El cuarzo es un mineral cristalino duro compuesto de sílice ( dióxido de silicio ). Los átomos están enlazados en una estructura continua de tetraedros silicio-oxígeno SiO 4 , y cada oxígeno se comparte entre dos tetraedros, lo que da una fórmula química general de SiO 2 . El cuarzo es el segundo más abundante de minerales en la Tierra 's corteza continental , por detrás de feldespato . [9]
Cuarzo | |
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General | |
Categoría | mineral de silicato [1] |
Fórmula (unidad de repetición) | SiO 2 |
Clasificación de Strunz | 4.DA.05 ( óxidos ) |
Clasificación de Dana | 75.01.03.01 ( tectosilicatos ) |
Sistema de cristal | α-cuarzo: trigonal β-cuarzo: hexagonal |
Clase de cristal | α-cuarzo: trapezoédrico (clase 3 2); β-cuarzo: trapezoédrico (clase 6 2 2) [2] |
Grupo espacial | α-cuarzo: P3 2 21 (núm. 154) [3] β-cuarzo: P6 2 22 (núm. 180) [4] |
Celda unitaria | a = 4,9133 Å , c = 5,4053 Å; Z = 3 |
Identificación | |
Masa de fórmula | 60.083 g · mol −1 |
Color | Incoloro a través de varios colores hasta negro |
Hábito de cristal | Prisma de 6 lados que termina en una pirámide de 6 lados (típico), druso, de grano fino a microcristalino, masivo |
Hermanamiento | Ley Dauphine común, ley de Brasil y ley de Japón |
Escote | {0110} Indistinto |
Fractura | Concoidal |
Tenacidad | Frágil |
Escala de Mohs de dureza | 7 - menor en variedades impuras (definiendo mineral) |
Lustre | Vítreo - ceroso a opaco cuando es masivo |
Racha | blanco |
Diafanidad | Transparente a casi opaco |
Gravedad específica | 2,65; variable 2.59-2.63 en variedades impuras |
Propiedades ópticas | Uniaxial (+) |
Índice de refracción | n ω = 1,543–1,545 n ε = 1,552–1,554 |
Birrefringencia | +0,009 (intervalo de glucosa en sangre) |
Pleocroísmo | Ninguno |
Punto de fusion | 1670 ° C (β tridimita ) 1713 ° C (β cristobalita ) [2] |
Solubilidad | Insoluble en STP ; 1 ppm de masa a 400 ° C y 500 lb / in 2 a 2600 ppm de masa a 500 ° C y 1500 lb / in 2 [2] |
Otras características | celosía: hexagonal , piezoeléctrica , puede ser triboluminiscente , quiral (por lo tanto, ópticamente activa si no racémica ) |
Referencias | [5] [6] [7] [8] |
El cuarzo existe en dos formas, el cuarzo α normal y el cuarzo β de alta temperatura, ambos quirales . La transformación de α-cuarzo en β-cuarzo tiene lugar abruptamente a 573 ° C (846 K; 1063 ° F). Dado que la transformación va acompañada de un cambio significativo en el volumen, puede inducir fácilmente la fractura de cerámicas o rocas que atraviesan este umbral de temperatura.
Hay muchas variedades diferentes de cuarzo, varias de las cuales son piedras preciosas semipreciosas . Desde la antigüedad, las variedades de cuarzo han sido los minerales más utilizados en la fabricación de joyas y tallas de piedra dura , especialmente en Eurasia .
El cuarzo es el mineral que define el valor de 7 en la escala de dureza de Mohs , un método de rayado cualitativo para determinar la dureza de un material a la abrasión.
