Kwarc – minerał, modyfikacja krystaliczna krzemionki, należąca do krzemianów szkieletowych. Jest minerałem skałotwórczym wielu skał, kamieniem ozdobnym, a niektóre odmiany uznawane są za kamienie szlachetne lub półszlachetne.
Kwarc jest jednym z najczęściej występujących minerałów w skorupie ziemskiej. Występuje samodzielnie w postaci kryształów, zlepieńców, żył i ziaren. Jest ważnym składnikiem skał: magmowych (np. granit), metamorficznych (np. kwarcytów, gnejsów), rozpowszechniony jako produkt procesów hydrotermalnych tworząc żyły i druzy czystego kwarcu. Tworzy lub jest składnikiem skał osadowych (piasek kwarcowy, piaskowiec).
Jego nazwa pochodzi od słowiańskiego słowa oznaczającego „twardy”. Dawniej znany jako kwarzec.
Właściwości Czysty kwarc jest bezbarwny, przezroczysty dla ultrafioletu i częściowo podczerwieni. Przełam muszlowy, połyskliwy. Nawet znikome domieszki barwią go, zmienia barwę w wyniku naświetlania ultrafioletem, promieniowaniem rentgenowskim oraz w wyniku podgrzewania. Aktywny optycznie, kryształy skręcające polaryzację w lewo określane są jako lewe, a skręcające w prawo jako prawe. Twardy i kruchy, jest wzorcem twardości 7 w skali twardości Mohsa.
Jest dobrym dielektrykiem, o przenikalności elektrycznej zależnej od kierunku, w temperaturze pokojowej względna przenikalność elektryczna w osi 11 wynosi 4,58, a w osi 33 – 4,70. Jest piezoelektrykiem.
Kwarc odznacza się największą spośród głównych minerałów skałotwórczych odpornością na wietrzenie fizyczne i chemiczne. Bardzo słabo przewodzi ciepło.
Niektóre okazy kwarcu po oszlifowaniu wykazują asteryzm.
Powstaje podczas sylifikacji wielu substancji między innymi tworząc skamieniałe drzewa.
W temperaturze pokojowej niemal obojętny chemicznie, stabilny w umiarkowanych, a w wysokich temperaturach przetworzony w szkło kwarcowe, przez co stosowany jako materiał do wyrobu aparatury i naczyń chemicznych. Nie reaguje z kwasami, z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego, w wyniku reakcji z którym powstaje fluorek krzemu i kwas fluorokrzemowy . Reaguje z substancjami silnie alkalicznymi, szybkość reakcji zależy od postaci krystalicznej kwarcu i temperatury, w wyniku czego powstają krzemiany np. . Reagując z alkalicznymi składnikami betonu, głównie wodorotlenkiem wapnia, powoduje powstanie żeli krzemionkowych w betonie, które pochłaniając wodę pęcznieją i powodują pękanie betonu, ale proces ten jest powolny. Reagując z wodorotlenkiem wapnia w temperaturze ok. 200 °C, powstające uwodnione krzemiany są głównym materiałem wiążącym w silikatach.
Reaguje ze stopionymi węglanami sodu i potasu, tworząc krzemiany. W środowisku geologicznym w wysokiej temperaturze rozpuszcza się w wodzie, działa jak kwas i reaguje z minerałami alkalicznymi, tworząc związki np. Wollastonit ().
W wysokiej temperaturze, około 2000 °C, reaguje z węglem, w wyniku czego powstaje krzem i tlenek węgla. Reakcja ta jest używana do przemysłowego wytwarzania krzemu.
W temperaturze pokojowej kwarc jest praktycznie nierozpuszczalny w wodzie, stężenie równowagowe zależy od temperatury, ciśnienia oraz struktury kwarcu, w temperaturze 25 °C dla kwarcu makrokrystalicznego wynosi od 3 – 11 mg/l, a dla mikrokrystalicznego 22–34 mg/l, a proces rozpuszczania jest bardzo powolny. Pomimo tego w skali geologicznej rozpuszczanie i krystalizacja kwarcu w podłożu skalnym i glebie odgrywa ważną rolę w gorącym i wilgotnym klimacie, co ma znaczenie np. przy tworzeniu się gleb laterytowych. W temperaturach powyżej 100 °C i wysokich ciśnieniach rozpuszczalność kwarcu znacznie wzrasta. W temperaturze 300 °C wynosi od 700 do 1200 mg/l, w zależności od ciśnienia. rozpuszcza się w wodzie tworząc kwas ortokrzemowy .
Rozpoznawanie Kwarc w większości przypadków może być rozpoznany poprzez następujące właściwości: duża twardość – rysuje szkło, stal, szklisty połysk, słaba lub niewyraźna łupliwość, przełam muszlowy, szklisty połysk.
