Quarz

Quarz (engl. quartz), auch Tiefquarz oder α-Quarz, bezeichnet die trigonal-trapezoedrisch kristallisierende Modifikation des SiO₂ und ist die Modifikation, die bei niedrigen Drucken und Temperaturen, also auch auf der Erdoberfläche, thermodynamisch stabil ist.

Nach der Strunz'schen Systematik gehört Quarz zu der Gruppe der Oxide mit einem Metall-Sauerstoffverhältniss von 1:2, Quarzgruppe (Strunz-ID: 4/D.01-10).

Ebenfalls zur Quarzgruppe gehören Hochquarz (ß-Quarz), Tridymit, Christobalit, Coesit, Stichiovit, Melanophlogite, Seifertit, Lechatelierite und Opal.

Nach der Systematik von Dana ist α-Quarz ein Gerüstsilikat (Dana-ID: 75.1.3.1).

Tiefquarz ist zumeist farblos, häufig trüb und erscheint im Gestein eingewachsen grau. Er besitzt keine Spaltbarkeit, bricht muschelig und zeigt auf Bruchflächen einen fettigen Glanz. Seine Mohshärte beträgt 7.

Quarz wird gelegentlich mit dem Kalzit verwechselt, kann jedoch durch seine größere Härte, die niedrigere Doppelbrechung und die Reaktion des Kalzits mit verdünnter Salzsäure leicht von diesem unterschieden werden.

Morphologie

Gut ausgebildete Kristalle sind verbreitet und ihre Form kann je nach Paragenese recht unterschiedlich sein. Zumeist wird die Kristallform dominiert vom sechsseitigem Prisma

(0 1 \bar{1} 1)

, das von Rhomboedern, vorwiegend

(1 0 \bar{1} 1)

und

(0 1 \bar{1} 1)

und untergeordnet, d.h. kleiner ausgebildet, verschiedenen Trigonalen Trapezoedern wie z.B.

(5 1 \bar{6} 1)

und

(4 1 \bar{5} 1)

und Trigonalen Bipyramiden

(1 1 \bar{2} 1)

begrenzt wird.

Für auffällige Wachstumsformen von Quarz, haben sich eigene Namen etabliert:

Tessiner Habitus: Quarze deren Kristallform von großen, sehr steilen Rhomboederflächen dominiert wird
Skelettquarz: Bei schnellem Kristallwachstum in übersättigten Lösungen erfolgt das Wachstum besonders entlang der Kristallkanten und Ecken. Es bilden sich rahmenartig hervorgehobene Kanten um tiefer gelegene Kristallflächen (Rahmenquarz). Mitunter wachsen diese tiefer liegenden Kristallflächen von den hervorstehenden Kanten her wieder zu, wobei sich dünne Quarzscheiben über einem Hohlraum bilden (Fensterquarze).
Kappenquarz:
Würfelquarz:
Zepterquarz: Wächst auf einem Quarzkristall in Richtung längs der Hauptachse eine zweite, junge Generation, erhält man sogenannte Zepterquarze. Die "Töchter" sind meist klarer als der Mutterkristall. Erfolgt das spätere Kristallwachstum nur an einem Ende des Kristalls, bildet sich die charakteristische zepterförmige Kristallform heraus.
Fadenquarz: Ein „Fadenquarz“ entsteht, wenn während des Kristallwachstums ein Kluftriss auftritt und den Kristall auseinander reißt. Während des Öffnens der Kluft wächst der Kristall von beiden Seiten des Risses aus wieder zusammen. Der Riss selbst bleibt als dünner „Faden“ im Kristall sichtbar.
Friedlaender Quarz: Quarzkristalle mit Flächenstreifung auf den Flächen des sechsseitigen Prismas (10-10) quer zur kristallographischen c-Achse bzw. zum Prisma.
Phantomquarz: Erfolgt das Kristallwachstum im mehreren Phasen, sind die verschiedenen Wachstumsstufen in klaren Kristallen durch einschlussreiche Zonen sichtbar.