Etimología
La palabra "cuarzo" se deriva de la palabra alemana "Quarz", que tenía la misma forma en la primera mitad del siglo XIV en alemán medio alto y en alemán centro-oriental [10] y que proviene del término dialectal polaco kwardy , que corresponde al término checo tvrdý ("duro"). [11]
Los antiguos griegos se referían al cuarzo como κρύσταλλος ( krustallos ) derivado del griego antiguo κρύος ( kruos ) que significa "frío helado", porque algunos filósofos (incluido Theophrastus ) aparentemente creían que el mineral era una forma de hielo sobreenfriado . [12] Hoy en día, el término cristal de roca se utiliza a veces como un nombre alternativo para el cuarzo cristalino grueso transparente. [13] [14]
Hábito y estructura cristalinos
El cuarzo pertenece al sistema de cristal trigonal . La forma de cristal ideal es un prisma de seis lados que termina con pirámides de seis lados en cada extremo. En la naturaleza, los cristales de cuarzo a menudo están maclados (con cristales de cuarzo gemelos para diestros y zurdos), distorsionados o entrecruzados con cristales adyacentes de cuarzo u otros minerales que solo muestran parte de esta forma, o carecen por completo de caras de cristal obvias. y parecer masivo. [15] [16] Los cristales bien formados se forman típicamente como drusas (una capa de cristales que recubren un vacío), de las cuales las geodas de cuarzo son ejemplos particularmente buenos. [17] Los cristales están unidos en un extremo a la roca circundante, y solo está presente una pirámide de terminación. Sin embargo, los cristales biterminados ocurren donde se desarrollan libremente sin unión, por ejemplo, dentro del yeso . [18]
El α-cuarzo cristaliza en el sistema de cristal trigonal, grupo espacial P 3 1 21 o P 3 2 21 dependiendo de la quiralidad. El cuarzo β pertenece al sistema hexagonal, grupo espacial P 6 2 22 y P 6 4 22, respectivamente. [19] Estos grupos espaciales son verdaderamente quirales (cada uno pertenece a los 11 pares enantiomorfos). Tanto el cuarzo α como el cuarzo β son ejemplos de estructuras cristalinas quirales compuestas de bloques de construcción aquirales ( tetraedros de SiO 4 en el presente caso). La transformación entre α- y β-cuarzo solo implica una rotación comparativamente menor de los tetraedros entre sí, sin un cambio en la forma en que están vinculados. [15] [20]
Estructura cristalina de cuarzo α (las bolas rojas son oxígeno, las grises son silicio)
β-cuarzo
Variedades (según microestructura)
Aunque muchos de los nombres de las variedades surgieron históricamente del color del mineral, los esquemas de nombres científicos actuales se refieren principalmente a la microestructura del mineral. El color es un identificador secundario para los minerales criptocristalinos, aunque es un identificador principal para las variedades macrocristalinas. [21]
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Variedades (según color)
El cuarzo puro, tradicionalmente llamado cristal de roca o cuarzo claro, es incoloro y transparente o translúcido, y a menudo se ha utilizado para tallas de piedra dura , como el cristal de Lothair . Las variedades de colores comunes incluyen citrino, cuarzo rosa, amatista, cuarzo ahumado, cuarzo lechoso y otros. [22] Estas diferenciaciones de color surgen de la presencia de impurezas que cambian los orbitales moleculares, provocando que se produzcan algunas transiciones electrónicas en el espectro visible que provocan colores.