Występowanie Kwarc jest drugim najpospolitszym po skaleniach minerałem skorupy ziemskiej. Jako minerał skałotwórczy stanowi ważny składnik wielu rodzajów skał magmowych zarówno głębinowych, jak i wylewnych, skał osadowych oraz metamorficznych.
W skorupie ziemskiej kwarc występuje w postaci krystalicznej, mikrokrystalicznej i kryptokrystalicznej. Rozróżnienie to wynika z wielkości monokryształów tworzących skałę. W skałach magmowych ziarna kwarcu są białawe lub szare, mają zazwyczaj nieregularny kształt, który zawdzięczają temu, że krzemionka krystalizuje z gorącej magmy jako jeden z ostatnich minerałów, więc wypełnia przestrzenie między już istniejącymi ziarnami mineralnymi. W ten sposób powstają granitoidy, granity.
W trakcie krzepnięcia magmy zmienia się skład pozostającej magmy (różnicowania magmy) w procesach pegmatytowych i hydrotermalnych. Proces ten jest konsekwencją tego, że krzemionka jest rozpuszczalna w wodzie w wysokiej temperaturze pod dużym ciśnieniem, a rozpuszczalność ta zmniejsza znacznie przy spadku temperatury, pozostała magma wnika często w szczeliny w skałach. W ten sposób powstają w postaci żył (Kwarc żyłowy) i druz skupiska czystego kwarcu. Żyły kwarcu mogą osiągać znaczne rozmiary, stając się złożami użytkowymi. W Polsce złoża kwarcu żyłowego występują w województwie dolnośląskim, ich zasobność jest szacowana na 2,87 mln t. Od 2007 r. w Polsce nie eksploatuje się złóż kwarcu żyłowego. W Górach Izerskich w pobliżu Szklarskiej Poręby była Kopalnia kwarcu „Stanisław”.
Ze względu na swoją twardość, odporność na wietrzenie i znikomą rozpuszczalność w wodzie, z niszczonych skał pozostają tylko ziarna kwarcu, a ziarna pozostałych minerałów ulegają znacznemu rozdrobnieniu. Produkty rozpadu transportowane przez wodę i powietrze ulegają segregacji tworząc złoża piasku, żwiru, a nawet otoczaków. Ocierające się ziarna pisku ulegają zaokrągleniu. Piasek zalegając długo pod obciążeniem ulega zagęszczeniu i spajaniu ziaren tworząc piaskowce. Złoża piasku kwarcowego i piaskowców są głównym źródłem krzemionki dla przemysłu i materiału dla budownictwa. Głównym kryterium klasyfikacji piasków kwarcowych jest ich czystość, najczystsze piaski i luźne piaskowce określane są jako materiały szklarskie. Ze względu na zastosowania piaski kwarcowe można podzielić na: piaski szklarskie, piaski formierskie, piaski podsadzkowe i piaski budowlane. Silnie spojone piaskowce stają się skałą litą.
W wyniku różnych procesów fizycznych i chemicznych, nie do końca poznanych, powstają skały zawierające kwarc w postaci mikrokryształów (kwarc skrytokrystaliczny), uznawany też za minerał Chalcedon, występuje w kwarcycie, krzemieniu i wielu innych.
Skupiska tego minerału znajdują się w Las Vigas w Meksyku, w Corinto w Brazylii, w Oravița w Rumunii, w Masywie Świętego Gotarda w Szwajcarii, w Strzegomiu w Polsce, w Baveno we Włoszech oraz na Uralu. Słynne są okazy z Przełęczy Furka w Alpach.
Minerałami towarzyszącymi dla kwarcu są m.in. aerinit, kalcyt, fahleit, danalit, skalenie, turmaliny i granaty.
Krystalografia Wyróżnia się: kwarc α – kwarc niskotemperaturowy, krystalizujący się w układzie trygonalnym, powszechnie występujący na powierzchni Ziemi. Jest trwały w temperaturze do 573 °C. Odmiana α występuje w zwykłych warunkach. kwarc β – kwarc wysokotemperaturowy, krystalizujący się w układzie heksagonalnym, z magmy, występujący w naturze na głębokości 25–30 km. Często występuje w postaci podwójnej piramidy heksagonalnej i słupa heksagonalnego. Po schłodzeniu do temperatury przejścia fazowego w 573 °C przechodzi w formę α i przy ciśnieniu atmosferycznym nawet przy bardzo szybkim chłodzeniu nie pozostaje w stanie β. Spotyka się jego paramorfozy w skałach magmowych. W temperaturze 870 °C kwarc β przechodzi w trydymit. Przemianom towarzyszy zmiana objętości, co może powodować pęknięcia materiałów zawierających kryształy kwarcu. Przy szybkim podgrzewaniu kwarc β topi się w temperaturze 1550 °C. Temperatura przemian rośnie wraz ze wzrostem ciśnienia.
