschen Systematik der Minerale gehört Quarz aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung zur Mineralklasse der Oxide mit einem Metall-Sauerstoff-Verhältnis von 1:2.

In der 8. Auflage der Mineralsystematik ist er zudem Namensgeber für eine Gruppe chemisch ähnlicher oder gleicher Minerale, der Quarzgruppe, deren weitere Mitglieder Coesit, Cristobalit, Melanophlogit, Moganit, Opal, Stishovit und Tridymit sind.

Die 9. Auflage der Mineralsystematik nach Strunz untergliedert die Oxide allerdings feiner. Quarz sowie die ihm verwandten Minerale Beta-Quarz (Existenz bisher nur als Synthese bekannt) Coesit, Cristobalit, Melanophlogit, Moganit, Seifertit, Opal, Stishovit und Tridymit werden nun der Unterabteilung (Chemische Verbindungen) Mit kleinen Kationen: Kieselsäure-Familie zugerechnet. Das in der Systematik ebenfalls mit aufgeführte Lechatelierit (Kieselglas) hat allerdings nach wie vor einen fraglichen Mineralstatus und ist daher von der International Mineralogical Association (IMA) auch nicht als eigenständiges Mineral anerkannt.

Die Systematik von James Dana ordnet die Minerale nach ihrer Kristallstruktur. Im Quarz ist Silicium tetraedrisch von vier Sauerstoffatomen umgeben. Diese SiO4-Tetraeder sind über ihre Ecken zu einem dreidimensionalem Gerüst verknüpft, und Quarz wird daher in der Systematik von Dana den Gerüstsilikaten zugeordnet.

Bildung und Fundorte

Als solche Kiesel kann man Quarz in der Natur finden.

Quarz kristallisiert bei der Abkühlung SiO2-reicher Schmelzen und ist primärer Bestandteil von SiO2-reichen Plutoniten (Quarzreiche Granitoide, Granite, Granodiorite, Tonalite, Quarz-Syenite, Quarz-Monzonite, Quarz-Diorite), Ganggesteinen (z.B. Aplite) sowie der entsprechenden Vulkanite (Rhyolithe, Dacite, Andesite, Quarz-Trachyte, Quarz-Latite). Die Quarzgehalte dieser Gesteine sind eines der Hauptkriterien zur Klassifikation magmatischer Gesteine nach dem Streckeisendiagramm.

Quarz ist in vielen metamorphen Gesteinen enthalten (z.B. in Schiefer und Gneisen) und wird über zahllose Mineralreaktionen während der Gesteinsmetamorphose abgebaut oder gebildet. So markiert zum Beispiel die quarzproduzierende Reaktion von Chloritoid und Alumosilikat zu Staurolith und Quarz die Grenze zwischen Grünschieferfazies und Amphibolithfazies bei Metapeliten.

Wegen seiner Härte und Verwitterungsbeständigkeit ist Quarz verbreitet in sedimentären Gesteinen wie Sandsteinen und Böden zu finden. Gut ausgebildete Quarzkristalle entstehen jedoch bevorzugt in Klüften, Gängen und als Auskleidung natürlicher Höhlungen, sogenannter Geoden.

Modifikationen und Varietäten

polierte Bergkristallstückchen

Quarz ist die auf der Erdoberfläche stabile Form (Modifikation) des kristallinen Siliciumdioxids. Zahlreiche weitere Modifikationen treten bei höheren Drücken und Temperaturen auf. Einige können metastabil an der Erdoberfläche erhalten bleiben.

Bei niedrigen Temperaturen (70-200 °C) kristallisiert aus SiO2-Gel ein Gemisch aus Quarz und Moganit, einem charakteristischen Bestandteil von Quarzin und Chalcedon.

Bei Temperaturen oberhalb von 573 °C (bei 1013,2 hPa) wandelt sich Quarz in Hochquarz um. Die Phasenumwandlung erfolgt sehr schnell, und Hochquarz bleibt auch bei rascher Abkühlung nie metastabil erhalten. Zwar finden sich in einigen Magmatiten Quarzkristalle mit der Kristallform von Hochquarz (Paramorphose), strukturell handelt es sich jedoch um Quarz.

