Кварц, минерал SiO₂ — свойства, разновидности, применение

Содержание

Кварц — минерал, природный диоксид кремния SiO₂, относящийся к классу оксидов. Свободный кварц составляет около 12% массы земной коры, что делает минерал кварц одним из главных породообразующих компонентов гранитов, песчаников и кварцитов. Твёрдость минерала 7 по шкале Мооса, плотность 2,60-2,65 г/см³, температура плавления 1713-1728 °C. Кристаллизуется кварц в тригональной сингонии, спайность отсутствует, излом раковистый. До 573 °C устойчива низкотемпературная модификация α-кварц, выше этой точки решётка перестраивается в β-кварц.

Кристаллический кварц анизотропен: его физические характеристики зависят от направления в решётке. С анизотропией связан и пьезоэлектрический эффект, когда под механическим давлением на гранях кристалла возникает электрический заряд; на этом построены кварцевые резонаторы и датчики. Кристаллический кварц-минерал и аморфное кварцевое стекло — два разных состояния SiO₂: первое имеет упорядоченную решётку, второе получают плавлением кремнезёма и застыванием расплава без кристаллизации. В промышленности кварц служит сырьём для кварцевого стекла, оптических элементов и пьезоэлектрических компонентов. Чистота природного сырья и низкое содержание примесей напрямую определяют пригодность кварца для оптики и электроники.

Где применяют кварц

На стекловарение уходит больше половины добываемого в мире кварцевого песка. Содержание SiO₂ в сырье для оптического стекла должно превышать 99,5%, а для кварцевого стекла высших марок доходит до 99,99%, поэтому в дело идут отборные кварцевые пески и дроблёный жильный кварц с минимумом железистых примесей. Чистота минерала прямо определяет, в какую отрасль он попадёт.

Основные направления промышленного применения кварца:

• Стекольная промышленность. Кварцевый песок служит главным сырьём для оконного, тарного и листового стекла. Жильный кварц и горный хрусталь после плавки при 1700-1800 °C дают кварцевое стекло, прозрачное для ультрафиолета и устойчивое к термоудару.
• Оптика. Из бездефектных кристаллов и синтетического кварцевого стекла изготавливают линзы, призмы, окна фотолитографических установок, световоды. Об оптических изделиях из кварца речь идёт в отдельном разборе. Здесь критичны однородность показателя преломления и отсутствие пузырей.
• Пьезоэлектроника. Кварцевые резонаторы, генераторы опорной частоты, датчики давления и ускорения работают на пьезоэлектрическом эффекте: при механической деформации пластинки кристалла на её гранях возникает электрический заряд. Стабильность частоты кварцевого резонатора достигает 10⁻⁶ и точнее.
• Абразивы и формовочные пески. Твёрдость кварца 7 по шкале Мооса делает его рабочим телом в пескоструйной обработке, шлифовальных пастах и наждачных материалах. В литейном производстве кварцевый песок служит основой формовочных и стержневых смесей.
• Микроэлектроника. Металлургический кремний получают восстановлением кварцита углеродом в дуговых печах; после очистки до 99,9999% он идёт на полупроводниковые пластины и фотоэлектрические элементы.
• Металлургия. Кварцит применяют как флюс при выплавке металлов и как сырьё для динасовых огнеупоров, выдерживающих температуру свыше 1700 °C в сводах мартеновских и стекловаренных печей.

Один минерал обслуживает шесть несхожих производств только потому, что в каждом из них работает своё свойство SiO₂: прозрачность, твёрдость, пьезоэффект или термостойкость.

Свойства кварца

Твёрдость кварца 7 баллов по шкале Мооса, и этим эталоном минералоги веками калибруют относительную твёрдость пород прямо в поле. Свойства кварца как минерала определяются жёстким каркасом из кремнекислородных тетраэдров: именно он задаёт и механическую стойкость, и оптику, и поведение кристалла при нагреве.