Weitere Namen sind für bestimmte Verwachsungen mehrerer Kristalle gebräuchlich:

Sprossenquarze oder Artischockenquarze: Quarze, die aufgrund von Gitterbaufehlern viele einzelne Tochterkristalle ausgebildet und so artischockenförmige Aggregate gebildet haben.
gewundene Quarze (Gwindel): Parallelverwachsung mehrerer plattiger Kristalle entlang einer Prismenfläche, wobei die kristallographischen Hauptachsen der Einzelkristalle nicht in einer Ebene liegen sondern gegeneinander verdreht sind.

Zwillinge

Brasilianer Zwilling: Als Brasilianer Zwilling bezeichnet man die orientierte Verwachsung der beiden enanthiomorphen Formen des Tiefquarzes, Rechts- und Linksquarz parallel zur Prismenfläche (1 1-2 0). Brasilianer Zwillinge sind oft feinlamellar und typisch für Amethyst. Dort finden sich Brasilianer Zwillingslamellen konzentriert in den {1 0 1}-Rhomboedersektoren. Der Einbau von Spuren von Eisen in die Quarzstruktur scheint eine wichtige Rolle für die Bildung der feinlamellaren Brasilianerzwillinge von Amethysten zu spielen. Entsprechend der Konzentration der Zwillingslamellen in den {1 0 1}-Rhomboedersektoren zeigen Amethyste eine höhere Eisenkonzentration in diesen Sektoren. In der seltenen Varietät Ametrin (zweifarbige Quarzkristalle) wird diese Sektorzonierung sichtbar. Die etwas eisenärmeren Sektoren sind violett und die etwas eisenreicheren Zonen gelb.
Dauphinée Zwilling (auch Schweizer oder alpines Zwillingsgesetz): Als Dauphinée Zwilling bezeichnet man die Durchdringung von zwei Tiefquarzkristallen mit gleichen Drehsinn, so dass die Flächen der positiven Rhomboeder {h 0 -h l} des einen Kristallindividuums mit den Flächen der negativen Rhomboeder {0 h -h l} des anderen Kristallindividuums zusammenfallen. Die Zwillingsachse ist entweder 0 0 1 oder 0 -1 1. Die pyro- und piezoelektrischen Effekte der beiden Kristallindividuen heben sich dabei gegenseitig auf. Dauphinée Zwillinge sind daher für die meisten technischen Anwendungen ungeeignet.
Japaner Zwilling: Verzwillingung von Tiefquarz nach der Dipyramide II Stellung (1 1 -2 2). Die Prismenachsen der verzwillingten Kristalle schneiden sich hierbei im Winkel von 84°33’, was den Zwillingen eine charakteristische herzförmige Form verleiht.

Liebisch Zwilling:
Esterel-Zwilling: Verzwillingung nach (1 0 –1 0)
Sardinien-Zwilling: Verzwillingung nach (1 0 –1 2)
Belodwa Beacon-Zwilling: Verzwillingung nach (3 0 –3 2)
Cornish-Zwilling: Verzwillingung nach (2 0 –2 1)
Wheal Coats-Zwilling: Verzwillingung nach (2 1 –3 1)
Pierre Levee-Zwilling: Verzwillingung nach (2 1 –3 3)

Zusammensetzung

Quarz ist eine sehr reine Verbindung und baut andere Elemente nur in Spuren in das SiO₂-Gerüst ein. Natürliche Quarze enthalten:

Al³⁺: 13 bis 15.000 ppm, meist nur einige 100 ppm
Fe³⁺:
Ti⁴⁺:
P⁵⁺:
H⁺:
Li⁺:
Na⁺: 9 bis 1400 ppm
K⁺: 3 bis 300 ppm

Der Einbau dieser Ionen erfolgt zumeist über einen gekoppelten Ersatz (Substitution) von einem Si⁴⁺- Ion durch ein dreiwertiges und ein einwertiges Ion, also 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.