Bei höheren Temperaturen wandelt sich Hochquarz erst in Tridymit um (ab 867 °C), dann in Cristobalit um (ab 1.470 °C). Cristobalit schmilzt bei 1.727 °C (Temperaturen jeweils bezogen auf 1013,2 hPa).

Die Umwandlungstemperaturen sind abhängig vom Druck. Allgemein nehmen sie mit steigenden Drücken zu.

Bei hohen Drücken, wie sie im Erdmantel herrschen oder bei Meteoriteneinschlägen auftreten, bilden sich besonders dichte SiO2-Phasen. Ab 2 GPa bildet sich Coesit (3,01 g/cm3), ab 7,5 GPa Stishovit (4,3 g/cm3) und ab ca. 78 GPa Seifertit (4,12 g/cm3).

Reiner Quarz ist vollkommen transparent und farblos und wird, wenn er gut ausgebildete Kristalle entwickelt, als Bergkristall bezeichnet. Quarze sind meist durch mikroskopische Einschlüsse von Flüssigkeiten und Gasen milchig trüb (Milchquarz) und erscheinen im Gestein eingewachsen grau. Durch den Einbau färbender Ionen (im Allgemeinen Fe3+ oder Fe2+), Einschluss farbiger Minerale oder Einwirkung von ionisierender Strahlung können Quarze unterschiedlich gefärbt sein. Anhand der Farbe und deren Ursache werden folgende Varietäten unterschieden:

Farbvarianten durch Fremdionen und Bestrahlung

Ametrin aus Bolivien

Farbvarianten durch Einschlüsse

Milchquarz

Mikrokristallines SiO2

Achatscheibe

Unter mikrokristallinem Quarz versteht man massige Aggregate von sehr feinkristallinem Quarz mit Kristallgrößen im Mikrometerbereich. Hier unterscheidet man drei Formen:

Amethystquarz ist eine undurchsichtige, gebänderte Verwachsung von Amethyst und Milchquarz.

Alle Formen von mikrokristallinem Quarz weisen eine große Dichte an Gitterbaufehlern und Verzwillingungen auf.

Hornstein, Flint (Feuerstein) und deren zahllose, durch Gehalte farbiger Minerale gefärbte Varietäten sind Verwachsungen von mikrokristallinem Quarz mit Moganit in einem regellosem, granularem Gefüge. Hierbei handelt es sich strenggenommen nicht um Minerale und Mineralvarietäten, sondern um Gesteine. Von den zahllosen, oft nur ungenau definierten Bezeichnungen für Varietäten dieser Silikatgesteine seien hier nur einige aufgeführt:

Andere Varietäten und Handelsnamen

Der oft im Handel zu findende Aqua Aura ist keine Varietät, sondern meistens Bergkristall (oder ein anderer Quarz), der mit Metall (vorwiegend Gold) bedampft wurde. Resultat ist ein transparenter, blau gefärbter Kristall, zum Teil mit vielfarbigem Schimmer.

Brasilit ist dagegen die Handelsbezeichnung für eine durch Brennen grünlich-gelb bis blassgelb gefärbten Quarz. Im Safiental (Graubünden, Schweiz) wurden die weltweit ersten Funde des Mantelquarzes gefunden, dessen Spitze ein wenig im Prisma versenkt ist.

Morphologie

Morphologie von Linksquarz

Gut ausgebildete Kristalle sind verbreitet und ihre Form kann je nach Wachstumsbedingungen recht unterschiedlich sein. Die nebenstehende Abbildung illustriert die typische prismatische Kristallform von Linksquarz und wie sich diese Form aus den Grundkörpern der Trigonal-trapezoedrischen Klasse (Klasse 32) zusammensetzt. Die in Klammern gesetzten Zahlen im Text und auf der Abbildung sind die Millerschen Indizes. Sie werden in der Kristallographie für die Bezeichnung von Kristallflächen verwendet. Indizes von Kristallflächen werden in runde Klammern gesetzt, Indizes von einer Flächengruppe, die einen Grundkörper bilden, in geschweifte Klammern und Indizes von Richtungen (Kristallachsen) in eckige Klammern.

