Quarz

Quarz zählt mit einer Mohs-Härte von 7 zu den Hartmineralien und gilt als Referenzwert auf der bis zu 10 (Diamant) gehenden Tonleiter nach Friedrich Mohs. Der Quarz hat keine Teilbarkeit, zerbricht wie ein Glass und glänzt auf den gebrochenen Oberflächen. Quarz ist eines der bedeutendsten Mineralien in der Wirtschaft und ist als Baumaterial ebenso wichtig wie als Rohmaterial für die Keramik-, die Glas- und die Betonindustrie weltweit.

Der Quarzkies und der gebrochene Quarz sind Rohstoffe für die Herstellung von Silizium. Außerdem werden Quarz und seine gefärbten Sorten seit jeher als Ornamentstein verwendet (siehe Verwendung). Auch Quarze werden artifiziell hergestellt: Hieraus geschliffene Quarzquarze fungieren als Taktgeneratoren in Elektronikschaltungen und Quarz-Uhren. Mitunter wird Quarz mit Calcit vermischt, kann aber leicht durch seine höhere Festigkeit, geringere doppelte Brechung und die Umsetzung von Calcit mit der verdünnten Chlorwasserstoffsäure abgegrenzt werden.

Der Name Quarz hat sich weltweit als Mineralname etabliert, mit kleinen, sprachenspezifischen Variationen wie Quarz auf Englisch[4] und Französisch, Quarz auf Schwedisch, Quarz auf Italienisch oder auf Russisch unter der Bezeichnung ????? (kwarz). Der Quarz zählt nach der achten und neunten Ausgabe der Strunz-Mineral-Systematik aufgrund seiner stofflichen Beschaffenheit zur Mineralstoffklasse der Oxyde mit einem Metall-Sauerstoff-Verhältnis von 1:2. In der achten Ausgabe der Mineral-Systematik gibt er auch einer Gruppierung von gleichartigen oder gleichen Mineralien seinen Namen, der Quarz-Gruppierung, deren weitere Glieder Coesit, Cristobalit, Melanophlogit, Mogánit, Opal, Stanishovit und Trinidymit sind.

Coesit, Cristobalit, Melanophlogit, Mogánit, Seferit, Opal, Stischowit und Trinidymit werden nun der Unterteilung (Chemische Verbindungen) mit kleinen Korngrößen zugeordnet: In Quarz ist Silizium von vier Sauerstoff-Atomen umhüllt. Die Tetraeder aus SiO4 sind durch ihre Kanten zu einem räumlichen Gefüge verbunden, weshalb Quarz den Rahmensilikaten im System von Dana zuordnet ist.

Der Quarz ist eine sehr saubere Mischung und enthält nur andere Bestandteile in den Kristallgittern. Naturkristalle können zwischen 13 und 15.000 ppm (meist aber nur wenige 100 ppm) Al3+, zwischen 9 und 1400 ppm Na+, zwischen 3 und 300 ppm K+ sowie kleinere Anteile von Fe3+, Ti4+, P5+, H+ und Li+ beinhalten.

Die Einarbeitung von Gusseisen und Aluminum, zusammen mit der Wirkung der ionisierenden Strahlen, ist für die unterschiedlichen Farbtöne der Quarzsorten mitverantwortlich. Da die Si-O-Bindungen einen großen Kovalenzanteil haben, ist die hohe Quarzhärte der Grund für die hohe Zähigkeit. Das spiralförmige Tetraeder ist mit sechs nebeneinander liegenden Tetraedern so verbunden, dass jedes SiO4-Tetraeder zu zwei nebeneinander liegenden Tetraedern zählt und an zwei der sechs seitlichen Rinnen angrenzt.

Der Quarz ist nur bei niedrigen Temperaturen in der Trigonalquarzphase von ? beständig. Wohlgeformte Quarze sind weit verbreitete und ihre Gestalt kann je nach Wuchsbedingungen stark variieren. In der nebenstehenden Grafik ist die für den linken Quarz charakteristische Prismenform und die Zusammensetzung dieser Gestalt aus den Basiskörpern der trigonal-trapezförmigen Schicht (Klasse 32) dargestellt.

Auf einem ungedoppelten Bergkristall kommen entweder nur rechte oder nur links Trapeze und Doppelpyramiden vor, auf dem linken Quarz (Raumgruppe P3121 (Nr. 152)template:space group/152) gibt es links und rechts Quarz (Raumgruppe P3221 (Nr. 154)template:space group/154) rechtsförmige. Bei den auffälligen Wuchsformen von Quarz wurden eigene Bezeichnungen festgelegt: Tessin Habitus: Quarz, dessen kristalline Form von großen, sehr steil abfallenden Rhomboedern beherrscht wird.

Manchmal wächst diese tiefere Kristallfläche aus den vorstehenden Rändern wieder auf, wodurch sich über einem Resonator feine Quarzglasscheiben ausbilden. Cap Quartz: Quarz-Kristalle, bei denen Teile am Ende des Quarzes wie eine Haube abnehmbar sind. Würfelquarz: Quarz, dessen Quarzform von den Rhomboederoberflächen beherrscht wird {1011}. Zwischen diesen Oberflächen liegt ein Neigungswinkel von 85,5 in Quarz, was diesen Quarzen einen kubischen Habitus gibt.

Szepterquarz: Wenn eine zweite, jüngere Generation auf einem Quarz in Hauptachsenrichtung heranwächst, entstehen sogen. Friedland-Quarz: Bergkristalle mit Oberflächenstreifen auf den Oberflächen des Sechsseitenprismas (1010) über der kristallgraphischen C-Achse oder dem Quarz. Andere Bezeichnungen werden für gewisse Anhaftungen mehrerer Edelsteine verwendet: Keimkristalle oder Artischockenkristalle: solche, die aufgrund von Gitterdefekten viele individuelle Töchterkristalle ausbilden und so Artischockenaggregate entstehen lassen; Twisted crystals (Gwindel): Parallelhaftung mehrerer flacher Edelsteine entlang einer Prismenoberfläche, bei der die Hauptkristallachsen der einzelnen Edelsteine nicht in einer Fläche aufliegen, sondern relativ zueinander verdrillt sind.

Zwei chirale Quarzformen, rechter und linker Quarz, wachsen manchmal ausgerichtet zusammen. Die Einarbeitung von Spuren von Eisen in die Quartzstruktur spielt offenbar eine große Bedeutung für die Entstehung der brasilianischen Amethyste. Die seltene Sorte Ametrine ( "zweifarbige Quarzkristalle") macht diese Sektoreinteilung ersichtlich. Japanischer Zwilling: Zwillingspaarung von tiefem Quarz nach der Position der Diapyramide II (1122).

Das Prisma der Zwillingskristalle schneidet sich in einem Neigungswinkel von 84 33' und ergibt eine typische Herzform der Zwillinge. Der Quarz weist einen kräftigen Piezoeffekt rechtwinklig zur A-Achse auf. Ein Quarzglas spricht auf Spannung oder Unterdruck mit einer Polarisation entlang der Kraft-Richtung an. Der Resonanzverlauf ist stark von der Kristallgeometrie (Form und Größe) abhaengig.

Wegen der Gleichmäßigkeit und Präzision dieser Oszillationen werden Schwingungsquarze in Quarz-Oszillatoren als Basis und Taktgenerator für Elektronikschaltungen verwendet, zum Beispiel in Armbanduhren, Rechnern, digitalen Anlagen und in der Funktechnologie. Die Kristallbildung des Quarzs in einer enantiomorphe Form dreht die Vibrationsebene des durch einen tiefen Quarz hindurchtretenden Lichts in die c-Achse.

Zudem machen es Herstellungstoleranzen schwierig, präzise orientierte Quarz-Schnitte herzustellen. Die optische Drehleistung von Quarz beispielsweise variiert je nach Lichtquelle und Wellenlängen zwischen 21 und 28°/mm. Auf der anderen Seite ist verarbeiteter Quarz in Gestalt von Quarzscheiben ideal für die Kontrolle von Polarmetern. Der Quarz ist ein sehr verbreitetes Material und findet sich in vielen Repräsentanten aller drei Gesteinskategorien.

Der Quarzgehalt dieser Steine ist eines der wichtigsten Kriterien für ihre Klassifizierung nach dem Entfernungs-Eisen-Diagramm. Auch in vielen Metamorphosen (z.B. Horngestein, Phyllit und Gneis) kommt Quarz vor.

Beispielsweise bildet die Umsetzung von Chlororitoid und Aluminosilikat zu Staurolith und Quarz die Grenzlinie zwischen Grünschiefer- und Amphibolit-Fazies in Metapolit. Aufgrund seiner Witterungsbeständigkeit ist Quarz auch ein häufig vorkommender Bestandteil von feinkörnigem (aber nicht feinkörnigem) klastischem Sedimentgestein (vor allem Sandstein) und Boden, der sich auf einem quarzhaltigen Felsen ablagert.

Wohlgeformte Quarze mit Kollektorwert werden dagegen vorzugsweise in Rissen, Hydrothermalgängen (als sog. Gang) und als Verkleidung von natürlichen Hohlräumen, sogenannten Erdsonden, gebildet. Der Quarz ist die formstabile Variante (Modifikation) von kristallinem Siliziumdioxid auf der Erdschicht. SiO2-Gel bildet bei tiefen Temperaturen von 70-200 C eine Mischung aus Quarz und Mogánit, einem für Quarz und Chalcedon kennzeichnenden Teil.

Einige Magmatite enthalten zwar Quarze mit der kristallinen Form des hohen Quarzes (Paramorphose), sind aber in ihrer Struktur Quarz.

Hochquarz wird bei hohen Außentemperaturen zuerst zu Trinidymit (ab 867 °C), dann zu Cristobalit (ab 1470 °C). Quarzkristalle können durch den Einsatz von farbgebenden Ions ( "Fe3+" oder "Fe2+"), den Einsatz von farbigen Mineralien oder die Bestrahlung mit ionisierenden Strahlen verschiedenfarbig sein. Nickellegierung: Grober Grünquarz, der mit Hilfe von Nickellegierungen eingefärbt wird.

Erdbeerquarz [11] ist eine Sorte und Handelsname für einen Quarz, der durch rötlich-braune Hämatit-Einlagerungen unregelmässig rosafarben bis rötlich gefärbt ist. Der mikrokristalline Quarz ist definiert als massive Zuschlagstoffe aus sehr feinem kristallinem Quarz mit einer Kristallgröße im Mikrometer-Bereich. Chalcedon: mikrokristallines, faseriges Quarzglas, das entlang einer Prismenoberfläche gezüchtet wird[11-20] ("längenfest"). Quarz: mikrokristallines, faseriges Quarzglas, das entlang der Grundfläche (0001) des sechseckigen Prismas ("length-slow") gezüchtet wird.

Mikrokristalliner Quarz hat in allen Varianten eine hohe Gitterdichte. Horn-Stein und Feuerstein (Flint) sind Anhaftungen von mikrokristallinen Quarz mit Mogánit in einer zufälligen, körnigen Struktur. Die auf dem Markt häufig anzutreffende Aura ist keine Sorte, sondern meist eine Art des Bergkristalls (oder eines anderen Quarzes), der mit Metallen (hauptsächlich Gold) verdampft wurde.

Brasilite hingegen ist der Markenname für einen grünlich-gelben bis hellgelben Quarz. Quarz-Sand oder -Pulver ist zusammen mit Kaolin und Feldspaten ein Additiv für Keramik und eine Reihe anderer keramischer Materialien. Quarz-Sand oder gemahlener Quarzstein wird zu Glas und Quarzgut aufgeschmolzen. Quarzgläser sind glasartige Feststoffe, die aus (kristallinem) Quarz oder Siliziumdioxid erstarrt sind; der richtige Name ist daher Silikatglas.

Quarzgläser und auch Kunstquarz-Einkristalle (reiner Bergkristall) werden zu Lichtprismen und Objektiven gemahlen. Auch in Standardwaagen und Gewichten, als Gewinde für die Torsionswaage und als optische Faser wird Quartzglas eingesetzt. Darüber hinaus sind Quarzkiese und Bruchquarze Rohstoffe für die Produktion von Silizium. Quarze und Quarzgläser sind nur mit wenigen chemischen Stoffen reagiert. Fluorwasserstoffsäure ist die einzigste Substanz, die Quarz unter Bildung von Siliziumtetrafluorid oder Hexafluorkieselsäure lösen kann.

Beim Wirbelschichtverfahren wird Quarz-Sand mit der Umgebungsluft vermischt, um die Wärmeabfuhr zu erhöhen und den Verbrennungsprozess zu beschleunigen. Auch Quarz in Gestalt von feuerfesten Steinen wird eingesetzt. Als Straßenkies ist Quarz nicht geeignet, weil er zu fest ist, schlechte Bindungseigenschaften hat und schnellen Reifenverschleiß auslöst. Quarzglasplatten aus nicht verwittertem Quarz werden in der elektroakustischen Industrie eingesetzt.

Quarz-Sand wird als Schleif- und Füllmaterial sowie für die Lichtbogenabschreckung in Sicherungen verwendet. Kunstgezüchtete Quarz-Einkristalle werden unter anderem für die Piezoelektrik verwendet. In schwingenden Quarzkristallen, die bei entsprechender Anregung durch eine bestimmte Stromspannung mit fester Schwingfrequenz vibrieren, werden die Piezoeigenschaften des Quarzmaterials genutzt. Die Konstruktion von sehr genauen Quarz-Uhren wurde möglich.

Darüber hinaus eignet sich Quarz auch für die Druckmessung, in der Hochfrequenztechnologie und als akusto-optischer Qualitätsschalter in Laser. Bei den beiden Chiralformen des Quarzs, dem rechten und linken Quarz, zeigt sich ein gegenläufiger piezoelektrischer Einfluss. Bei solchen Twins gleichen sich die Piezoeffekte im gesamten Kristall aus, weshalb sie für Piezoapplikationen ungeeignet sind und weniger häufig verwendet werden als synthetische Kristalle.

Quarzsorten wie z. B. Agat, violetter Amethyste, zitronengelber Zitrin, blutroter Jaspis oder schwarz-weiß gestreifter Onyx werden in der Schmuckbranche wegen der großen Festigkeit und der hohen Schneid- und Polierfähigkeit des Mineralstoffes zu Edelsteinen weiterverarbeitet. Wenn silikatreiches Wasser in das Gefüge toter, holzartiger Anlagen eindringt, können diese durch Kristallisation von mikrokristallinen Quarz (Si(OH)4 SiO2 + 2 H2O) fossilisiert werden, wodurch das Holzgewebe durch Quarz verdrängt wird, aber oft die originale Zellenstruktur beibehalten wird.

Bei diesem Verfahren wird ein bisher aus Kalziumkarbonat (CaCO3) bestehender äußerer Rahmen oft durch mikrokristallinen Quarz ausgetauscht. Der reine Quarz (Bergkristall) wird in der Fachsprache als heilender Stein angesehen, der vor schädlicher Strahlung schützt, Kopfweh und verschiedenen entzündlichen Zuständen lindert, Leben und Nieren reinigt und die Blutzirkulation (Krampfadern) stärkt. Der Quarz wird mit dem Sternzeichen Löwe, den beiden Sternzeichen Saturn und Neun und dem Mond des Monats Aprils in Verbindung gebracht.

Dörfler Verlag GbR, Eggolsheim 2002, ISBN 3-89555-076-0 Rudolf Rykart: Quarzmonographie.