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 se produce de forma abrupta a 573 °C (846 K; 1063 °F). Dado que la transformación va acompañada de un cambio significativo de volumen, puede inducir fácilmente la microfracturación de cerámicas o rocas que atraviesan este umbral de temperatura.
Existen muchas variedades distintas 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 Europa y Asia.
El cuarzo es el mineral que define el valor 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 , [11] que tenía la misma forma en la primera mitad del siglo XIV en el alto alemán medio y en el centro-este alemán [12] y que provenía del término dialectal polaco twardy , que corresponde al término checo tvrdý ("duro"). [13] Algunas fuentes, sin embargo, atribuyen el origen de la palabra a la palabra sajona Querkluftertz , que significa mineral de veta cruzada . [14] [15]
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 ) entendieron que el mineral era una forma de hielo superenfriado . [16] Hoy en día, el término cristal de roca se utiliza a veces como un nombre alternativo para el cuarzo transparente de cristal grueso. [17] [18]
Estudios tempranos
El naturalista romano Plinio el Viejo creía que el cuarzo era hielo de agua , que se congelaba permanentemente después de largos períodos de tiempo. [19] Respaldó esta idea diciendo que el cuarzo se encuentra cerca de los glaciares de los Alpes, pero no en las montañas volcánicas, y que los grandes cristales de cuarzo se moldeaban 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 . [20]
En el siglo XVII, el estudio del cuarzo por parte de Nicolas Steno allanó el camino para la cristalografía moderna . Descubrió que, independientemente del tamaño o la forma de un cristal de cuarzo, sus largas caras prismáticas siempre se unían en un ángulo perfecto de 60°. [21]
Hábito y estructura del cristal
El cuarzo pertenece al sistema cristalino trigonal a temperatura ambiente y al sistema cristalino hexagonal por encima de los 573 °C (846 K; 1063 °F). La forma ideal del cristal es un prisma de seis lados que termina en romboedros de seis lados en forma de pirámide en cada extremo. En la naturaleza, los cristales de cuarzo suelen estar maclados (con cristales de cuarzo gemelos dextrógiros y levógiros), distorsionados o interconectados con cristales adyacentes de cuarzo u otros minerales de manera que solo muestran parte de esta forma, o carecen por completo de caras cristalinas obvias y parecen masivos . [22] [23]
Los cristales bien formados se forman típicamente como una drusa (una capa de cristales que recubre un vacío), de la cual las geodas de cuarzo son ejemplos particularmente buenos. [24] Los cristales están unidos por un extremo a la roca que los encierra, y solo hay una pirámide de terminación presente. Sin embargo, los cristales doblemente terminados se dan donde se desarrollan libremente sin unión, por ejemplo, dentro del yeso . [25]
El cuarzo α cristaliza en el sistema cristalino 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 hexagonal más simétrico P 6 4 22 (grupo espacial 181), y el cuarzo α en P 3 2 21 pasa al grupo espacial P 6 2 22 (n.° 180). [26]
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 el cuarzo α y el cuarzo β solo implica una rotación comparativamente menor de los tetraedros entre sí, sin un cambio en la forma en que están vinculados. [22] [27] Sin embargo, hay un cambio significativo en el volumen durante esta transición, [28] y esto puede resultar en microfracturas significativas en cerámica durante la cocción, [29] en piedra ornamental después de un incendio [30] y en rocas de la corteza terrestre expuestas a altas temperaturas, [31] dañando así los materiales que contienen cuarzo y degradando sus propiedades físicas y mecánicas.
Aunque muchos de los nombres varietales 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 primario para las variedades macrocristalinas. [32]
El cuarzo puro, tradicionalmente llamado cristal de roca o cuarzo transparente, es incoloro y transparente o translúcido y a menudo se ha utilizado para tallas de piedra dura , como el cristal de Lotario . Las variedades de colores comunes incluyen citrino, cuarzo rosa, amatista, cuarzo ahumado, cuarzo lechoso y otros. [33] Estas diferenciaciones de color surgen de la presencia de impurezas que cambian los orbitales moleculares, lo que hace que se produzcan algunas transiciones electrónicas en el espectro visible que causan colores.
