Kwarts

Kwarts
Mineraal
Chemische formule	SiO2
Tweelingen	zeer algemeen
Kleur	kleurloos indien zuiver, verder alle kleuren mogelijk
Streepkleur	wit
Hardheid	7 per definitie
Gemiddelde dichtheid	2,65 kg/dm3
Glans	glasglans
Opaciteit	doorzichtig tot opaak
Breuk	schelpvormig
Splijting	geen
Habitus	zeszijdig prisma met uiteinden van zeszijdige piramides
Kristaloptiek
Kristalstelsel	trigonaal α, ; hexagonaal β
Ruimtegroep	P3121 α, ; P6422 β
Eenheidscel	a=491,36pm ; c=540,51 α
Brekingsindices	1,4585
Dubbele breking	+ 0,00910
Overige eigenschappen
Radioactiviteit	geen
Magnetisme	geen
Bijzondere kenmerken	piëzo-elektrisch
Lijst van mineralen
Portaal	Aardwetenschappen

Kwarts is een polymorfe vorm van siliciumdioxide SiO₂. Het vormt meer dan 12% van het volume van de aardkorst en is daarmee een van de meest voorkomende mineralen in de aardkorst. Zand en graniet bestaan hoofdzakelijk uit kwarts.

Afbeelding met een rasterelektronenmicroscoop van kwartsgroei op zand

Geschiedenis

De kristallen zijn reeds bekend vanuit de klassieke oudheid. De naam kwarts komt van het Duitse Quarz, van Slavische oorsprong, wat 'hard' betekent. De Romeinen dachten dat kwarts permanent gestold water was, dus ijs, omdat kwarts vooral in gletsjers werd gevonden.

Vorming

Kwarts ontstaat bij het afkoelen van een gesmolten massa silicaat, maar ook het afkoelen van een hete oplossing van orthokiezelzuur kan tot kwarts leiden. Het afkoelen moet langzaam verlopen. Dan ontstaan grote kristallen. Omdat het kristalliseren vrij traag gaat, ontstaat bij snelle afkoeling van gesmolten silica vaak de amorfe vorm van kwarts, dit wordt kwartsglas genoemd.

Kwarts kan zowel heel grote kristallen vormen als microscopisch kleine. De grootst bekende kwartskristallen komen voor in Farm Verloren in Namibië. Deze kristallen zijn tot 20 meter groot, mogelijk 50 meter. Deze grootste kristallen ontstaan door de invloed van heet water op gesteenten. Hierbij lost SiO₂-houdend gesteente op in de vorm van orthokiezelzuur. Bij afkoeling van de oplossing slaat het zuur neer in holtes of geoden en scheuren.

Kwarts komt veel voor in de aardkorst en is een belangrijk mineraal in stollingsgesteenten, zoals graniet. Kwarts is chemisch vrij inert. Onder atmosferische omstandigheden lost het slecht op in water. De oplosbaarheid in water is bij 25 °C tussen de 6 en 11 mg/l. Dit betekent dat bij verwering van kwartshoudende gesteenten kwarts nauwelijks oplost. Hierdoor zijn de verweerde vormen van kwarts, zoals zand en zandsteen, de meest voorkomende vormen.

Eigenschappen

Structuur

Kwarts heeft de molecuulformule SiO₂ en is een van de polymorfe vormen van silica. De bindingen tussen de atomen silicium Si en zuurstof O zijn polair covalent van aard.

Een molecuul dat uit silicium- en zuurstofatomen is opgebouwd heeft normaal een tetraëdrische moleculaire geometrie. Ieder siliciumatoom is hierin met vier zuurstofatomen verbonden en ieder zuurstofatoom met één siliciumatoom. Deze losse moleculen hebben de molecuulformule SiO₄. Echter komen losse SiO₄-moleculen alleen in de gas fase voor, bij een temperatuur boven de 2230 °C. Een vast kwartskristal bestaat daarom ook niet uit losse moleculen; het is geen moleculaire stof maar een zogenoemd covalent netwerk dat is opgebouwd uit SiO₂-moleculen, die zijn gerangschikt. Voor kristallijne vormen van silica is dit in een bepaald regelmatig continu patroon, het kristalrooster. De rangschikking is voor amorfe vormen willekeurig.^[1]

Elk siliciumatoom is weer met vier zuurstofatomen verbonden, maar elk zuurstofatoom is nu aan twee siliciumatomen verbonden. Ieder siliciumatoom Si 'deelt' dus vier keer een half zuurstofatoom, oftewel twee zuurstofatomen O₂. Op deze manier ontstaat een driedimensionaal netwerk van viervlakken van SiO₄, waarbij elk zuurstofatoom is gedeeld tussen twee viervlakken.^[1] Vanwege het driedimensionale netwerk wordt kwarts tot de tectosilicaten gerekend.

Kwarts-polymorfie

Kristallijn kwarts heeft twee fasen, waarbij de configuratie van de silica-viervlakken verschillend is. Dit verschil in oriëntatie van de atomen geeft de twee fasen een verschillend kristalrooster:

α-kwarts heeft een trigonaal kristalstelsel
β-kwarts, gevormd bij een hoge temperatuur, heeft een hexagonaal kristalstelsel.

Daarnaast bestaat er een amorfe vorm van kwarts, het kwartsglas.

