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Quarz
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 Siliciumdioxids und nach den Feldspaten das zweithäufigste Mineral der Erdkruste. Quarz gehört mit einer Mohshärte von 7 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 Glas und zeigt auf den Bruchflächen einen fettigen Glanz. In der Industrie ist Quarz eines der wichtigsten Minerale und hat sowohl als Baustoff wie auch als Rohstoff für die Keramik-, Glas- und Zementindustrie weltweite Bedeutung. Schwingquarze dienen als Taktgeber in elektronischen Schaltungen und hochpräzisen Uhren. Darüber hinaus wird Quarz und seine farbigen Varietäten seit alters her als Schmuckstein geschätzt (siehe Verwendung). 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. Weiteres empfehlenswertes Fachwissen
Besondere EigenschaftenChemische ZusammensetzungQuarz ist eine sehr reine Verbindung und baut andere Elemente nur in Spuren ins Kristallgitter ein. Natürliche Quarze können zwischen 13 und 15000 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) von einem Si4+-Ion durch ein dreiwertiges und ein einwertiges Ion, so z. B. 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. PiezoelektrizitätQuarz zeigt einen starken piezoelektrischen Effekt senkrecht zur Prismenachse entlang der a-Achsen. Bei Druck auf einen Quarzkristall reagiert dieser mit einer elektrischen Polarisierung entlang der Druckrichtung. Umgekehrt führt das Anlegen einer elektrischen Spannung zu einer Dehnung oder Stauchung des Kristalls, er „schwingt“ mit einer Frequenz in exakter Abhängigkeit von seinen Abmessungen. Die Regelmäßigkeit und Genauigkeit der Schwingungen kann beim Einbau von so genannten Schwingquarzen in verschiedene Messgeräte (Uhren, Taktgeber) genutzt werden. Optische AktivitätDurch 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 unerkannte Verzwillingungen von Rechts- und Linksquarz oder kleinste 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 GeschichteQuarz war im Mittelalter eine Bezeichnung für das Bergwerk sowie für alle Kristalle. Erst mit Georgius Agricola 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. Die Bezeichnung „Quarz“ hat sich international durchgesetzt (mit leichten, sprachspezifischen Abwandlungen wie beispielsweise „quartz“ im Englischen und Französischen). KlassifikationNach der Strunzschen Systematik wird Quarz aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung zur Mineralklasse der Oxide mit einem Metall-Sauerstoffverhältnis von 1:2 gezählt und ist zudem Namensgeber für eine Gruppe chemisch ähnlicher oder gleicher Minerale. Ebenfalls zur Quarzgruppe gehören demnach Coesit, Cristobalit, Melanophlogit, Moganit, Opal, Seifertit, Stishovit und Tridymit. Das teilweise immer noch hinzugezählte Lechatelierit (Kieselglas) ist von der International Mineralogical Association (IMA) nicht als Mineral anerkannt. Die Systematik von 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 FundorteQuarz 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), Gangesteinen (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. In den Obernkirchener Sandsteinbrüchen wird der sogenannte Bremer Stein schon seit Jahrhunderten abgebaut. Gut ausgebildete Quarzkristalle entstehen jedoch bevorzugt in Klüften, Gängen und als Auskleidung natürlicher Höhlungen, so genannter Geoden. Modifikationen und VarietätenQuarz ist die auf der Erdoberfläche stabile Form (Modifikation) des kristallinen Siliciumdioxids. Zahlreiche weitere Modifikationen treten bei höheren Drucken 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 1 bar) 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 1470 °C). Cristobalit schmilzt bei 1727 °C (Temperaturen jeweils bezogen auf 1 bar). Die Umwandlungstemperaturen sind abhängig vom Druck. Allgemein nehmen sie mit steigenden Drucken zu. Bei hohen Drucken, wie sie im Erdmantel herrschen oder bei Meteoriteneinschlägen auftreten bilden sich besonders dichte SiO2-Phasen. Ab 20 kbar bildet sich Coesit (3,01 g/cm³), ab 75 kbar Stishovit (4,3 g/cm³) und ab ca. 780 kbar 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
Farbvarianten durch Einschlüsse
Mikrokristallines SiO2Unter 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. Brasilit ist dagegen die Handelsbezeichnung für eine durch Brennen grünlich-gelb bis blassgelb gefärbten Quarz. MorphologieGut 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 ({ Untergeordnet, d.h. kleiner ausgebildet, treten verschiedene trigonale Trapezoeder, meist { Kristall- und WachstumsformenFür auffällige Wachstumsformen von Quarz haben sich eigene Namen etabliert:
Weitere Namen sind für bestimmte Verwachsungen mehrerer Kristalle gebräuchlich:
KristallzwillingeDie 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 und c = 5,40039 Å. Eine Elementarzelle enthält drei Formeleinheiten SiO2. Silicium (Si) und Sauerstoff (O) besetzen kristallographisch unterscheidbare Atompositionen:
(Daten von Will et al. 1988 für die Raumgruppe P 31 2 1) 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 Härte von Quarz ist. Der Si-O-Si-Bindungswinkel beträgt 143.61 °. Jedes Siliciumion ist 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 P 31 2 1 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 P 32 2 1) 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-Quarz führt unter anderem zum Verlust der piezoelektrischen Eigenschaften. Den Übergang von der β-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. VerwendungQuarz findet je nach Varietät zahlreiche verschiedene Anwendungen. Er wird häufig mit Kaolin und Feldspat zu Porzellan verarbeitet. als RohstoffReiner Bergkristall wird zu optischen Prismen und Linsen geschliffen; Quarz findet allgemein in der Glas- und Keramikindustrie Verwendung. Da Quarz nur mit wenigen Chemikalien reagiert, kann er auch gut für Gefäße verwendet werden; Flusssäure ist die einzige Säure, die Quarz aufzulösen vermag; dabei bilden sich Siliciumtetrafluorid beziehungsweise Hexafluorokieselsäure. Bei der Wirbelschichtverbrennung wird Quarzsand mit der Luft verwirbelt, um die Wärmeübertragung zu verbessern und den Verbrennungsvorgang zu optimieren. Daneben findet Quarz Anwendung in Form feuerfester Steine. Seine hohe Festigkeit, die Pflanzenbewuchs verhindert, führt zum Einsatz des Minerals als Eisenbahnschotterkörper. Quarz ist als Straßenschotter ungeeignet, da er zu hart ist, schlecht bindet und einen raschen Verschleiß der Autoreifen verursacht. Die piezoelektrischen Eigenschaften des Quarz werden in Form von Schwingquarzen ausgenutzt, die ähnlich einem Pendel bei Anlegen einer elektrischen Spannung in einer festen Frequenz schwingen. Der Bau sehr genau gehender Quarzuhren wurde so möglich, doch auch die Taktfrequenz von Computern (Taktgeber) und der Farbträger in so gut wie allen Farbfernsehgeräten wird durch Schwingquarze vorgegeben. Daneben ist Quarz auch geeignet für Druckmessungen und in der Hochfrequenztechnik. Die beiden chiralen Formen des Quarzes, Rechtsquarz und Linksquarz, zeigen einen gegensätzlichen piezoelektrischen Effekt. In solchen Zwillingen heben sich daher die piezoelektrische Effekte im Gesamtkristall auf, weshalb sie für technische 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. Zum Einsatz kommt Quarz auch in Normmaßstäben und Normgewichten, sowie als Faden für Torsionswaagen. Quarzkristallplatten aus unverwittertem Quarz werden in der Elektroakustik verwendet. Weitere Anwendungen findet Quarz schließlich in Quarzlampen.
als SchmucksteinQuarzvariationen 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. für KüvettenIn der instrumentellen Analytik werden Küvetten aus Quarz zur Messungen von Volumen kleiner als 50 Nanoliter eingesetzt. Erst die besonderen Eigenschaften des Quarzglas ermöglichen Messaperturen und Zuführungskanäle unter 0,1 mm Durchmesser. Wegen der teilweise sehr geringen spezifischen Absorption der Proben kann die Schichtdicke nicht beliebig verkleinert werden. Daraus folgt, dass immer geringere Querschnitte der Messaperturen und der Zuführungskanäle bis unter 0,1 mm Durchmesser gefordert sind. So werden Messvolumen von weniger als 50 nl erreicht. Diese Forderungen können nur durch Übernahme der Technologien Mikrolithographie und Ätzen aus der Chipherstellung erfüllt werden. Es gibt nur sehr wenige Hersteller auf der Welt, die Küvetten aus Quarzglas qualitativ hochwertig fertigen können. Besonders zu erwähnen ist der sehr niedrige Ausdehnungskoeffizient von Quarzglas. Hierauf ist die hohe Wärmeschockfestigkeit zurückzuführen. Die hohe Erweichungstemperatur des Quarzglases erlaubt es, Küvetten herzustellen, die Temperaturen von bis zu 1400 °C standhalten. Weitere wichtige Eigenschaften von Quarzglas für die Herstellung von Küvetten sind sein hoher Reintransmissionsgrad zwischen etwa 200 bis 4000 nm, seine gute chemische Widerstandsfähigkeit und die geringe elektrische Leitfähigkeit. Nachteilig ist, dass Quarzglas schwer zu verarbeiten ist. Quarz und FossilisierungDringt Kieselsäure-reiches 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. VorsichtsmaßnahmenBeim Abbau von Quarz und insbesondere beim Edelsteinschleifen kommt es teilweise zu erheblichen Staubbildungen, die, über längere Zeit eingeatmet, zu der unter Bergleuten gefürchteten Silikose führen. EsoterikIn der Esoterik gilt reiner Quarz (Bergkristall) als Heilstein, der vor schädlichen Strahlen bewahren, Kopfschmerzen und verschiedene Entzündungen lindern, Leber und Niere reinigen und die Durchblutung (Krampfadern) stärken soll. Quarz ist dem Tierkreiszeichen Löwe, den Planeten Saturn und Neptun und dem Monat April zugeordnet. Den verschiedenen Variätäten wie dem gelben Citrin oder dem violetten Amethyst werden zudem überwiegend Eigenschaften zugeschrieben, die sich aus der Mythologie ihrer Farbe ableiten lassen; z. B. gelb für Energie und violett für Spiritualität. Wissenschaftliche Belege hierfür existieren jedoch nicht. Siehe auchLiteratur
Kategorien: Lesenswert | Schmuckstein | Mineral | Siliciummineral | Oxide und Hydroxide | Rhomboedrisches Kristallsystem |
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| Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Quarz aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
}). Die Prismenflächen liegen parallel zur kristallographischen c-Achse. Begrenzt wird das Prisma an den Enden vom positiven und negativen 
} und {
}), wobei das positive Hauptrhomboeder mit größeren Flächen auftritt.
} und trigonale 
} 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 {
