Cuarzo

El cuarzo es un mineral cristalino duro compuesto de sílice (dióxido de silicio). Los átomos están unidos en un marco continuo de tetraedros de silicio-oxígeno de SiO ₄, y cada oxígeno se comparte entre dos tetraedros, dando una fórmula química general de SiO ₂. El cuarzo es el segundo mineral más abundante en la corteza continental de la Tierra, detrás del feldespato.

El cuarzo existe en dos formas, el cuarzo α normal y el cuarzo β de alta temperatura, ambos quirales. La transformación de cuarzo α a cuarzo β 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 microfracturas de cerámicas o rocas que pasan por este umbral de temperatura.

Hay muchas variedades diferentes de cuarzo, varias de las cuales se clasifican como piedras preciosas. 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 raspado 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 el alto alemán medio y en el alemán central oriental y que provenía del término del dialecto polaco kwardy, que corresponde a el término checo tvrdý ("duro").

Los antiguos griegos se referían al cuarzo como κρύσταλλος (krustallos) derivado del griego antiguo κρύος (kruos) que significa "frío helado", porque algunos filósofos (incluido Teofrasto) aparentemente creían que el mineral era una forma de hielo sobreenfriado. Hoy en día, el término cristal de roca se usa a veces como un nombre alternativo para el cuarzo cristalino grueso transparente.

Hábito y estructura de cristal

El cuarzo pertenece al sistema cristalino trigonal a temperatura ambiente y al sistema cristalino hexagonal por encima de 573 °C (846 K; 1063 °F). La forma ideal del cristal 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 dextrógiros y diestros), distorsionados o intercrecidos de tal manera con cristales adyacentes de cuarzo u otros minerales que solo muestran una parte de esta forma, o carecen por completo de caras cristalinas evidentes. y parecen masivos. Los cristales bien formados normalmente se forman como una drusa (una capa de cristales que recubren un vacío), de los cuales las geodas de cuarzo son ejemplos particularmente buenos.Los cristales están unidos por un extremo a la roca que los encierra, 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.

El cuarzo α cristaliza en el sistema de cristal trigonal, grupo espacial P 3 ₁ 21 o P 3 ₂ 21 (grupo espacial 152 o 154 respectivamente) dependiendo de la quiralidad. Por encima de 573 °C (846 K; 1063 °F), el cuarzo α en P 3 _{1 21 se convierte en el} P 6 ₄ 22 hexagonal más simétrico (grupo espacial 181), y el cuarzo α en P 3 ₂ 21 pasa al grupo espacial P 6 ₂ 22 (núm. 180). Estos grupos espaciales son verdaderamente quirales (cada uno de ellos 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 (SiO ₄tetraedros en el presente caso). La transformación entre cuarzo α y β solo implica una rotación comparativamente menor de los tetraedros entre sí, sin un cambio en la forma en que están vinculados. Sin embargo, hay un cambio significativo en el volumen durante esta transición, y esto puede resultar en microfracturas significativas en la cerámica y en las rocas de la corteza terrestre.

• Estructura cristalina de cuarzo α (las bolas rojas son oxígeno, las grises son silicio)
• β-cuarzo

Variedades (según microestructura)

Aunque históricamente muchos de los nombres de las variedades surgieron 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 primario para las variedades macrocristalinas.

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 tallar piedras duras, como el cristal de Lotario. Las variedades de colores comunes incluyen citrino, cuarzo rosa, amatista, cuarzo ahumado, cuarzo lechoso y otros. 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 originan los colores.

La distinción más importante entre los tipos de cuarzo es la macrocristalina (cristales individuales visibles a simple vista) y las variedades microcristalina o criptocristalina (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 consiste en intercrecimientos finos de cuarzo y su moganita polimorfa monoclínica. Otras variedades de piedras preciosas opacas de cuarzo, o rocas mixtas que incluyen cuarzo, que a menudo incluyen bandas contrastantes o patrones de color, son ágata, cornalina o sarda, ónice, heliotropo y jaspe.

Amatista

La amatista es una forma de cuarzo que va desde un violeta intenso y brillante hasta un tono lavanda oscuro o apagado. 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. Entonces se le conoce como ametrino. Una amatista deriva su color de rastros de hierro en su estructura.

Cuarzo azul

El cuarzo azul contiene inclusiones de magnesio-riebeckita fibrosa o crocidolita.

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. Tonos de púrpura o gris a veces también están presentes. El "cuarzo dumortierita" (a veces llamado "cuarzo azul") a veces presentará zonas de color claro y oscuro contrastantes en todo el material. El "cuarzo azul" es una piedra preciosa menor.