Физические свойства

Тригональная сингония и класс симметрии 32 составляют структурную подпись кварца. Спайности нет вовсе, поэтому раскалывается кристалл по раковистому излому, как стекло, а не по плоскостям. Блеск стеклянный, на свежем сколе жирноватый. Показатель преломления изменяется в узком интервале 1,544-1,553 в зависимости от направления: кристалл анизотропен, и его оптические и упругие характеристики зависят от ориентации относительно главной оси.

Точную температуру плавления указать сложно. Расплав SiO₂ обладает высокой вязкостью, переход в жидкую фазу растянут, и разные методики дают разброс 1713-1728 °C.

Химические свойства и стойкость

При нормальной температуре кварц химически инертен. Соляная, серная, азотная кислоты на него не действуют, щёлочи в водных растворах тоже. Эта стойкость и делает кварцевый песок сырьём для химически нагруженных производств.

Из правила есть два исключения. Кварц растворяется в плавиковой кислоте:

SiO₂ + 4HF → SiF₄↑ + 2H₂O

Вторая реакция идёт в расплавах щелочей при высокой температуре, с образованием силикатов:

SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O

На травлении HF построена технология обработки кварцевого стекла и изготовления оптики, поэтому работа с минералом всегда требует фторидной защиты.

Полиморфизм и температурные ограничения

Схема полиморфных переходов кварца SiO₂: α-кварц — β-кварц — тридимит — кристобалит при температурах 573, 870, 1470 °C

SiO₂ существует в нескольких кристаллических формах, и переходы между ними жёстко привязаны к температуре.

α-кварц устойчив при обычных условиях и сохраняет структуру до 573 °C. На этой отметке он обратимо переходит в β-кварц: меняется лишь взаимная ориентация тетраэдров, связи не рвутся. Дальнейшие превращения уже реконструктивные. β-кварц при 870 °C переходит в тридимит, тридимит при 1470 °C в кристобалит, плавящийся около 1710 °C. Под высоким давлением образуются плотные модификации, коэсит и стишовит, маркеры ударного метаморфизма и метеоритных кратеров.

Переход α↔β при 573 °C даётся технологам дороже всего. Он сопровождается скачком объёма, и при неравномерном нагреве кварцевые изделия растрескиваются именно на этой температуре. Кто прогоняет огнеупоры или формовочные смеси через 573 °C, закладывает плавный режим: резкий проход через точку перехода ведёт к браку.

С отсутствием центра симметрии у α-кварца связано ещё одно свойство. Структура полярна, и кристалл проявляет пьезоэлектрический эффект: под механическим напряжением на гранях возникает заряд, а в обратном режиме приложенное поле деформирует кристалл. Прямой пьезоэлектрический эффект на кварце открыли в 1880 году братья Пьер и Жак Кюри, и с этого наблюдения началась вся пьезотехника. Кварц проявляет и пироэлектрический эффект, генерируя заряд при изменении температуры.

Пьезомодуль слабо зависит от температуры, и в этом ценность кварца для резонаторов. В диапазоне от −200 до +300 °C он снижается всего с 2,4×10⁻¹² до 2,2×10⁻¹² Кл/Н, около 8% на 500 градусов. Стабильность параметра позволяет строить на кварцевых пластинах частотные эталоны, фильтры и датчики, работающие в широком температурном окне.

Разновидности кварца

Разновидности кварца: горный хрусталь, молочный, дымчатый, аметист, розовый кварц и халцедон — природные образцы минерала

Минералоги описали более 20 разновидностей кварца, и различаются они не структурой решётки, а размером кристаллов и составом примесей. По размеру индивидов кварц делят на две группы: кристаллический (макрокристаллический) с различимыми гранями и скрытокристаллический (микрокристаллический), где зёрна видны только под микроскопом. Это деление важно не только для геммологии: оно прямо определяет, какие виды кварца годятся в шихту для плавки кварцевого стекла.