Polymorfen zijn vaste materialen uit dezelfde samengestelde stof, die in verschillende kristalstructuren bestaan.^[2] Zo komt siliciumdioxide behalve de twee polymorfe vormen van kwarts, α- en β-kwarts, nog in veel andere kristalstructuren voor, zoals:

Polymorfie in kwarts
Eenheidscel van α-kwarts.
Eenheidscel van β-kwarts.
Kristallijne SiO₂-structuur in een regelmatig gerangschikt kristalrooster. Het vierde zuurstofatoom ligt steeds boven het siliciumatoom.
Amorfe SiO₂-structuur in een willekeurige rangschikking zonder kristalrooster.

Kwartsvariëteit

Ion	Ondergrens (ppm)	Bovengrens (ppm)
Al³⁺	13	15.000
Na⁺	9	1400
K⁺	3	300
Fe³⁺, Ti⁴⁺, P⁵⁺, H⁺, Li⁺		sporen

Behalve de twee verschillende polymorfen van kwarts met elk hun eigen kristalstructuur is er ook onderscheid te maken tussen de verschillende kwartsvariëteiten. Deze verschillen in kleur, onzuiverheden of habitus. Natuurlijk zijn ze allemaal hoofdzakelijk opgebouwd uit het amorfe kwartsglas of het kristallijne α- of β-kwarts, anders zouden het geen kwartsen^[3] zijn.

Onzuiverheden

Zuiver kwarts komt in bergkristal voor. Echter, onzuiverheden van andere elementen dan silicium en zuurstof komen van nature vaak voor in kwarts. Tijdens de groei van het kristal worden deze elementen (ionen) in het kristalrooster opgenomen. In de tabel hiernaast staan de meest voorkomende elementen vermeld met de concentratie onder- en bovengrens in ppm (parts per million).

Het aluminium en ijzer zijn verantwoordelijk voor de kleur van een aantal kwartsvariëteiten. Vooral in combinatie met ioniserende straling treedt er een kleureffect op. Kwartskristallen kunnen over andere mineralen heen groeien zoals bij rutielkwarts het geval is.

Industriële toepassing

Kwartsglas

Kwartsglas is een amorfe (niet-kristallijne) vorm van kwarts. Het blazen van kwartsglas is moeilijker dan "echt" glas, doordat het verwekingspunt veel hoger ligt en veel abrupter start. Het vereist goede ventilatie, omdat er gasvormig SiO₂ bij ontstaat; dit kan de longen aantasten.

Kwartsglas wordt veel toegepast vanwege de bruikbare materiaaleigenschappen als:

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.

Kristallijn kwarts

Kristallijn kwarts is de bron van silicium voor de halfgeleiderindustrie en de siliciumchemie. Daarnaast is kwarts 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.

Kwartsvariëteiten

Hieronder is een lijst met de meest bekende kwartsvariëteiten te zien. Vaak worden deze ingedeeld in twee hoofdgroepen. De macrokristallijne variëteiten bestaan uit kristallen die met het blote oog te zien zijn. De kristalvorm zelf hoeft niet altijd zichtbaar te zijn. Rozenkwarts is hiervan een voorbeeld. De cryptokristallijne variëteiten bestaan uit, voor het oog, onzichtbaar kleine kristallen. Het onderscheid tussen verschillende kwartsvariëteiten is vaak vaag. Zo is het scheidingspunt tussen een donkere rookkwarts en een lichte morion eigenlijk niet te bepalen.

Macrokristallijne variëteiten

Amethist is de paarse variëteit van kwarts.
Ametrien is een vergroeiing van amethist en citrien.
Aventurien is kwarts met insluitsels van plaatvormige mineralen zoals fuchsiet.
Bergkristal is helder en kleurloos.
Blauwkwarts is een blauwe variëteit van kwarts.
Citrien is de gele variëteit. Het wordt ook geproduceerd door het verhitten van amethist.
IJzerkwarts is kwarts met insluitingen van ijzermineralen en daardoor roodgekleurd.
Melkkwarts is wit.
Morion is een zeer donkerbruine tot zwarte variëteit.
Kattenoog is kwarts dat het chatoyance-effect bezit.
Praas is groene kwarts met insluitingen van bijvoorbeeld actinoliet of hedenbergiet.
Prasioliet in een groene, ijzerhoudende kwarts. Het wordt soms geproduceerd door verhitten van amethist.
Rookkwarts is lichtbruine tot donkerbruine kwarts. Het kan door bestraling van bergkristal gemaakt worden.
Rozenkwarts is een massieve roze variëteit van kwarts.
Roze kwarts werd oorspronkelijk voor een duidelijk gekristalliseerde variant van rozenkwarts aangezien, maar de kleur blijkt door een ander mechanisme te ontstaan.
Rutielkwarts bestaat meestal uit bergkristal met insluitingen van rutielkristallen.
Tijgeroog is een pseudomorfose van kwarts en goethiet na riebeckiet.
Tijgerijzer bestaat uit hematiet, jaspis en tijgeroog.
Valkenoog is kwarts met riebeckietvezels.

Cryptokristallijne variëteiten

Agaat bestaat uit gebande chalcedoon.
Carneool is helderoranje tot dieprode chalcedoon.
Chalcedoon is een vezelige, doorschijnende cryptokristallijne variëteit van kwarts.
Chrysopraas is groene chalcedoon.
Heliotroop is groene jaspis met rode vlekken.
Jaspis is opake cryptokristallijne kwarts.
Onyx is zwart-wit gebande agaat.
Sardonyx is rood-zwart-wit gebande agaat.
Plasma is groene jaspis.
Sarder is bruine chalcedoon.
Vuursteen bestaat uit cryptokristallijne kwarts en chemisch gebonden water.