La distinción más importante entre los tipos de cuarzo es la de macrocristalinos (cristales individuales visibles a simple vista) y las variedades microcristalinas o criptocristalinas ( agregados de cristales visibles solo con gran aumento). Las variedades criptocristalinas son translúcidas o en su mayoría opacas, mientras que las variedades transparentes tienden a ser macrocristalinas. La calcedonia es una forma criptocristalina de sílice que consta de finos intercrecimientos tanto de cuarzo como de su polimorfo monoclínico moganita . [23] Otras variedades de piedras preciosas opacas de cuarzo, o rocas mixtas, incluido el cuarzo, que a menudo incluyen bandas o patrones de color contrastantes, son ágata , cornalina o sard, ónix , heliotropo y jaspe . [15]
Amatista
La amatista es una forma de cuarzo que varía desde un violeta vivo brillante hasta un tono lavanda oscuro o opaco. Los depósitos de amatistas más grandes del mundo se encuentran en Brasil, México, Uruguay, Rusia, Francia, Namibia y Marruecos. A veces, la amatista y el citrino se encuentran creciendo en el mismo cristal. Luego se le conoce como ametrina . Una amatista obtiene su color de rastros de hierro en su estructura. [24]
Cuarzo azul
El cuarzo azul contiene inclusiones de magnesio-riebeckita fibrosa o crocidolita . [25]
Cuarzo dumortierita
Las inclusiones del mineral dumortierita dentro de las piezas de cuarzo a menudo dan como resultado manchas de apariencia sedosa con un tono azul . A veces también se presentan matices de violeta o gris . El "cuarzo dumortierita" (a veces llamado "cuarzo azul") presenta a veces zonas de colores claros y oscuros contrastantes en todo el material. [26] [27] El "cuarzo azul" es una piedra preciosa menor. [26] [28]
Citrino
El citrino es una variedad de cuarzo cuyo color varía de un amarillo pálido a marrón debido a las impurezas férricas . Los citrinos naturales son raros; la mayoría de los citrinos comerciales son amatistas o cuarzos ahumados tratados térmicamente . Sin embargo, una amatista tratada térmicamente tendrá pequeñas líneas en el cristal, a diferencia del aspecto turbio o ahumado de un citrino natural. Es casi imposible diferenciar visualmente entre citrino cortado y topacio amarillo , pero difieren en dureza . Brasil es el principal productor de citrino, y gran parte de su producción proviene del estado de Rio Grande do Sul . El nombre se deriva de la palabra latina citrina que significa "amarillo" y es también el origen de la palabra " cidra ". A veces, la citrina y la amatista se pueden encontrar juntas en el mismo cristal, que luego se conoce como ametrina . [29] Se ha hecho referencia al citrino como la "piedra del comerciante" o "piedra del dinero", debido a la superstición de que traería prosperidad. [30]
El citrino se apreció por primera vez como una piedra preciosa de color amarillo dorado en Grecia entre el 300 y el 150 a. C., durante la época helenística. El cuarzo amarillo se utilizó antes para decorar joyas y herramientas, pero no fue muy buscado. [31]
Cuarzo lechoso
El cuarzo de leche o cuarzo lechoso es la variedad más común de cuarzo cristalino. El color blanco es causado por diminutas inclusiones fluidas de gas, líquido o ambos, atrapadas durante la formación de cristales, [32] lo que lo hace de poco valor para aplicaciones ópticas y de piedras preciosas de calidad. [33]
Cuarzo rosa
El cuarzo rosa es un tipo de cuarzo que exhibe un tono de rosa pálido a rojo rosa. Por lo general, se considera que el color se debe a trazas de titanio , hierro o manganeso en el material. Algunos cuarzo rosa contienen agujas de rutilo microscópicas que producen un asterismo en la luz transmitida. Estudios recientes de difracción de rayos X sugieren que el color se debe a delgadas fibras microscópicas de posiblemente dumortierita dentro del cuarzo. [34]
Además, existe un tipo raro de cuarzo rosa (también llamado con frecuencia cuarzo rosa cristalino) cuyo color se cree que es causado por trazas de fosfato o aluminio . El color de los cristales es aparentemente fotosensible y está sujeto a decoloración. Los primeros cristales se encontraron en una pegmatita encontrada cerca de Rumford , Maine , EE. UU. Y en Minas Gerais , Brasil . [35]
