Kvarcas (silicio dioksidas): savybės, rūšys ir panaudojimas

Kvarcas (silicio dioksidas): sužinokite apie jo savybes, rūšis ir pritaikymą — nuo juvelyrikos ir smėlio iki puslaidininkių, laikrodžių ir aukštųjų technologijų.

Kvarcas yra tektosilikatinis mineralas, kuris yra antras pagal paplitimą mineralas Žemės kontinentinėje plutoje. Jo kristalinę struktūrą sudaro SiO4 silicio ir deguonies tetraedrų karkasas. Kiekvienas jų dalijasi deguonies atomu su kitu tetraedru, todėl bendra cheminė formulė yra SiO2 arba silicio dioksidas. Kvarcas kristalizuojasi trikampėje (trigonalinėje) sistemoje ir sudaro tiek veidrodinius, aiškius kristalus, tiek mikrokristalines ir amorfines formas. Jo specifinis tankis yra apie 2,65 g/cm3, kietumas pagal Moho skalė) — 7, o lūžis yra konchoidinis (skalės formos). Kvarcas pasižymi geru cheminiu atsparumu ir plačiu temperatūriniu stabilumu, todėl randamas įvairiose geologinėse aplinkose.

Savybės ir polymorfai

Kvarcas yra vienas iš silicio dioksido (SiO2) poliformų. Esminiai polymorfai ir susijusios fazės apima:

• Trikalinis kvarcas (α-kvarcas) – įprasta kambario temperatūroje randama forma;
• β-kvarcas – aukštesnėje temperatūroje atsirandanti forma;
• Tridimitas ir kristobalitas – aukštos temperatūros SiO2 fazės, dažnos vulkaninėse apraiškose;
• Coesasitas ir stishovitas – tankūs polymorfai, susidarę esant dideliam slėgiui (pvz., meteorito smūgių zonose).

Elektroninės ir optinės savybės priklauso nuo grynumo ir defektų: kristalinio kvarco piezoelektrinės savybės leidžia jį naudoti rezonatoriuose, o grynas amorfinis silicio dioksidas (fused silica) turi aukštą skaidrumą platų bangos ilgių diapazonui ir labai žemą terminį išsiplėtimą.

Rūšys ir atmainos

Yra daug įvairių kvarco formų ir rūšių, kai kurios iš jų yra pusbrangiai brangakmeniai. Jie nuo seno naudojami juvelyriniams dirbiniams ir kietųjų akmenų drožiniams gaminti. Agatas, ametistas, rožinis kvarcas yra kvarco formos. Kitos svarbios atmainos ir mikrokristalinės formos:

• Chalcedonas – smulkiai kristalinis kvarcas, iš kurio formuojasi agatas, oniksas, jaspis;
• Ametistas – violetinė kvarco atmaina, spalvą lemia geležies priemaišos ir radiaciniai defektai;
• Rožinis kvarcas – rožinė spalva dėka tam tikrų trakto defektų arba priemaišų;
• Citrinas, dymuotas kvarcas, karneolė ir kt. – spalvos priklauso nuo priemaišų, šviesos poveikio ar terminio apdorojimo.

Formavimasis ir pasiskirstymas

Kvarcas gali susidaryti įvairiais geologiniais mechanizmais: magminiuose uolienų užpildymuose, hidroterminėse venose, metamorfizacijos metu bei nuosėdinėse aplinkose (smėlis iš erodavusių kvarco gabalėlių). Smėlio didžiąją dalį sudaro maži kvarco gabalėliai, todėl kvarcas yra pagrindinė manyta žaliava stiklo, betono ir daugelio statybinių medžiagų gamyboje.

Panaudojimas

Kvarcas ir silicio dioksidas turi labai platų pritaikymą pramonėje ir kasdieniame gyvenime:

• Elektronika ir puslaidininkiai: iš kvarco gaunamas silicis, kuris toliau valomas ir naudojamas puslaidininkių gamybai. Taip pat sintetiniai kvarciniai kristalai bei grynas stiklas (fused silica) naudojami optikai ir litografijoje;
• Osciliatoriai ir laikrodžiai: kvarciniai kristalai naudojami kaip tikslūs rezonatoriai dėl piezoelektrinių savybių, todėl jie būtini laikrodžiuose, radijo įrenginiuose, telekomunikacijose;
• Stiklo ir keramikos gamyba: didžioji stiklo žaliavos dalis — kvarcinis smėlis; specialus lydytas kvarcas naudojamas optiniam stiklui, lempų kolboms ir aukštos temperatūros indams;
• Abrasvai ir statyba: smėlis ir smulkūs kvarco grūdai naudojami kaip abrazyvai bei betono priedai;
• Papuošalai ir dekoracijos: poliruotas kvarcas – populiarus akmuo juvelyrikoje ir interjero detalėse;
• Optika ir telekomunikacijos: itin grynas amorfinis silicio dioksidas (fused silica) arba sintetinė kvarcinė derva naudojama optinėms linijoms, ultravioletinėms lempoms, lazerių komponentams;
• Aplinkosauga ir filtracija: kvarcinis smėlis naudojamas vandens filtravimui, atliekų valymui ir kitur.

Lydytas kvarcas ir sintetinės formos

"Lydytas kvarcas" yra stiklas, pagamintas iš nekristalinės formos silicio dioksido. Jame nėra kitų sudedamųjų dalių, kurių dedama į kitą stiklą, kad būtų sumažinta lydymosi temperatūra. Lydyto silicio dioksido darbinė ir lydymosi temperatūra yra aukšta. Kai kuriems tikslams lydytas kvarcas dėl savo grynumo yra tinkamesnis už kitų rūšių stiklą. Šis stiklas naudojamas daugelyje aukštųjų technologijų gaminių, pvz., optikoje, spektroskopijoje, puslaidininkių pramonėje ir aukštos temperatūros aplinkose, kur reikalingas žemas terminis išsiplėtimas ir aukštas UV skaidrumas.

Saugos ir aplinkos aspektai

Smulkios kvarco dalelės (kvapiosios dulkės) gali būti kenksmingos kvėpavimo takams. Įkvėpus silicio dioksido dulkių per ilgą laiką gali išsivystyti silikozė — lėtinis plaučių uždegimas, o taip pat padidėja rizika plaučių vėžiui. Darbo aplinkoje, kur apdirbamas kvarcas (pvz., gręžimas, pjovimas, šlifavimas), būtina naudoti tinkamą vėdinimą, dulkių surinkimo sistemas ir asmenines apsaugos priemones.

Trumpa santrauka

Kvarcas — universali, plačiai paplitusi ir geologiškai svarbi medžiaga — turi daugybę formų ir panaudojimo sričių: nuo papuošalų iki pažangiausių technologijų pramonės taikymų. Jo cheminė sudėtis (SiO2), mechaninės savybės (kietumas ~7, konchoidinis lūžis) ir fizinės savybės (piezoelektrinės bei optinės savybės) lemia plačią pramoninę vertę, tuo pačiu reikalaujančią atsargumo dirbant su smulkiais kvarco dulkių pavidalais.

Šokiruotas kvarcas

Smūginis kvarcas - tai kvarco forma, kurios mikroskopinė struktūra skiriasi nuo įprasto kvarco. Esant dideliam slėgiui (bet ribotai temperatūrai), kvarco kristalinė struktūra deformuojasi išilgai kristalo viduje esančių plokštumų. Šios plokštumos mikroskopu matomos kaip linijos.

Smūginis kvarcas aptinkamas visame pasaulyje, ypač smūginiuose krateriuose ir ploname kreidos ir paleogeno pasienio sluoksnyje. Tai yra ties sąlyčiu tarp kreidos ir paleogeno uolienų. Tai dar vienas įrodymas (be praturtėjimo iridiumi), kad perėjimą tarp dviejų geologinių laikotarpių sukėlė didelis smūgis. Eugenijus Šimakeris (Eugene Shoemaker) jį aptiko statybiniuose akmenyse Bavarijos Nördlingeno mieste. Akmenys buvo iš meteorito kraterio sukrėstų metamorfinių uolienų, pavyzdžiui, brekcijų.

šokiruoto kvarco fotomikrografija

Klausimai ir atsakymai

Klausimas: Kas yra kvarcas?

K: Iš kur kilęs kvarco pavadinimas?

K: Kokios yra kai kurios kvarco atmainos?

K: Koks kietas yra kvarcas?

K: Kas yra lydytas kvarcas?

K: Kokiems gaminiams gali būti naudojamas lydytas kvarcas?

K: Kiek laiko žmonės naudoja įvairių rūšių kvarcą papuošalams ir raižiniams gaminti?

Paieška pagal raidę