Farben und Varietäten

Reiner Quarz ist vollkommen transparent und farblos und wird, wenn ideomorph, als Bergkristall bezeichnet. Quarze sind meist durch mikroskopische Einschlüsse von Flüssigkeiten und Gasen häufig milchig trüb (Milchquarz). Durch den Einbau färbender Ionen (im allgemeinen Fe³⁺ oder Fe²⁺), Einschluss farbiger Minerale oder Einwirkung von ionisierender Strahlung können α-Quarze unterschiedlich gefärbt sein. Anhand der Farbe und deren Ursache werden folgende Varietäten unterschieden:

Färbung durch Fremdionen und Bestrahlung

Rauchquarz, Morion: rauchfarben, graubraun
Amethyst: violett
Citrin: gelb bis orangebraun
Prasiolith: grün
Rosa Quarz Einkristalle: rosa

Färbung durch Einschlüsse

Rosenquarz: rosa, trüb
Blauer Quarz: blau
Milchquarz: milchig trüb

Mikrokristallines SiO₂

Mikroquarz: mikrokristalliner, granularer Quarz ohne erkennbar bevorzugte Wachstumsrichtung
Chalcedon: mikrokristalliner, faseriger Quarz, faserig gewachsen entlang einer Prismenfläche ^* ("length-fast").
Quarzin: mikrokristalliner, faseriger Quarz, faserig gewachsen parallel zu kristallographischen c-Achse ^* ("length-slow").

Alle Formen von mikrokristallinem Quarz weisen eine große Dichte an Gitterbaufehlern und Verzwillingungen auf. Chalcedonfasern z.B. weisen in Faserrichtung eine dichte Abfolge von Verzwillingungen nach dem Brasilianer Gesetz auf.

Die Chalcedon- und Quarzinfasern sind häufig um die Faserachse verdrillt und zeigen dann unter dem Mikroskop bei gekreuzten Polarisatoren ein oszillierendes Auslöschungsverhalten (Runzelbänderung). Chalcedone mit dieser nur unter dem Polarisationsmikroskop sichtbaren Textur wird „Zebra Calzedon“ (zebraic chalcedony) genannt.

Andere

Flint, Feuerstein und deren zahllose durch Gehalte farbiger Minerale gefärbte Varietäten sind Verwachsungen von mikrokristallinen α-Quarz mit Morganit und seltener auch Tridymit und Christobalit. Genau genommen handelt es sich hierbei nicht um Minerale und Mineralvarietäten, sondern um Gesteine. Von den zahllosen, oft nur ungenau definierten Bezeichnungen für die Varietäten von mikrokristallinem Quarz seien hier nur einige aufgeführt:

Achat, Onyx, Chalcedon: Mikrokristallin faserige Quarze
Jaspis, Eisenkiesel, Karneol (Carneol), Moosachat, Heliotrop, Sarder, Sardonyx, Schneequarz: Mikroquarze
Aventurin, Falkenauge, Tigerauge, Katzenaugen-Quarz: Quarze mit Einschlüssen plattiger oder faseriger Minerale wie Fuchsit, Rutil, Asbest

Der oft im Handel zu findende Aqua Aura ist dagegen keine Varietät sondern meistens Bergkristall (oder ein anderer Quarz), der mit Metall (vorwiegend Gold) bedampft wurde.

Physikalische Eigenschaften

Piezoelektrizität

Tiefquarz 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.

Für technische Anwendungen werden Quarze 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.

Die beiden chiralen Formen des Quarzes Rechtsquarz und Linksquarz zeigen einen gegensätzlichen piezoelektrischen Effekt. Natürliche Quarze sind häufig verzwillingt nach dem Brasilianer und Schweizer Gesetz. In solchen Zwillingen sind Rechtsquarz und Linksquarz orientiert miteinander verwachsen und deren piezoelektrische Effekte heben sich im Gesamtkristall auf. Für technische Anwendungen sind derart verzwillingte Quarze unbrauchbar und es werden vorwiegend synthetische Quarze eingesetzt.

Optische Aktivität

Da Quarz in einer enantiomorphen Struktur kristallisiert, wird die Schwingungsebene von Licht, das einen Tiefquarz in Richtung der c-Achse durchquert, gedreht. Diese Drehung beträgt 27,71°/nm für das Licht der D-Linie des Na-Spektrums.