Citrino

El citrino es una variedad de cuarzo cuyo color varía de amarillo pálido a marrón debido a una distribución submicroscópica de impurezas de hidróxido férrico coloidal. Los citrinos naturales son raros; la mayoría de los citrinos comerciales son amatistas tratadas térmicamente o cuarzos ahumados. Sin embargo, una amatista tratada térmicamente tendrá pequeñas líneas en el cristal, a diferencia de la apariencia turbia o ahumada 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 "cidro". A veces, el citrino y la amatista se pueden encontrar juntos en el mismo cristal, que luego se denomina ametrino. Se ha hecho referencia al citrino como la "piedra del comerciante" o "piedra del dinero", debido a la superstición de que traería prosperidad.

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 usaba antes para decorar joyas y herramientas, pero no era muy buscado.

Cuarzo lechoso

El cuarzo lechoso 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, atrapados durante la formación de cristales, lo que lo hace de poco valor para aplicaciones ópticas y de piedras preciosas de calidad.

Cuarzo rosa

El cuarzo rosa es un tipo de cuarzo que exhibe un tono de rosa pálido a rojo rosado. El color generalmente se considera debido a pequeñas cantidades de titanio, hierro o manganeso en el material. Algunos cuarzos rosas contienen agujas de rutilo microscópicas que producen un asterismo en la luz transmitida. Recientes estudios de difracción de rayos X sugieren que el color se debe a delgadas fibras microscópicas de posiblemente dumortierita dentro del cuarzo.

Además, existe un tipo raro de cuarzo rosa (también llamado con frecuencia cuarzo rosa cristalino) cuyo color se cree que es causado por pequeñas cantidades de fosfato o aluminio. El color de los cristales es aparentemente fotosensible y está sujeto a la decoloración. Los primeros cristales se encontraron en una pegmatita encontrada cerca de Rumford, Maine, EE. UU. y en Minas Gerais, Brasil.

Cuarzo ahumado

El cuarzo ahumado es una versión gris y translúcida del cuarzo. Varía en claridad desde una transparencia casi completa hasta un cristal gris parduzco que es casi opaco. Algunos también pueden ser negros. La translucidez resulta de la irradiación natural que actúa sobre diminutas trazas de aluminio en la estructura cristalina.

Prasiolita

La prasiolita, también conocida como vermarina, es una variedad de cuarzo de color verde. Desde 1950, casi toda la prasiolita natural proviene de una pequeña mina brasileña, pero también se encuentra 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 mayoría del cuarzo verde es amatista tratada térmicamente.

• diamante Herkimer
• Cristal de roca
• ametrino
• Amatista
• cuarzo azul
• Calcedonia
• Citrino
• Cuarzo rosa
• prasiolita
• cuarzo rutilado
• Cuarzo con cetro
• cuarzo ahumado

Tratamientos sintéticos y artificiales

No todas las variedades de cuarzo son naturales. Algunos cristales de cuarzo transparentes se pueden tratar con calor o radiación 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 de donde se extrajo el cuarzo.

La prasiolita, un material de color oliva, se produce mediante tratamiento térmico; También se ha observado prasiolita natural en la Baja Silesia en Polonia. Aunque el citrino se produce de forma natural, la mayoría es el resultado del tratamiento térmico de la amatista o el cuarzo ahumado. Cornalina ha sido tratada térmicamente para profundizar su color desde tiempos prehistóricos.

Debido a que el cuarzo natural a menudo se hermana, el cuarzo sintético se produce para su uso en la industria. Los monocristales grandes e impecables se sintetizan en un autoclave a través del proceso hidrotermal.

Al igual que otros cristales, el cuarzo se puede recubrir con vapores metálicos para darle un brillo atractivo.

Ocurrencia

El cuarzo es un componente definitorio del granito y otras rocas ígneas félsicas. Es muy común en rocas sedimentarias como la arenisca y el esquisto. Es un constituyente común de esquistos, gneis, cuarcitas y otras rocas metamórficas. El cuarzo tiene el potencial más bajo de meteorización en la serie de disolución de Goldich y, en consecuencia, es muy común como mineral residual en sedimentos de corrientes y suelos residuales. En general, una alta presencia de cuarzo sugiere una roca "madura", ya que indica que la roca ha sido muy reelaborada y el cuarzo fue el mineral principal que soportó la intemperie intensa.

Si bien la mayoría del cuarzo cristaliza a partir del magma fundido, el cuarzo también se precipita químicamente de las venas hidrotermales calientes como ganga, a veces con minerales como el oro, la plata y el cobre. Grandes cristales de cuarzo se encuentran en pegmatitas magmáticas. Los cristales bien formados pueden alcanzar varios metros de longitud y pesar cientos de kilogramos.

Los cristales de cuarzo de origen natural de pureza extremadamente alta, necesarios para los crisoles y otros equipos utilizados para hacer crecer las obleas de silicio en la industria de los semiconductores, son caros y escasos. Una importante ubicación minera de cuarzo de alta pureza es Spruce Pine Gem Mine en Spruce Pine, Carolina del Norte, Estados Unidos. También se puede encontrar cuarzo en el Pico Caldoveiro, en Asturias, España.

