石英

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石英
クォーツ、チベット.jpg
チベットの水晶クラスター
全般的
カテゴリーケイ酸塩鉱物[1]
フォーミュラ
（繰り返し単位）		SiO 2
IMAシンボルQz [2]
ストルンツ分類4.DA.05（酸化物）
デーナ分類75.01.03.01（テクトシリケート）
クリスタルシステムα-クォーツ：三角
β-クォーツ：六方
クリスタルクラスα-クォーツ：ねじれ双角錐（クラス3 2）; β石英：ねじれ双角錐（クラス6 2 2）[3]
空間群α-クォーツ：P3 2 21（no。154）[4]
β-クォーツ：P6 2 22（no。180）またはP6 4 22（no。181）[5]
単位格子a =4.9133Å 、 c =5.4053Å; Z = 3
身元
フォーミュラ質量60.083g ・mol -1
色さまざまな色から黒まで無色
晶癖6面ピラミッド（典型的）で終わる6面プリズム、結晶洞、微結晶から微結晶、塊状
双晶一般的なドーフィン法、ブラジル法、日本法
卵割{0110}不明瞭
骨折貝殻状断口
粘り強さもろい
モース 硬度7 –不純な品種が少ない（ミネラルの定義）
光沢硝子体–塊状の場合はワックス状から鈍い
ストリーク白
透視性透明からほぼ不透明
比重2.65; 不純な品種の変数2.59–2.63
光学特性一軸（+）
屈折率nω = 1.543–1.545nε = 1.552–1.554 _
複屈折+0.009（BG間隔）
多色性なし
融点1670°C（βトリジマイト）1713°C（βクリストバライト）[3]
溶解性STPでは不溶性; 400°Cおよび500lb / inで1ppmの質量2〜500°Cおよび1500 lb / in2で2600ppmの質量[ 3 ]
その他の特徴格子：六角形、圧電性、摩擦発光、キラル（したがって、ラセミでない場合は光学活性）
参考文献[6] [7] [8] [9]

クォーツは、シリカ（二酸化ケイ素）で構成された硬い結晶性 鉱物です。原子は、SiO 4シリコン-酸素四面体の連続フレームワークでリンクされており、各酸素は2つの四面体間で共有され、 SiO2の全体的な化学式を示します。石英は、長石に次ぐ、地球の大陸地殻で2番目に豊富な鉱物です。[10]

クォーツは、通常のαクォーツと高温のβクォーツの2つの形態で存在し、どちらもキラルです。α石英からβ石英への変換は、573°C（846 K; 1,063°F）で突然起こります。変態は体積の大きな変化を伴うため、この温度しきい値を通過するセラミックまたは岩石の破砕を容易に誘発する可能性があります。[本文では確認されていません]

クォーツにはさまざまな種類があり、そのうちのいくつかは宝石に分類されます。古くから、特にユーラシア大陸では、さまざまな種類のクォーツが宝石や硬石の彫刻の製造に最も一般的に使用されている鉱物でした。

クォーツは、モース硬度で7の値を定義する鉱物であり、摩耗に対する材料の硬度を決定するため の定性的なスクラッチ法です。

語源

「クォーツ」という言葉は、14世紀前半に中高ドイツ語と東中部ドイツ語で同じ形をしたドイツ語の「クォーツ」 [11]に由来し、ポーランド語の方言であるkwardyに由来します。これは、チェコ語のtvrdý（「ハード」）に対応します。[12]

古代ギリシャ人はクォーツをκρύσταλλος（krustallos）と呼び、古代ギリシャ語のκρύος （ kruos ）は「氷のような寒さ」を意味します。[13]今日、ロッククリスタルという用語は、透明な粗い結晶の水晶の別名として使用されることがあります。[14] [15]

晶癖と構造

クォーツは、室温では三方晶系に属し、573°C（846 K; 1,063°F）を超えると六方晶系に属します。理想的な結晶形状は、両端が6面のピラミッドで終わる6面のプリズムです。自然界では、水晶振動子はしばしば双晶（右回りと左回りの双晶水晶）、歪んでいる、または隣接する水晶や他の鉱物の結晶と相互成長しているため、この形状の一部しか表示されないか、明らかな結晶面がまったくありません。巨大に見えます。[16] [17]整形式の結晶は、通常、ドルーズとして形成されます（ボイドを裏打ちする結晶の層）、その中でクォーツジオードは特に良い例です。[18]結晶は一方の端で囲んでいる岩に取り付けられており、1つの終端ピラミッドのみが存在します。ただし、二重に終端された結晶は、たとえば石膏内など、付着することなく自由に発達する場所で発生します。[19]