Dominiert wird die Kristallform vom hexagonalen Prisma I. Stellung ({1 0 \bar{1} 0}). Die Prismenflächen liegen parallel zur kristallographischen c-Achse. Begrenzt wird das Prisma an den Enden vom positiven und negativen Rhomboeder ({1 0 \bar{1} 1} und {0 1 \bar{1} 1}), wobei das positive Hauptrhomboeder mit größeren Flächen auftritt.

Untergeordnet, d.h. kleiner ausgebildet, treten verschiedene trigonale Trapezoeder, meist {5 1 \bar{6} 1}, und trigonale Bipyramiden, meist {1 1 \bar{2} 1}, auf. Von diesen Polyedern gibt es in der Kristallklasse 32 jeweils zwei enantiomorphe (linke und rechte), ansonsten aber identische Formen. An einem unverzwillingten Quarzkristall treten entweder nur rechte oder nur linke Trapezoeder und Bipyramiden auf, am Linksquarz (Raumgruppe P3121) linke Formen und am Rechtsquarz (Raumgruppe P3221) rechte Formen. Unterschieden werden können Rechts- und Linksquarze anhand der Anordnung der Trapezoeder- und Bipyramidenflächen. Beim Linksquarz treten diese links von den Hauptrhomboederflächen {1 0 \bar{1} 1} auf und beim Rechtsquarz rechts von den Hauptrhomboederflächen.

Kristall- und Wachstumsformen

Für auffällige Wachstumsformen von Quarz haben sich eigene Namen etabliert:

Weitere Namen sind für bestimmte Verwachsungen mehrerer Kristalle gebräuchlich:

Kristallzwillinge

Quarzzwilling mit kleinen Hollandit-Büscheln

Die beiden chiralen Formen des Quarzes, Rechtsquarz und Linksquarz, treten zuweilen auch orientiert miteinander verwachsen auf.

Kristallstruktur

Tiefquarz ist trigonal-trapezoedrisch (Kristallklasse 32) und kristallisiert in den enantiomorphen Raumgruppen P 31 2 1 und P 32 2 1. Die Maße der Elementarzelle sind a1 = a2 = 4,9124 Å [Ångström] und c = 5,40039 Å. Eine Elementarzelle enthält drei Formeleinheiten SiO2. Silicium (Si) und Sauerstoff(O) besetzen kristallographisch unterscheidbare Atompositionen:

Jedes Sauerstoffion ist von zwei Siliciumionen im Abstand von 1,6054 Å und 1,6109 Å umgeben und sechs Sauerstoffionen im Abstand von ca. 2,62 Å. Die Si-O-Bindungen haben einen großen kovalenten Anteil, was die Ursache für die große Häte von Quarz ist. Der Si-O-Si-Bindungswinkel beträgt 143,61°. Entsprechend ist jedes Siliciumion tetraedrisch von vier Sauerstoffionen umgeben, zwei im Abstand von 1,6054 Å und zwei im Abstand von 1,6109 Å.

SiO2-Gerüst: Die SiO4-Tetraeder sind untereinander über die Tetraederecken verknüpft, jeder Tetraeder mit vier benachbarten Tetraedern. In Richtung der c-Achse sind sie zu Paaren von spiralförmigen Ketten verknüpft. Diese SiO4-Tetraederhelixpaare, die untereinander nicht verbunden sind, bilden sechsseitige, offene Kanäle in Richtung der c-Achse.

α-Quarzkristalle der beiden enantiomorphen Raumgruppen unterscheiden sich im Drehsinn der Tetraederschrauben. Linkshändischer α-Quarz kristallisiert in der Raumgruppe P3121 und die Tetraederschrauben winden sich im Uhrzeigersinn um die c-Achse dem Betrachter entgegen, wenn man von oben auf die c-Achse schaut. Entsprechend winden sich die Tetraederschrauben des rechtshändigen α-Quarzes (Raumgruppe P3221) entgegen dem Uhrzeigersinn dem Betrachter entgegen. Die spiralförmigen Tetraederketten sind mit sechs benachbarten Tetraederspiralen so verknüpft, dass jeder SiO4-Tetraeder zu zwei benachbarten Tetraederketten gehört und an zwei der sechsseitigen Kanäle grenzt.