El cristal individual más grande documentado de cuarzo se encontró cerca de Itapore, Goiaz, Brasil; medía aproximadamente 6,1 × 1,5 × 1,5 my pesaba 39.916 kilogramos.

Minería

El cuarzo se extrae de minas a cielo abierto. Los mineros ocasionalmente usan explosivos para exponer bolsas profundas de cuarzo. Con mayor frecuencia, se utilizan excavadoras y retroexcavadoras para remover tierra y 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.

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. La popularidad de la curación con cristales ha aumentado la demanda de cristales de cuarzo natural, que ahora a menudo se extraen en los países en desarrollo utilizando métodos de minería primitivos, a veces con trabajo infantil.

Minerales de sílice relacionados

La tridimita y la cristobalita son polimorfos de alta temperatura de SiO ₂ 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. Stishovite es un polimorfo de SiO ₂ aún más denso y de mayor presión que se encuentra en algunos sitios de impacto de meteoritos. La lechatelierita es un vidrio de sílice amorfo SiO ₂ que se forma al caer un rayo en arena de cuarzo.

La seguridad

Como el cuarzo es una forma de sílice, es un posible motivo de preocupación en varios lugares de trabajo. Cortar, esmerilar, astillar, lijar, taladrar y pulir productos de piedra natural y manufacturada puede liberar niveles peligrosos de partículas muy pequeñas de polvo de sílice cristalina en el aire que respiran los trabajadores. La sílice cristalina de tamaño respirable es un carcinógeno humano reconocido y puede provocar otras enfermedades de los pulmones, como silicosis y fibrosis pulmonar.

Historia

La palabra "cuarzo" proviene del alemán Quarz (ayuda · info), que es de origen eslavo (los mineros checos lo llamaban křemen). Otras fuentes atribuyen el origen de la palabra a la palabra sajona Querkluftertz, que significa mineral de vena cruzada.

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 usó en la Irlanda prehistórica, así como en muchos otros países, para herramientas de piedra; tanto el cuarzo de veta como el cristal de roca fueron tallados como parte de la tecnología lítica de los pueblos prehistóricos.

Si bien el jade ha sido desde tiempos remotos la piedra semipreciosa más preciada para tallar en el este de Asia y la América precolombina, en Europa y Medio Oriente las diferentes variedades de cuarzo fueron las más utilizadas para los diversos tipos de joyería y talla de piedra dura., incluidas gemas grabadas y camafeos, jarrones de cristal de roca y vasijas extravagantes. La tradición continuó produciendo objetos muy valorados hasta mediados del siglo XIX, cuando dejó de estar de moda en gran medida, excepto en joyería. La técnica del camafeo explota las bandas de color en el ónix y otras variedades.

El naturalista romano Plinio el Viejo creía que el cuarzo era hielo de agua, permanentemente congelado después de mucho tiempo. (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 los grandes cristales de cuarzo se moldearon en esferas para enfriar las manos. Esta idea persistió hasta al menos el siglo XVII. También conocía la capacidad del cuarzo para dividir la luz en un espectro.

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°.

Las propiedades piezoeléctricas del cuarzo fueron descubiertas por Jacques y Pierre Curie en 1880. El oscilador o resonador de cuarzo fue desarrollado por primera vez por Walter Guyton Cady en 1921. George Washington Pierce diseñó y patentó los osciladores de cristal de cuarzo en 1923. Warren Marrison creó el primer reloj oscilador de cuarzo basado en el trabajo de Cady y Pierce en 1927.

Los esfuerzos para sintetizar cuarzo comenzaron a mediados del siglo XIX cuando los científicos intentaron crear minerales en condiciones de laboratorio que imitaban las condiciones en las que se formaron 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. Sin embargo, la calidad y el tamaño de los cristales producidos por estos primeros esfuerzos eran deficientes.

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 cuarzo a escala comercial. El mineralogista alemán Richard Nacken (1884–1971) logró cierto éxito durante las décadas de 1930 y 1940. Después de la guerra, muchos laboratorios intentaron hacer crecer grandes cristales de cuarzo. En los Estados Unidos, el Cuerpo de Señales del Ejército de EE. UU. contrató a Bell Laboratories y Brush Development Company de Cleveland, Ohio para sintetizar cristales siguiendo el ejemplo de Nacken. (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. En la década de 1950, las técnicas de síntesis hidrotermal producían cristales de cuarzo sintéticos a escala industrial y, en la actualidad, prácticamente todo el cristal de cuarzo utilizado en la industria electrónica moderna es sintético.

• Jarra de cristal de roca con decoración de festones tallados por taller milanés 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 del tallado de cristal.
• Cristales de cuarzo sintéticos producidos en el autoclave que se muestra en la planta piloto de cuarzo hidrotermal de Western Electric en 1959

Piezoelectricidad

Los cristales de cuarzo tienen propiedades piezoeléctricas; desarrollan un potencial eléctrico tras la aplicación de tensión mecánica. Uno de los primeros usos de esta propiedad de los cristales de cuarzo fue en las 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.