Struktur

Tetraeder_2.jpg

quarzSpirale_a-c-Ebene.jpg

quarzSpirale_a-a-Ebene.jpg

quarzSpirale_entlang-a1.jpg

quarzGeruest_a1-a2-Ebene.jpg

α-Quarz 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 3 Formeleinheiten SiO₂.

Silizium (Si) und Sauerstoff (O) besetzen jeweils eine kristallographisch unterscheidbare Atomposition:

Si: x=0,4701; y=0; z=1/3
O: x=0,4139; y=0,2674; z=0,2144

(Daten von Will et al. 1988 für die Raumgruppe P 3₁ 2 1)

O: Jedes Sauerstoffion ist von zwei Siliziumionen im Abstand von 1,6054Å und 1,6109Å umgeben und 6 Sauerstoffen im Abstand von ca. 2.62Å. 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°.

Si: Jedes Si-Ion ist tetraedrisch von vier Sauerstoffionen umgeben, zwei im Abstand von 1,6054Å und zwei im Abstand von 1,6109Å.

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 Grad Celsius 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.

Vorkommen

Quarz ist nach Feldspäten das zweithäufigste Mineral der Erdkruste. Er kristallisiert bei der Abkühlung SiO₂-reicher Schmelzen und ist primärer Bestandteil 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 Streckeisen.

Viele metamorphe Gesteine (z.B. Schiefer, Gneise) enthalten Quarz und Quarz wird über zahllose Mineralreaktionen während der Gesteinsmetamorphose abgebaut oder gebildet. So markiert z.B. 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.

Im Gestein eingewachsen sind Quarze meist unregelmäßig geformt und trüb. Gut ausgebildete Quarzkristalle kristallisieren in Klüften, Gängen und als Auskleidung natürlicher Höhlungen, so genannter Geoden.

Verwendung

Quarz findet je nach Varietät zahlreiche verschiedene Anwendungen:

Quarzvariationen wie der Achat, der violette Amethyst, der zitronengelbe Citrin, der blutrote Jaspis oder der massive, schwarz-weiß gestreifte Onyx werden wegen der großen Härte und der guten Schneid- und Polierbarkeit des Minerals in der Schmuckindustrie zu Schmucksteinen verarbeitet.

Reiner Bergkristall wird zu optischen Prismen und Linsen geschliffen; Quarz allgemein findet 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 Siliziumtetrafluorid 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 allerdings ungeeignet als Straßenschotter, 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.

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.

Quarz und Fossilisierung

Dringt Kieselsäure-reiches Grundwasser in das Gewebe abgestorbener, holziger Pflanzen ein, so können diese durch Auskristallisierung von Quarz (Si(OH)₄ → SiO₂ + 2 H₂O) fossilisieren und zwar oft so, dass die ursprüngliche Zellstruktur erhalten bleibt. Paläobotaniker können daraus heute Schlüsse zum Beispiel zu den einstigen Wachstumsbedingungen der Pflanze ziehen.

Geschichte

Quarz 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 kommen altslawisch tvurdu für „hart“ und mittelhochdeutsch querch für „Zwerg“. Die Bezeichnung "Quarz" hat sich international durchgesetzt.

Siehe auch

Systematik der Minerale, Liste der Minerale, Geowissenschaften, Quarz (Elektrotechnik)

Literatur

Edition Dörfler: Mineralien Enzyklopädie. Nebel Verlag, ISBN 3-89555-076-0
Rudolf Rykart: Quarz-Monographie. Ott-Verlag, ISBN 3-72256-204-X
Paul Ramdohr, Hugo Strunz: Lehrbuch der Mineralogie (16. Aufl.), Ferdinand Enke Verlag (1978), ISBN 3-432-82986-8
P.J. Heaney, C.T.Prewitt, G.V. Gibbs (Editors): Silica, Physical Behavior, Geochemistry and Materials Applications; Reviews in Mineralogy Vol. 29; Mineralogical Society of America

Weblinks

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