Quarz ist nur bei niedriger Temperatur in der trigonalen α-Quarz-Phase stabil. Bei 573 °C findet eine Phasenumwandlung in die hexagonale β-Quarz-Phase statt. Die höhere Symmetrie des β-Quarzes führt unter anderem zum Verlust der piezoelektrischen Eigenschaften. Den Übergang von derβ-Quarz-Phase zum α-Quarz kann man sich leicht vereinfacht durch Kippen robuster Tetraeder um die < 100 > -Achse veranschaulichen. Die Kipprichtung entscheidet über die Orientierung des α-Quarzes.

Verwendung

Als Rohstoff

Als Material

Quarz und Quarzglas reagieren nur mit wenigen Chemikalien, Flusssäureist die einzige Säure, die Quarz aufzulösen vermag; dabei bilden sich Siliciumtetrafluorid beziehungsweise Hexafluorokieselsäure. Diese Eigenschaft ist förderlich für eine Vielzahl von Anwendungsgebieten:

Nutzung der piezoelektrischen Eigenschaften

Ein Quarz-Piezo-Bauteil auf einer Mikrocontroller-Platine in SMD-Bauweise

Künstlich gezogene Quarz-Einkristalle werden u.a. für piezoelektrische Anwendungen eingesetzt. Die piezoelektrischen Eigenschaften des Quarzes werden bei Schwingquarzen ausgenutzt, die ähnlich einer Stimmgabel bei Erregung durch eine elektrische Spannung mit einer festen Frequenz mechanisch schwingen. Der Bau sehr genau gehender Quarzuhren wurde so möglich. Heute finden sich in praktisch allen elektronischen Geräten Schwingquarze als Taktgeber. Daneben ist Quarz auch geeignet für Druckmessungen, in der Hochfrequenztechnik sowie als akustooptischer Güteschalter in Lasern.

Die beiden chiralen Formen des Quarzes, Rechtsquarz und Linksquarz, zeigen einen gegensätzlichen piezoelektrischen Effekt. In solchen Zwillingen heben sich daher die piezoelektrischen Effekte im Gesamtkristall auf, weshalb sie für piezoelektrische Anwendungen unbrauchbar sind und gegenüber synthetischen Quarzen seltener eingesetzt werden. Für technische Anwendungen werden die Zwillinge häufig parallel zur (01-1)-Ebene (AT-Schnitt) oder (023)-Ebene (BT-Schnitt) geschnitten, da der piezoelektrische Effekt senkrecht zu diesen Ebenen nahezu unabhängig von der Temperatur ist.

Als Schmuckstein

Quarzvarietäten wie der Achat, der violette Amethyst, der zitronengelbe Citrin, der blutrote Jaspis oder der schwarz-weiß gestreifte Onyx werden wegen der großen Härte und der guten Schneid- und Polierbarkeit des Minerals in der Schmuckindustrie zu Schmucksteinen verarbeitet.

Quarz und Fossilisierung

Dringt kieselsäurereiches Grundwasser in das Gewebe abgestorbener, holziger Pflanzen ein, so können diese durch Auskristallisieren von Quarz (Si(OH)4 → SiO2 + 2 H2O) fossilisieren, wobei das holzige Gewebe zwar durch kristallines Quarz ersetzt wird, die ursprüngliche Zellstruktur oft jedoch erhalten bleibt. Paläobotaniker können daraus heute zum Beispiel Schlüsse zu den einstigen Wachstumsbedingungen der Pflanze ziehen.

Vorsichtsmaßnahmen

Beim Abbau von Quarz kommt es teilweise zu erheblichen Staubbildungen, die, über längere Zeit eingeatmet, zu der unter Bergleuten gefürchteten Silikose führen. Jedoch kommt es beim Schleifen der Edelsteine nie zur Staubbildung, da der Schleifvorgang immer mit Wasser, Emulsion, Petroleum oder einem speziellen Schleiföl ausreichend gekühlt wird. Ein Trockenschliff würde auch die meisten Edelsteine beschädigen oder zerstören.

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Basierend auf einem Artikel in Wikipedia.de


 
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Datum der letzten Änderung:  Jena, den: 24.04. 2021