La distinción más importante entre los tipos de cuarzo es la de macrocristalino (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 mayoritariamente opacas, mientras que las variedades transparentes tienden a ser macrocristalinas. La calcedonia es una forma criptocristalina de sílice que consiste en finos intercrecimientos tanto de cuarzo como de su polimorfo monoclínico moganita . [34] Otras variedades de piedras preciosas opacas de cuarzo, o rocas mixtas que incluyen cuarzo, que a menudo incluyen bandas o patrones de color contrastantes, son el ágata , la cornalina o sardio, el ónix , el heliotropo y el jaspe . [22]
Amatista
La amatista es una forma de cuarzo que varía de un violeta intenso y brillante a un tono lavanda oscuro o apagado. Los depósitos de amatistas más grandes del mundo se pueden encontrar en Brasil, México, Uruguay, Rusia, Francia, Namibia y Marruecos. A veces, se encuentra amatista y citrino creciendo en el mismo cristal. En ese caso, se lo denomina ametrino . La amatista deriva su color de los rastros de hierro en su estructura. [35]
Las inclusiones del mineral dumortierita en piezas de cuarzo suelen dar lugar a manchas de aspecto sedoso con un tono azul. A veces también se encuentran presentes tonos de violeta o gris. El "cuarzo dumortierita" (a veces llamado "cuarzo azul") a veces presenta zonas de color claro y oscuro contrastantes en todo el material. [37] [38] El "cuarzo azul" es una piedra preciosa menor. [37] [39]
Citrino
La citrina es una variedad de cuarzo cuyo color varía de amarillo pálido a marrón debido a una distribución submicroscópica de impurezas de hidróxido férrico coloidal. [40] Las citrinas naturales son raras; la mayoría de las citrinas comerciales son amatistas tratadas térmicamente o cuarzos ahumados . Sin embargo, una amatista tratada térmicamente tendrá pequeñas líneas en el cristal, a diferencia del aspecto turbio o ahumado de una citrina natural. Es casi imposible diferenciar visualmente entre citrina cortada y topacio amarillo , pero difieren en dureza . Brasil es el principal productor de citrina, 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 también es el origen de la palabra " cidra ". A veces, la citrina y la amatista se pueden encontrar juntas en el mismo cristal, al que luego se denomina ametrina . [41] Se ha hecho referencia a la citrina como la "piedra del comerciante" o "piedra del dinero", debido a la superstición de que traería prosperidad. [42]
La citrina se empezó a apreciar como piedra preciosa de color amarillo dorado en Grecia entre el 300 y el 150 a. C., durante la época helenística . Antes de eso, el cuarzo amarillo se utilizaba para decorar joyas y herramientas, pero no era muy buscado. [43]
Cuarzo lechoso
El cuarzo lechoso o cuarzo lechoso es la variedad más común de cuarzo cristalino. El color blanco se debe a inclusiones diminutas de gas, líquido o ambos, atrapadas durante la formación del cristal, [44] lo que lo hace de poco valor para aplicaciones ópticas y de calidad de piedras preciosas. [45]
Cuarzo rosa
El cuarzo rosa es un tipo de cuarzo que presenta un tono que va del rosa pálido al rojo rosado. Por lo general, se considera que el color se debe a trazas de titanio , hierro o manganeso en el material. Algunos cuarzos rosas contienen agujas microscópicas de rutilo que producen 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. [46]
Además, existe un tipo raro de cuarzo rosa (también llamado frecuentemente cuarzo rosa cristalino) cuyo color se cree que es causado por trazas de fosfato o aluminio . El color en los cristales es aparentemente fotosensible y sujeto a decoloración. Los primeros cristales se encontraron en una pegmatita encontrada cerca de Rumford , Maine , EE. UU., y en Minas Gerais , Brasil. [47] Los cristales encontrados son más transparentes y euédricos, debido a las impurezas de fosfato y aluminio que formaron el cuarzo rosa cristalino, a diferencia del hierro y las fibras microscópicas de dumortierita que formaron el cuarzo rosa. [48]
Cuarzo ahumado
El cuarzo ahumado es una versión gris y translúcida del cuarzo. Su claridad varía desde una transparencia casi total hasta un cristal de color gris parduzco que es casi opaco. Algunos cristales también pueden ser negros. La translucidez es el resultado de la irradiación natural que actúa sobre trazas diminutas de aluminio en la estructura cristalina. [49]
