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Quarz

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Vorlage:Mineral Das Mineral Quarz (wissenschaftliche Bezeichnung: Tiefquarz oder α-Quarz) ist die auf der Erdoberfläche stabile Modifikation des Siliziumdioxids und hat die chemische Verhältnisformel SiO2. Tiefquarz besitzt eine trigonal-trapezoedrische Symmetrie und kommt in den zwei enantiomorphen Formen Rechtsquarz und Linksquarz vor (siehe Kristallstruktur).

Quarz in Reinform ist farblos (Bergkristall), häufig trüb und erscheint im Gestein eingewachsen grau. Gut ausgebildete Quarzkristalle kristallisieren in Klüften, Gängen und als Auskleidung natürlicher Höhlungen, so genannter Geoden. Durch Verwachsungen mit anderen Mineralen oder Fehlstellen im Kristallgitter kann er verschiedene Farben annehmen (siehe Farben und Varietäten). Er besitzt keine Spaltbarkeit, bricht muschelig und zeigt auf Bruchflächen einen fettigen Glanz, auf den Kristallflächen dagegen Glasglanz. Seine Mohshärte beträgt 7.

Vor der Entdeckung seiner piezoelektrischen Eigenschaften wurde Quarz und seine vielen Varietäten vor allem als Schmuckstein genutzt (siehe Verwendung).

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


Etymologie und 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.

Klassifikation

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

Ebenfalls zur Quarzgruppe gehören Hochquarz (β-Quarz), Tridymit, Cristobalit, Coesit, Stishovit, Melanophlogite, Seifertit, Lechatelierite und Opal.

Nach der Systematik von Dana wird Tiefquarz den Silikaten, genauer den Gerüstsilikaten, zugeordnet (Dana-ID: 75.1.3.1).

Bildung und Fundorte

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 dem Streckeisendiagramm.

Quarz ist in vielen metaphormen 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.

Farben und Varietäten

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). 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

  • Amethyst: violette Färbung durch das Zusammenspiel von eingelagerten Eisenionen und Bestrahlung mit Gammastrahlen
  • Citrin: gelb bis orangebraun gefärbte Quarze (auch künstlich erzeugt durch Brennen)
  • Ametrin: seltene Quarzvarietät, die Sektoren mit Amethyst- und Citrinfärbung an einem Kristall zeigt
  • Prasiolith: lauchgrüner und durchsichtiger Quarz, der selten natürlich vorkommt und auch künstlich erzeugt wird durch Brennen von Amethyst oder gelblichen Quarzen
  • Rauchquarz (Morion): durch natürliche oder künstliche Gammastrahlen graubraun (rauchfarben) bis schwarz (Morion) gefärbt
  • Rosa Quarz: klare rosa Quarze, gefärbt duch den Einbau von Phosphor

Färbung durch Einschlüsse

Mikrokristallines SiO2

  • Amethystquarz: massiges, undurchsichtiges Aggregat, gebänderte Verwachsung von Amethyst und Milchquarz
  • Mikroquarz: mikrokristalliner, granularer Quarz ohne erkennbar bevorzugte Wachstumsrichtung
  • Chalcedon: mikrokristalliner, faseriger Quarz, faserig gewachsen entlang einer Prismenfläche [11-20] ("length-fast").
  • Quarzin: mikrokristalliner, faseriger Quarz, faserig gewachsen parallel zu kristallographischen c-Achse [0001] ("length-slow").

Alle Formen von mikrokristallinem Quarz weisen eine große Dichte an Gitterbaufehlern und Verzwillingungen auf. Chalcedonfasern weisen beispielsweise in Faserrichtung eine dichte Abfolge von Verzwillingungen nach dem Brasilianer Gesetz 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 Silikagesteine seien hier nur einige aufgeführt:

Andere Varietäten


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

Chemische Zusammensetzung

Quarz ist eine sehr reine Verbindung mit der Zusammensetzung SiO2 und baut andere Elemente nur in Spuren ins Kristallgitter ein. Natürliche Quarze können zwischen 13 und 15000 ppm (meist aber nur einige 100ppm) Aluminium3+, zwischen 9 und 1400 ppm Natrium+, zwischen 3 und 300 ppm Kalium+, sowie geringere Mengen an Eisen3+, Titan4+, Phosphor5+, Wasserstoff+ und Lithium+ enthalten.

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.

Morphologie

Gut ausgebildete Kristalle sind verbreitet und ihre Form kann je nach Wachstumsbedingungen recht unterschiedlich sein. Zumeist wird die Kristallform dominiert vom sechsseitigem Prisma , das von Rhomboedern, vorwiegend und und untergeordnet, d.h. kleiner ausgebildet, verschiedenen Trigonalen Trapezoedern wie z.B. und und Trigonalen Bipyramiden begrenzt wird.

Kristall- und Wachstumsformen

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: Quarzkristalle, bei denen Partien am Ende des Kristalls wie eine Kappe ablösbar sind
  • Würfelquarz: Quarze, deren Kristallform von den Rhomboederflächen {10-11} dominiert wird. Der Winkel zwischen diesen Flächen beträgt beim Quarz 85,5°, was diesen Kristallen einen würfeligen Habitus verleiht.
  • 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 Gitterfehlern 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.

Kristallzwillinge

  • 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 0 1] oder [1 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)

Kristallstruktur

Datei:Tetraeder 2.jpg
α-Quarzstruktur: SiO4-Tetraeder
Datei:QuarzSpirale a-c-Ebene.jpg
α-Quarzstruktur: Paar spiralförmiger Ketten in Richtung der c-Achse, eine Kette blau hervorgehoben; Blick auf die a-c-Ebene
Datei:QuarzSpirale a-a-Ebene.jpg
α-Quarzstruktur: Paar spiralförmiger Ketten in Richtung der c-Achse, eine Kette blau hervorgehoben; Blick entlang der c-Achse (3-zählige Achse)
Datei:QuarzGeruest a1-a2-Ebene.jpg
α-Quarzstruktur: Verknüpfung spiralförmiger Ketten, eine Kette blau hervorgehoben; Blick entlang der c-Achse (3-zählige Achse)

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.

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)

Jedes Sauerstoffion ist von zwei Siliziumionen im Abstand von 1,6054 Å und 1,6109 Å umgeben und sechs Sauerstoffen 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 Siliziumion 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 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.

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 die so genannten Schwingquarze 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.

Verwendung

Quarz findet je nach Varietät zahlreiche verschiedene Anwendungen:

als Rohstoff

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.

als Schmuckstein
Reliefschnitt des römischen Kaisers Caracalla in Amethyst

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.

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.

Esoterik

In der Esoterik gilt Quarz als Heilstein, der vor schädlichen Strahlen bewahren, Kopfschmerzen lindern, 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 (Bergkristall) zugeordnet.

Siehe auch

Systematik der Minerale, Liste der Minerale, Portal:Geowissenschaften

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
  • Prof. Dr. Walter Schumann: Edelsteine und Schmucksteine, BLV Verlags GmbH (11. Aufl.), ISBN 3-405-15808-7
Wiktionary: Quarz – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons: Quarz – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien