Кварц

Кварц кристаллизуется в классе тригонального трапецоэдра тригональной системы. Кристаллическая структура каркасного типа построена из кремнекислородных тетраэдров, расположенных винтообразно: атомы кремния располагаются по винтовой линии, параллельной оси симметрии третьего порядка (ось Z). Винтовое строение приводит к существованию левых и правых форм, которые отличаются и по внешней огранке кристалла. Крупные природные кристаллы кварца получили название горного хрусталя. Обычно природные кристаллы имеют форму шестигранной призмы, что отражает симметрию внутреннего строения. Внешне правильные кристаллы кварца часто сложно сдвойникованы. Двойники в кварце возникают не только при росте кристаллов, но и в результате внутренней структурной перестройки при термических α−β переходах, сопровождаемых сжатием, а также при механических деформациях.

Природный кварц часто встречается в виде зернистых кристаллов, агрегатов и сплошной массы. Цвет разнообразный: бесцветный кварц — горный хрусталь, фиолетовый — аметист, дымчатый — раухтопаз, черный — морион, золотистый — цитрин. Различные окраски обычно обусловлены наличием примесных атомов. Примеси образуют структурные дефекты — атомы внедрения Fe³⁺ или Al³⁺ в кристаллической решетке кварца замещают атомы Si⁴⁺, одновременно в решетку входят атомы Na¹⁺, Li¹⁺ или (ОН)^1-. Встречаются также сложноокрашенные кристаллы кварца за счет микровключений посторонних минералов: зеленый празем — включения микрокристалликов актинолита или хлорита; золотистый мерцающий авантюрин — включения слюды или гематита.

Кварц водонерастворим, химически стоек, устойчив к действию многих кислот, обладает малым тепловым расширением (a₁=8^.10^-6, a₃= 13, 4^.10^-6 град^-1). Кварц — хороший изолятор, его удельное сопротивление при комнатной температуре 10¹⁴-10¹⁵Ом·см. Твердость 7; плотность 2, 65 г/куб.см. Одно из самых ценных свойств кварца — термостабильность, т. е. независимость пьезоэлектрических и упругих характеристик от температуры в очень широком интервале: от самых низких температур до +573 ^оС, где происходит полиморфный переход альфа-кварца в высокотемпературную модификацию бета-кварца, сопровождающуюся изменением симметрии.

Как ромбоэдрический кристалл, кварц имеет две независимые диэлектрические проницаемости e₁=e₂иe₃. Их значения для механически свободного кристалла составляют e₁=4, 58, e₃= 4, 70. Кварц обладает нелинейными оптическими и электрооптическими свойствами. Показатели преломления (для дневного света l = 589, 3): n_e = 1, 553; n_o= 1, 544. Прозрачен для ультрафиолетовых и частично инфракрасных лучей, оптически анизотропен. При пропускании светового плоскополяризованного луча по направлению оптической оси левые кристаллы кварца вращают плоскость поляризации влево, а правые — вправо. При застывании расплавленного кварца образуется кварцевое стекло. Плавленый кварц — хороший изолятор.

Как естественный, так и искусственный кварц является важнейшим пьезоэлектрическим кристаллом: и модификации кварца обладают пьезоэлектрическими свойствами. В соответствии с симметрией кварц не обладает пьезоэлектрическими свойствами в направлении оси Z (оси с). Простейшими пьезоэлектрическими срезами кварца являются X- и Y- срезы, перпендикулярные кристаллофизическим осям X и Y. Пластинки X-среза используются обычно для возбуждения продольного, а Y-среза для возбуждения поперечного пьезоэффектов. При механической нагрузке на пластину кварца в 1 кгс/кв.см возникает разность потенциалов в 0, 06 В. Пластина кварца с нанесенными на нее электродами и держателем представляет собой резонатор (электромеханический преобразователь). Если на резонатор подать переменное напряжение, совпадающее с одной из механических частот кварца, в пластине возникают сильные механические колебания строго определенной частоты. Такие кварцевые пластины являются мощным излучателем волн сверхвысокой частоты и используются в технике.

Пьезокварцевые пластинки используются для стабилизации частот от 1 кГц до 200 МГц, для генерации и приема ультразвука, для резонаторов высокой добротности, для фильтров высокой избирательности, для измерения механического давления. Монокристаллы кварца применяются в оптическом приборостроении для изготовления фильтров, призм для спектрографов, монохроматоров, линз для Уф-оптики. Плавленый кварц применяют для изготовления специальной химической посуды. Кварц также используется для получения химически чистого кремния. Прозрачные, красивоокрашенные разновидности кварца являются полудрагоценными камнями и широко применяются в ювелирном деле. Кварцевые пески и кварциты используются в керамической и стекольной промышленности; окрашенные разновидности кварца — в ювелирном деле.