Alabanza
Prase es una variedad verde de cuarzo. [50] El color verde es causado por inclusiones de anfíbol . [51]
Prasiolita
La prasiolita , también conocida como vermarina , es una variedad de cuarzo de color verde. [52] El verde es causado por iones de hierro. [51] Es un mineral raro en la naturaleza y se encuentra típicamente con amatista; la mayor parte de la "prasiolita" no es natural: se ha producido artificialmente calentando la amatista. Desde 1950 [ cita requerida ] , casi toda la prasiolita 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 . [52]
Si bien la mayoría del cuarzo cristaliza a partir de magma fundido , el cuarzo también precipita químicamente a partir de vetas hidrotermales calientes en forma de ganga , a veces con minerales como oro, plata y cobre. Se encuentran grandes cristales de cuarzo en las pegmatitas magmáticas . [22] Los cristales bien formados pueden alcanzar varios metros de longitud y pesar cientos de kilogramos. [57]
El cristal individual de cuarzo más grande documentado se encontró cerca de Itapore , Goiaz , Brasil; medía aproximadamente 6,1 m × 1,5 m × 1,5 m (20 pies × 5 pies × 5 pies) y pesaba más de 39 900 kg (88 000 lb). [58]
Minería
El cuarzo se extrae de minas a cielo abierto . En ocasiones, los mineros utilizan explosivos para dejar al descubierto bolsas profundas de cuarzo. Con mayor frecuencia, se utilizan excavadoras y retroexcavadoras para remover tierra y arcilla y dejar al descubierto 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. [59] [60]
Minerales de sílice relacionados
Diagrama de presión-temperatura que muestra los rangos de estabilidad para las dos formas de cuarzo y algunas otras formas de sílice [61]
La tridimita y la cristobalita son polimorfos de alta temperatura de SiO2 que se encuentran en rocas volcánicas con alto contenido de sílice . La coesita es un polimorfo más denso de SiO2 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 SiO2 aún más denso y de mayor presión que se encuentra en algunos sitios de impacto de meteoritos. [62] La moganita es un polimorfo monoclínico. La lechatelierita es un vidrio de sílice amorfo SiO2 que se forma por la caída de rayos en arena de cuarzo . [63]
Seguridad
Como el cuarzo es una forma de sílice, puede ser motivo de preocupación en diversos lugares de trabajo. Cortar, moler, 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. [64] 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 . [65] [66]
Tratamientos sintéticos y artificiales
Un cristal de cuarzo sintético cultivado mediante el método hidrotermal , de unos 19 centímetros (7,5 pulgadas) de largo y un peso de unos 127 gramos (4,5 oz).
No todas las variedades de cuarzo se dan en la naturaleza. Algunos cristales de cuarzo transparentes pueden tratarse con calor o radiación gamma para inducir color donde de otra manera no se habría producido de forma natural. La susceptibilidad a dichos tratamientos depende del lugar de donde se extrajo el cuarzo. [67]
La prasiolita, un material de color oliva, se produce mediante tratamiento térmico; [68] También se ha observado prasiolita natural en la Baja Silesia, en Polonia. [69] Aunque la citrina se produce de forma natural, la mayoría es el resultado del tratamiento térmico de la amatista o el cuarzo ahumado. [68] La cornalina ha sido tratada térmicamente para profundizar su color desde tiempos prehistóricos. [70]
Como el cuarzo natural suele estar maclado , se produce cuarzo sintético para su uso en la industria. Se sintetizan cristales individuales grandes e impecables en un autoclave mediante el proceso hidrotermal . [71] [22] [72]
Si bien el jade ha sido desde los tiempos más remotos la piedra semipreciosa más preciada para tallar en el este de Asia y la América precolombina , en Europa y Oriente Medio las diferentes variedades de cuarzo eran las más utilizadas para los diversos tipos de joyería y tallado de piedras duras , incluidas gemas grabadas y gemas camafeo , jarrones de cristal de roca y vasijas extravagantes. La tradición continuó produciendo objetos que fueron muy valorados hasta mediados del siglo XIX, cuando cayó en desuso en gran medida, excepto en joyería. La técnica del camafeo explota las bandas de color en el ónix y otras variedades.
Los esfuerzos para sintetizar 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 . [76] Sin embargo, la calidad y el tamaño de los cristales que se produjeron en estos primeros esfuerzos fueron deficientes. [77]
La incorporación de impurezas elementales influye fuertemente en la capacidad de procesar y utilizar el cuarzo. Los cristales de cuarzo de origen natural de pureza extremadamente alta, necesarios para los crisoles y otros equipos utilizados para el crecimiento de obleas de silicio en la industria de semiconductores , son caros y raros. Estos cuarzos de alta pureza se definen como aquellos que contienen menos de 50 ppm de elementos de impureza. [78] Una importante ubicación minera para cuarzo de alta pureza es la mina Spruce Pine Gem en Spruce Pine, Carolina del Norte , Estados Unidos. [79] El cuarzo también se puede encontrar en el pico Caldoveiro , en Asturias , España. [80]
En la década de 1930, la industria electrónica se había vuelto dependiente de los cristales de cuarzo. La única fuente de cristales adecuados era 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. [81] Después de la guerra, muchos laboratorios intentaron cultivar grandes cristales de cuarzo. En los Estados Unidos, el Cuerpo de Señales del Ejército de los EE. UU. contrató a Bell Laboratories y a Brush Development Company de Cleveland, Ohio, para sintetizar cristales siguiendo el ejemplo de Nacken. [82] [83] (Antes de la Segunda Guerra Mundial, Brush Development produjo cristales piezoeléctricos para tocadiscos). En 1948, Brush Development había cultivado cristales de 1,5 pulgadas (3,8 cm) de diámetro, los más grandes en ese momento. [84] [85] En la década de 1950, las técnicas de síntesis hidrotermal producían cristales de cuarzo sintéticos a escala industrial y, hoy en día, prácticamente todos los cristales de cuarzo utilizados en la industria electrónica moderna son sintéticos. [72]
Un uso temprano de la piezoelectricidad de los cristales de cuarzo fue en las pastillas de los fonógrafos . Uno de los usos piezoeléctricos más comunes del cuarzo en la actualidad es como oscilador de cristal . El oscilador o resonador de cuarzo fue desarrollado por primera vez por Walter Guyton Cady en 1921. [86] [87] George Washington Pierce diseñó y patentó osciladores de cristal de cuarzo en 1923. [88] [89] [90] El reloj de cuarzo es un dispositivo familiar que utiliza el mineral. Warren Marrison creó el primer reloj oscilador de cuarzo basado en el trabajo de Cady y Pierce en 1927. [91] 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 . [92]
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 de cristal de roca tallado (cuarzo transparente) con tapa de oro, c. 1000
Casi toda la demanda industrial de cristales de cuarzo (utilizados principalmente en electrónica) se satisface con cuarzo sintético producido mediante el proceso hidrotermal. Sin embargo, los cristales sintéticos son menos apreciados para su uso como piedras preciosas. [94] La popularidad de la curación con cristales ha aumentado la demanda de cristales de cuarzo naturales, que ahora se extraen a menudo en países en desarrollo mediante métodos de minería primitivos, a veces con trabajo infantil . [95]
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Enlaces externos
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Wikisource tiene el texto original relacionado con este artículo:
EB1911:Cuarzo
Variedades de cuarzo, propiedades, morfología cristalina. Fotos e ilustraciones
Gilbert Hart, "Nomenclatura de la sílice", American Mineralogist, volumen 12, págs. 383-395, 1927
"El reloj de cuarzo: inventores". Centro Lemelson, Museo Nacional de Historia Estadounidense, Instituto Smithsoniano . 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 para herramientas de piedra prehistóricas
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![Jarra de cristal de roca con decoración de festón tallado de un taller milanés de la segunda mitad del siglo XVI, Museo Nacional de Varsovia. La ciudad de Milán, junto con Praga y Florencia, fue el principal centro renacentista de tallado de cristal.[93]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b9/Milan_Jug_with_cut_festoon_decoration.jpg/1280px-Milan_Jug_with_cut_festoon_decoration.jpg)