Кристаллические разновидности формируют хорошо огранённые кристаллы. Горный хрусталь это бесцветный прозрачный кварц, химически чистый SiO₂ без значимых примесей. Аметист получает фиолетовую окраску от примеси железа в сочетании с природным радиационным воздействием. Цитрин это жёлтый и золотистый камень; природный цитрин редок, и большинство образцов на рынке получают прокаливанием аметиста при 470-750 °C. Раухтопаз, или дымчатый кварц, окрашен в серо-коричневые тона, морион почти чёрный и просвечивает лишь в тонких сколах. Сюда же относят розовый кварц, празем зелёного цвета и авантюрин с характерными блёстками от чешуйчатых включений слюды или гематита.

Скрытокристаллические разновидности сложены из субмикронных зёрен. К ним относят халцедон и его цветовые формы, например сердолик, а также агат с полосчатым рисунком, оникс с прямолинейными слоями и яшму с обильными минеральными примесями.

Для производства кварцевого стекла отбирают прежде всего горный хрусталь и чистый прозрачный жильный кварц с содержанием SiO₂ от 99,9%. Окрашенные кристаллические разновидности (аметист, морион, раухтопаз) и скрытокристаллический кварц (агат, халцедон, яшма) несут примеси железа, алюминия и щелочей, которые ухудшают оптические свойства расплава, поэтому их область применения остаётся ювелирно-декоративной. Чем чище SiO₂, тем выше стекольная ценность камня.

Происхождение и месторождения кварца

Кварц кристаллизуется в широком температурном интервале. Магматический кварц вырастает в остывающем расплаве при 600-700 °C, гидротермальный осаждается из горячих водных растворов при 150-450 °C, а зёрна в осадочных и метаморфических породах формируются при перекристаллизации уже существующего материала. Образуется минерал кварц тремя путями: при остывании магматических расплавов (гранит на 25-35% сложен кварцем), при осаждении из гидротермальных растворов и при перекристаллизации осадочных толщ в метаморфических породах, прежде всего в кварцитах, гнейсах и кристаллических сланцах.

Формы залегания определяются геологической историей участка. Жильный кварц заполняет трещины во вмещающих породах, отлагаясь из растворов; такие тела прослеживаются на десятки и сотни метров при мощности от сантиметров до нескольких метров. Кварцевый песок это продукт механического разрушения кварцсодержащих пород: полевые шпаты и слюды выветриваются быстрее, а химически стойкие зёрна кварца переносятся водой и ветром, накапливаясь в россыпях. Горный хрусталь, прозрачные хорошо огранённые кристаллы, растёт в полостях хрусталеносных жил, которые геологи называют занорышами. Чем медленнее заполнялась полость, тем крупнее и совершеннее кристалл.

Состав примесей в природном кварце напрямую зависит от условий его роста. Быстрая кристаллизация захватывает в решётку посторонние ионы и газово-жидкие включения, а медленный рост в стабильных условиях даёт чистый прозрачный материал. Поэтому стекольную ценность минерала оценивают не вообще, а по конкретному месторождению и горизонту добычи.

Россия обладает разведанной сырьевой базой по всем типам кварцевого сырья. Ключевые месторождения кварца сосредоточены на Урале:

• Гора Хрустальная (Средний Урал), крупнейшее месторождение жильного кварца и кварцевого песка, в разработке с 1925 года, содержание SiO₂ в сырье доходит до 99%.
• Додо (Приполярный Урал), источник особо чистого кварца, лицензия принадлежит АО «Полярный кварц».
• Нестер-Шор, месторождение прозрачного жильного кварца с низким содержанием минеральных примесей.
• Верхний Парнук, хрусталеносный объект, дающий кристаллы горного хрусталя ювелирного и пьезооптического качества.

Можно ли заменить уральское сырьё привозным? Для рядовых марок да, но особо чистые сорта с приполярных месторождений по совокупности параметров остаются на отдельной позиции.