thumb|lewo|Kwarc lewy (ryc.4) i prawy (ryc.5) Kryształy kwarcu w zależności od warunków powstawania są bardzo zróżnicowane. Idealny kształt kryształu to sześcioboczny prostopadłościan zakończony sześciokątnymi ostrosłupami na każdym końcu. Minerał ten najczęściej tworzy kryształy słupkowe o przekroju sześciokątnym, ze ścianami pokrytymi prążkami prostopadłymi do osi słupa. Występują także kryształy tabliczkowe, pręcikowe, igiełkowe, krótkosłupowe zakończone dwoma romboedrami oraz kryształy o kształcie piramidy heksagonalnej. Częste są zbliźniaczenia, będące połączeniem kryształów lewych z prawymi, zrośniętych pod różnym kątem. Najczęściej występują tzw. bliźniaki japońskie, zrośnięte pod kątem 84°33′, bliźniaki brazylijskie oraz delfinackie. Kryształy prawe od lewych można odróżnić po położeniu trójkątnych ścian na narożach względem ścian romboidalnych.
Struktura mały|Model układu atomów w krysztale kwarcu α Kwarc ma wzór cząsteczkowy , jest odmianą polimorficzną krzemionki. Wiązania między atomami krzemu (Si) i tlenu (O) są kowalencyjne, ale silnie spolaryzowane, elektrony są silniej przyciągane przez tlen przez co przy tlenie przeważa ładunek ujemny, a przy krzemie dodatni, przez co wiązanie jest też postrzegane jako jonowe. Kąt Si-O-Si jest bardziej rozwarty a długość wiązania Si-O jest krótsza niż obliczona dla wiązania pojedynczego. Wskazuje to na częściowy, podwójny charakter tego wiązania, co również wyjaśniałoby jego dużą siłę.
Kryształ kwarcu nie składa się z oddzielnych cząsteczek ; nie jest substancją molekularną, ale jest , czyli układem elementów ułożonych w pewien regularny wzór. W sieci tej każdy atom krzemu jest połączony z czterema atomami tlenu, a każdy atom tlenu jest połączony z dwoma atomami krzemu. Odległości między atomem tlenu a sąsiadującymi z nim atomami krzemu (Si – O – Si) nie są jednakowe, jedna wynosi 1,6054 Å a druga 1,6109 Å, różnica ta jest znikoma i jako nie mająca większego znaczenia jest pomijana. Atomy układu Si – O – Si nie leżą na linii prostej, a tworzony kąt jest głównym wyróżnikiem układu krystalograficznego krzemionki. W kwarcu α kąt ten (kąt wiązania) ma rozwartość około 144°, w kwarcu beta 147°. W kwarcu α odległość jonu tlenu do sąsiedniego jonu tlenu to około 2,62 Å. Każdy jon krzemu jest otoczony przez cztery jony tlenu, te silnie związane atomy tworzą czworościan, który jest uznawany za podstawowy elementem budowy sieci. Czworościenna komórka łączy się w każdym wierzchołku z sąsiednią, dzieląc z nią jeden atom tlenu. Kąt wiązania Si – O – Si sprawia, że sąsiednie czworościany obrócone są względem siebie, tworząc spirale w których obrót komórek w sieci może być lewoskrętny lub prawoskrętny, takie trzy komórki tworzą elementarny powtarzający się układ.
Czworościany są połączone ze sobą narożnikami, każdy czworościan z czterema sąsiednimi czworościanami. Czworościany nie wypełniają przestrzeni. W kierunku osi c są one połączone w spiralne łańcuchy. Między parami tych spiral (helis) , są większe sześcioboczne i mniejsze trójkątne kanały, biegnące wzdłuż kryształu. Spiralne łańcuchy czworościanów są połączone z sześcioma sąsiednimi spiralami układami czworościanów w taki sposób, że każdy czworościan należy do dwóch sąsiednich łańcuchów czworościanów i graniczy z dwoma sześciobocznymi kanałami. Wszystkie helisy mają tę samą skrętność, ale różnią się ustawieniem czworościanów (polaryzacją), ale dwie sąsiednie helisy mają przeciwne polaryzacje. Każdy czworościan SiO 4 jest członkiem dwóch helis o przeciwnej polaryzacji. Wynikiem tego kryształ nie wykazuje polaryzacji względem osi c, a jest symetryczny względem niej.
Z powyższego opisu wynika, że kryształ kwarcu α ma potrójną symetrię obrotową wokół osi c i podwójną symetrię obrotową względem osi a, jest to trygonalny układ krystalograficzny, oznaczany jako P32, uwzględniając ręczność P3121 (nr 152) i P3221 (nr 154). Komórka elementarna ma wymiary a1 = a2 = 4,913 Å i c = 5,405 Å i zawiera trzy jednostki (cząsteczki) (Z=3).
Odmiany