Cuarzo ahumado
El cuarzo ahumado es una versión gris translúcida del cuarzo. Su claridad varía desde una transparencia casi completa hasta un cristal gris pardusco que es casi opaco. Algunos también pueden ser negros. La translucidez es el resultado de la irradiación natural que actúa sobre pequeñas trazas de aluminio en la estructura cristalina. [36]
Prasiolita
La prasiolita , también conocida como vermarina , es una variedad de cuarzo de color verde. Desde 1950, casi todo el prasiolito natural proviene de una pequeña mina brasileña , pero también se ve en la Baja Silesia en Polonia . La prasiolita natural también se encuentra en el área de Thunder Bay en Canadá . Es un mineral raro en la naturaleza; la mayor parte del cuarzo verde es amatista tratada térmicamente. [37]
Diamante Herkimer
Cristal de roca
Ametrino
Amatista
Cuarzo azul
Calcedonia
Citrino
Cuarzo rosa
Prasiolita
Cuarzo rutilado
Cuarzo cetro
Cuarzo ahumado
Tratamientos sintéticos y artificiales
No todas las variedades de cuarzo son naturales. Algunos cristales de cuarzo transparente se pueden tratar con calor o irradiación gamma para inducir el color donde de otro modo no se habría producido de forma natural. La susceptibilidad a tales tratamientos depende de la ubicación desde la que se extrajo el cuarzo. [38]
La prasiolita , un material de color oliva, se produce mediante tratamiento térmico; [39] También se ha observado prasiolita natural en la Baja Silesia en Polonia. [40] Aunque la citrina se produce de forma natural, la mayoría es el resultado del tratamiento térmico de la amatista o el cuarzo ahumado. [39] La cornalina ha sido tratada térmicamente para profundizar su color desde tiempos prehistóricos. [41]
Debido a que el cuarzo natural a menudo se combina , el cuarzo sintético se produce para su uso en la industria. Los monocristales grandes e impecables se sintetizan en un autoclave mediante el proceso hidrotermal . [42] [15] [43]
Al igual que otros cristales, el cuarzo se puede recubrir con vapores metálicos para darle un brillo atractivo. [44] [45]
Ocurrencia
El cuarzo es un componente definitorio del granito y otras rocas ígneas félsicas . Es muy común en rocas sedimentarias como arenisca y pizarra . Es un componente común de esquistos , gneis , cuarcitas y otras rocas metamórficas . [15] El cuarzo tiene el menor potencial de intemperismo en la serie de disolución de Goldich y, en consecuencia, es muy común como mineral residual en sedimentos de corrientes y suelos residuales . Generalmente, una alta presencia de cuarzo sugiere una roca " madura ", ya que indica que la roca ha sido muy reelaborada y que el cuarzo fue el mineral principal que soportó la intemperie. [46]
Mientras que la mayoría de cuarzo fundido cristaliza a partir del magma , cuarzo también químicamente precipitados a partir calientes hidrotermales venas como ganga , a veces con mineral de minerales como el oro, la plata y el cobre. En las pegmatitas magmáticas se encuentran grandes cristales de cuarzo . [15] Los cristales bien formados pueden alcanzar varios metros de longitud y pesar cientos de kilogramos. [47]
Los cristales de cuarzo naturales de pureza extremadamente alta, necesarios para los crisoles y otros equipos utilizados para cultivar obleas de silicio en la industria de los semiconductores , son caros y raros. Una importante ubicación minera de cuarzo de alta pureza es la mina Spruce Pine Gem en Spruce Pine, Carolina del Norte , Estados Unidos . [48] El cuarzo también se puede encontrar en el pico Caldoveiro , en Asturias , España . [49]
El cristal de cuarzo más grande documentado se encontró cerca de Itapore , Goiaz , Brasil; medía aproximadamente 6,1 × 1,5 × 1,5 my pesaba 39,916 kilogramos . [50]
Minería
El cuarzo se extrae de minas a cielo abierto . Los mineros ocasionalmente usan explosivos para exponer bolsas profundas de cuarzo. Con mayor frecuencia, las excavadoras y las retroexcavadoras se utilizan para eliminar la tierra y la arcilla y exponer las vetas de cuarzo, que luego se trabajan con herramientas manuales. Se debe tener cuidado para evitar cambios bruscos de temperatura que puedan dañar los cristales. [51] [52]
Casi toda la demanda industrial de cristal de cuarzo (utilizado principalmente en electrónica) se satisface con cuarzo sintético producido por el proceso hidrotermal. Sin embargo, los cristales sintéticos son menos apreciados para su uso como piedras preciosas. [53] La popularidad de la curación con cristales ha aumentado la demanda de cristales de cuarzo natural, que ahora a menudo se extraen en países en desarrollo utilizando métodos de extracción primitivos, que a veces implican trabajo infantil . [54]
Minerales de sílice relacionados
La tridimita y la cristobalita son polimorfos de SiO 2 de alta temperatura que se encuentran en rocas volcánicas con alto contenido de sílice . La coesita es un polimorfo más denso de SiO 2 que se encuentra en algunos sitios de impacto de meteoritos y en rocas metamórficas formadas a presiones mayores que las típicas de la corteza terrestre. La stishovita es un polimorfo de SiO 2 aún más denso y de mayor presión que se encuentra en algunos sitios de impacto de meteoritos. [55] La lechatelierita es un vidrio de sílice amorfo SiO 2 que se forma al caer un rayo en arena de cuarzo . [56]
Seguridad
Dado que el cuarzo es una forma de sílice, es un posible motivo de preocupación en varios lugares de trabajo. Cortar, esmerilar, picar, lijar, perforar y pulir productos de piedra natural y manufacturada puede liberar niveles peligrosos de partículas de polvo de sílice cristalina muy pequeñas en el aire que respiran los trabajadores. [57] La sílice cristalina de tamaño respirable es un carcinógeno humano reconocido y puede provocar otras enfermedades de los pulmones como la silicosis y la fibrosis pulmonar . [58] [59]
Historia
La palabra "cuarzo" proviene del alemán Quarz ( ayuda · info ),[60]que es de origen eslavo (los mineros checos lo llamaronkřemen). Otras fuentes atribuyen el origen de lapalabraa lapalabrasajonaQuerkluftertz, que significamineral de vena cruzada. [61]
El cuarzo es el material más común identificado como la sustancia mística maban en la mitología aborigen australiana . Se encuentra regularmente en cementerios de tumbas de paso en Europa en un contexto de entierro, como Newgrange o Carrowmore en Irlanda . La palabra irlandesa para cuarzo es grianchloch , que significa 'piedra solar'. El cuarzo también se utilizó en la Irlanda prehistórica , así como en muchos otros países, para herramientas de piedra ; tanto el cuarzo veta como el cristal de roca fueron tallados como parte de la tecnología lítica de los pueblos prehistóricos. [62]
Si bien el jade ha sido desde los primeros tiempos la piedra semipreciosa más preciada para tallar en el este de Asia y la América precolombina , en Europa y el Medio Oriente las diferentes variedades de cuarzo fueron las más comúnmente utilizadas para los diversos tipos de joyería y tallado en piedra dura. , incluidas gemas grabadas y gemas de camafeo , jarrones de cristal de roca y vasijas extravagantes. La tradición continuó produciendo objetos que fueron muy valorados hasta mediados del siglo XIX, cuando desapareció en gran medida de la moda, excepto en la joyería. La técnica del camafeo aprovecha las bandas de color en ónix y otras variedades.
El naturalista romano Plinio el Viejo creía que el cuarzo era hielo de agua , permanentemente congelado después de mucho tiempo. [63] (La palabra "cristal" proviene de la palabra griega κρύσταλλος , "hielo".) Apoyó esta idea diciendo que el cuarzo se encuentra cerca de los glaciares en los Alpes, pero no en las montañas volcánicas, y que se formaron grandes cristales de cuarzo. en esferas para enfriar las manos. Esta idea persistió al menos hasta el siglo XVII. También conocía la capacidad del cuarzo para dividir la luz en un espectro . [64]
En el siglo XVII, el estudio del cuarzo de Nicolas Steno allanó el camino para la cristalografía moderna . Descubrió que, independientemente del tamaño o la forma de un cristal de cuarzo, las caras largas de su prisma siempre se unían en un ángulo perfecto de 60 °. [sesenta y cinco]