Нормативная база

Содержание SiO₂ в кварцевом песке для высокомарочного стекла должно быть не ниже 99,5%, а доля оксида железа Fe₂O₃ укладываться в сотые доли процента. Эти пороги заданы отраслевыми стандартами, и именно по ним кварцевое сырьё допускают к переработке.

Два документа определяют требования к кварцу на разных этапах производственной цепочки:

• ГОСТ 22551-77 «Песок кварцевый, молотые песчаник, кварцит и жильный кварц для стекольной промышленности. Технические условия». Регламентирует чистоту кварцевого сырья: марочность по содержанию SiO₂, предельные доли оксидов железа, алюминия и тяжёлых минералов, а также гранулометрию.
• ГОСТ 15130-86 «Стекло кварцевое оптическое. Общие технические условия». Распространяется на готовую продукцию и вводит марки КУ-1, КУ-2, КВ и КИ, различающиеся по светопропусканию и допустимому содержанию примесей.

Стандарты задают не один порог чистоты, а ступенчатую шкалу. Строительный и формовочный песок допускает содержание SiO₂ от 95% и выше. Высокомарочный стекольный песок требует уже 99,5-99,8%. Сырьё для оптического и кварцевого стекла отбирают по планке от 99,9%, а кремнезём для кварцевого стекла высших марок после глубокого обогащения доводят до 99,99% и выше. Каждая следующая ступень означает кратное снижение допустимой доли примесей.

Требования к чистоте стекольного кварцевого сырья:

Почему железо нормируют так строго? Примеси Fe₂O₃ окрашивают стекло в зеленоватый и желтоватый оттенок и снижают светопропускание, что для оптики недопустимо. Чем тоньше задача, будь то волоконная оптика, лабораторная посуда или фотошаблоны, тем выше планка по чистоте. Подробнее о том, как примеси влияют на материал, рассказывает отдельный разбор химической чистоты кварцевого стекла.

Кварц как сырьё для кварцевого стекла

Кварцевый песок высокой чистоты — промышленное сырьё для производства кварцевого стекла и силикатных материалов

Для плавки идут три типа сырья: горный хрусталь, прозрачный жильный кварц и обогащённый кварцевый песок. Объединяет их одно требование, максимальная доля диоксида кремния SiO₂ при минимуме примесей. Железо, титан, алюминий, щелочные металлы окрашивают расплав и снижают оптическое пропускание, поэтому природный кварц перед плавкой проходит несколько ступеней очистки.

Обогащение начинается с промывки, удаления глинистых частиц с поверхности зёрен. Дальше идёт гидравлическая классификация, разделяющая зёрна по крупности, и магнитная сепарация, снимающая ферромагнитные включения. Для особо чистых марок добавляют кислотное травление: остаточные металлические примеси растворяются в кислоте, и кремнезём доводится до содержания SiO₂ выше 99,99%. Чем строже требования к будущему стеклу, тем длиннее цепочка обогащения.

Готовое стекло делят на марки по ГОСТ 15130-86. Кварцевое стекло марок КУ-1, КУ-2, КВ и КИ различается по рабочему диапазону спектра: КУ-1 и КУ-2 относят к высшей чистоте, они прозрачны в ультрафиолете, КВ предназначено для общего оптического назначения, КИ работает в инфракрасной области. Выбор марки определяется тем, в каком диапазоне спектра изделию предстоит пропускать излучение. Один и тот же кремнезём, прошедший разные ступени обогащения, даёт стекло разных марок, и контроль входного сырья здесь так же важен, как и контроль готового изделия.

ГК «Кварц-Пром» работает с кварцевым стеклом с 2004 года: мы изготавливаем трубки, тигли, кюветы и оптические окна по чертежам и техническому заданию заказчика. Каждую партию проверяем на соответствие заявленным параметрам, поскольку для оптики и термонагруженных узлов разброс по примесям и геометрии недопустим.

Кварц и кварцевое стекло, ключевые отличия

Изделия из кварцевого стекла: трубки, тигли и лабораторная посуда — применение плавлёного кварца в технике

Путаница между минералом и стеклом начинается с названия: оба содержат SiO₂, но различаются на уровне атомной упаковки. Минерал кварц это кристалл с дальним порядком, стекло это застывший расплав без него. Разница в структуре определяет всё остальное: оптику, поведение при нагреве, наличие пьезоэффекта.

Выбор материала сводится к одному вопросу: нужен ли порядок в решётке. Когда инженеру требуется пьезоэлемент, резонатор или ориентированный по кристаллографическим осям срез, подходит только монокристаллический кварц, поскольку аморфная фаза пьезоэффекта не даёт. Когда задача состоит в термостойкой прозрачной детали, будь то трубка печи, тигель или смотровое окно, берут кварцевое стекло марок КУ-1, КУ-2, КВ или КИ. Из него изготавливают трубки, тигли, кюветы и оптические окна, а также кварцевую лабораторную посуду, конкретная марка выбирается по требованиям к пропусканию в УФ-диапазоне и содержанию гидроксильных групп.

Сравнение кварца-минерала и кварцевого стекла: структура, УФ-прозрачность и рабочая температура — инфографика

Частые вопросы

Что такое кварц простыми словами?

Кварц это природный минерал из диоксида кремния; его химическая формула — SiO₂. Он входит в число самых распространённых минералов земной коры: на свободный кварц приходится около 12% её объёма. Из этого минерала состоит основная масса обычного песка, а также гранит, песчаник и многие другие горные породы.

Чем кварц отличается от кварцевого стекла?

Главное различие в строении. Кварц-минерал имеет кристаллическое строение, атомы упорядочены в решётке тригональной сингонии, а кварцевое стекло аморфно, дальнего порядка в расположении атомов нет. Стекло получают плавлением природного кварцевого сырья при температуре выше 1700 °C с последующим быстрым охлаждением, которое не даёт расплаву закристаллизоваться.

Какая твёрдость у кварца?

По шкале Мооса твёрдость кварца составляет 7 баллов. Он царапает оконное стекло и закалённую сталь, поэтому служит эталоном седьмой ступени шкалы. По твёрдости кварц уступает топазу (8), корунду (9) и алмазу (10).

Какие бывают разновидности кварца?

Кристаллические разновидности это горный хрусталь, аметист, цитрин, раухтопаз, морион, розовый кварц и празем. К скрытокристаллическим относят халцедон, агат, оникс и яшму. Всего описано более 20 разновидностей, различающихся окраской и характером примесей.

Что такое пьезоэффект кварца?

Пьезоэффект это способность α-кварца генерировать электрический заряд при механической деформации, а также деформироваться под действием приложенного напряжения. Эффект открыли в 1880 году братья Пьер и Жак Кюри. На нём построены кварцевые резонаторы и генераторы частоты, которые задают ход часов и стабилизируют работу электроники.

Какой кварц годится для производства кварцевого стекла?

Подходит чистый горный хрусталь и прозрачный жильный кварц с содержанием SiO₂ не ниже 99,9%. Отдельно ограничивают долю оксида железа Fe₂O₃, не более 0,02%, поскольку железо снижает прозрачность стекла и ухудшает его оптические характеристики.

Почему кварцевые изделия трескаются при нагреве?

Причина в полиморфном переходе. Кристаллический кварц при 573 °C претерпевает α↔β-переход, перестройку решётки со скачкообразным изменением объёма. При неравномерном нагреве это создаёт внутренние напряжения, которые приводят к растрескиванию. Кварцевое стекло аморфно и такого перехода не имеет, поэтому переносит резкие перепады температуры без разрушения.

Трубки, тигли, кюветы и оптические окна из кварцевого стекла марок КУ-1, КУ-2, КВ и КИ производит ГК «Кварц-Пром»: производство работает в России с 2004 года. Каждая партия проходит контроль качества по оптическим и геометрическим параметрам. Подобрать кварцевые трубки и другие изделия можно по чертежам заказчика под конкретную задачу.