Las propiedades piezoeléctricas del cuarzo fueron descubiertas por Jacques y Pierre Curie en 1880. [66] [67] El oscilador o resonador de cuarzo fue desarrollado por primera vez por Walter Guyton Cady en 1921. [68] [69] George Washington Pierce diseñó y patentó osciladores de cristal de cuarzo en 1923. [70] [71] [72] Warren Marrison creó el primer reloj de oscilador de cuarzo basado en el trabajo de Cady y Pierce en 1927. [73]
Los esfuerzos para sintetizar el cuarzo comenzaron a mediados del siglo XIX cuando los científicos intentaron crear minerales en condiciones de laboratorio que imitaran las condiciones en las que se formaban los minerales en la naturaleza: el geólogo alemán Karl Emil von Schafhäutl (1803-1890) fue la primera persona en sintetizar cuarzo cuando en 1845 creó cristales de cuarzo microscópicos en una olla a presión. [74] Sin embargo, la calidad y el tamaño de los cristales producidos por estos primeros esfuerzos fueron deficientes. [75]
En la década de 1930, la industria electrónica se había vuelto dependiente de los cristales de cuarzo. La única fuente de cristales adecuados fue Brasil; sin embargo, la Segunda Guerra Mundial interrumpió los suministros de Brasil, por lo que las naciones intentaron sintetizar el cuarzo a escala comercial. El mineralogista alemán Richard Nacken (1884-1971) logró cierto éxito durante las décadas de 1930 y 1940. [76] Después de la guerra, muchos laboratorios intentaron cultivar grandes cristales de cuarzo. En los Estados Unidos, el Cuerpo de Señales del Ejército de los Estados Unidos contrató a Bell Laboratories y a Brush Development Company de Cleveland, Ohio, para sintetizar cristales siguiendo el ejemplo de Nacken. [77] [78] (Antes de la Segunda Guerra Mundial, Brush Development producía cristales piezoeléctricos para tocadiscos). Para 1948, Brush Development había desarrollado cristales de 1,5 pulgadas (3,8 cm) de diámetro, los más grandes hasta la fecha. [79] [80] En la década de 1950, las técnicas de síntesis hidrotermal producían cristales de cuarzo sintéticos a escala industrial, y hoy en día prácticamente todo el cristal de cuarzo utilizado en la industria electrónica moderna es sintético. [43]
Jarra de cristal de roca con decoración de festón tallado por el taller de Milán de la segunda mitad del siglo XVI, Museo Nacional de Varsovia . La ciudad de Milán, además de Praga y Florencia , fue el principal centro renacentista de la talla de cristal. [81]
Cristales de cuarzo sintético producidos en el autoclave que se muestra en la planta piloto de cuarzo hidrotermal de Western Electric en 1959
Jarra fatimí en cristal de roca tallado (cuarzo transparente) con tapa dorada, c. 1000.
Piezoelectricidad
Los cristales de cuarzo tienen propiedades piezoeléctricas ; desarrollan un potencial eléctrico tras la aplicación de tensión mecánica . [82] Un uso temprano de esta propiedad de los cristales de cuarzo fue en pastillas de fonógrafo . Uno de los usos piezoeléctricos más comunes del cuarzo en la actualidad es como oscilador de cristal . El reloj de cuarzo es un dispositivo familiar que utiliza el mineral. La frecuencia de resonancia de un oscilador de cristal de cuarzo se cambia cargándolo mecánicamente, y este principio se utiliza para mediciones muy precisas de cambios de masa muy pequeños en la microbalanza de cristal de cuarzo y en monitores de espesor de película delgada . [83]
Ver también
- Cuarzo fundido
- Lista de minerales
- Fibra de cuarzo
- Minería de arrecifes de cuarzo
- Cuarzolita
- Cuarzo impactado
Referencias
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enlaces externos
- Variedades de cuarzo, propiedades, morfología cristalina. Fotos e ilustraciones
- Gilbert Hart, "Nomenclatura de la sílice", Mineralogista estadounidense , Volumen 12, págs. 383–395. 1927
- "El reloj de cuarzo - inventores" . El Centro Lemelson, Museo Nacional de Historia Estadounidense, Institución Smithsonian . Archivado desde el original el 7 de enero de 2009.
- Terminología utilizada para describir las características de los cristales de cuarzo cuando se utilizan como osciladores.
- Uso del cuarzo como materia prima de la herramienta de piedra prehistórica