α石英は、キラリティーに応じて、三方晶系の空間群 P 3 121またはP3 2 21（それぞれ空間群152または154）で結晶化します。573°C（846 K; 1,063°F）を超えると、 P 3 121のα石英はより対称的な六角形のP6 4 22（空間群181）になり、P 3 221のα石英は空間群Pに移動します。 6 2 22（180番）。[20]これらの空間群は真にキラルです（それぞれが11個のエナンチオモルフペアに属しています）。α水晶とβ水晶はどちらも、アキラルなビルディングブロック（この場合はSiO 4四面体）で構成されるキラル結晶構造の例です。αクォーツとβクォーツの間の変換には、四面体の相互の比較的小さな回転のみが含まれ、それらのリンク方法は変更されません。[16] [21]

  • α水晶の結晶構造（赤いボールは酸素、灰色はシリコン）

  • βクォーツ

品種（微細構造による）

品種名の多くは歴史的に鉱物の色に由来していますが、現在の科学的な命名スキームは主に鉱物の微細構造に言及しています。色は隠微晶質鉱物の二次識別子ですが、マクロ結晶質の変種の一次識別子です。[22]

クォーツの主な種類
タイプ 色と説明 透明性
ハーキマーダイヤモンド 無色 透明
水晶 無色 透明
アメジスト 紫から紫の色のクォーツ 透明
シトリン 赤みがかったオレンジまたは茶色（マデラクォーツ）、時には緑がかった黄色に及ぶ黄色のクォーツ 透明
アメトリン アメジストとシトリンの混合物と紫/紫と黄色またはオレンジ/茶色の色合い 透明
バラ石英 ピンク、スター効果を表示する可能性があります 透明
カルセドニー 多くの種類で発生する繊維状の、さまざまな半透明の隠微晶質水晶。この用語は、モガン石
と相互成長した白、曇り、または淡い色の材料によく使用されます。それ以外の場合は、より具体的な名前が使用されます。
カーネリアン 赤みがかったオレンジ色のカルセドニー 半透明
アベンチュリン アベンチュリン効果できらめく小さな整列したインクルージョン（通常はマイカ）を備えたクォーツ 半透明から不透明
瑪瑙 マルチカラー、カーブ、または同心の縞模様の玉髄（オニキスを参照） 半透明から半透明
オニキス マルチカラーのストレートバンドのカルセドニーまたはチャート（瑪瑙を参照） 半透明から不透明
碧玉 不透明な隠微晶質水晶、通常は赤から茶色ですが、他の色によく使用されます 不透明
ミルキークォーツ 白、スター効果を表示する可能性があります 半透明から不透明
スモーキークォーツ 明るい灰色から暗い灰色、時には茶色がかった色合い 半透明から不透明
タイガーズアイ 繊維状の金、赤茶色または青みがかった色のカルセドニーで、キャッツアイ効果を示します。
プラジオライト ミントグリーン 透明
ルチルクォーツ ルチルの針状（針状）封入体が含まれています
デュモルティエライトクォーツ 青いデュモルチエライト結晶を大量に含む 半透明

品種（色による）

透明性を発揮するクォーツクリスタル

伝統的にロッククリスタルまたはクリアクォーツと呼ばれる純粋なクォーツは、無色透明または半透明であり、ロタールクリスタルなどの硬石の彫刻によく使用されています。一般的な着色品種には、シトリン、ローズクォーツ、アメジスト、スモーキークォーツ、ミルキークォーツなどがあります。[23]これらの色の違いは、分子軌道を変化させる不純物の存在から生じ、可視スペクトルでいくつかの電子遷移が起こり、色が発生します。

水晶の種類の最も重要な違いは、マクロ結晶（肉眼で見える個々の結晶）と微結晶または隠微晶質の種類（高倍率でのみ見える結晶の集合体）の違いです。隠微晶質の変種は半透明またはほとんど不透明ですが、透明な変種はマクロ結晶質である傾向があります。カルセドニーは、石英とその単斜晶系多形モガン石の両方の微細な連晶からなるシリカの隠微晶質です。[24]他の不透明な宝石の種類のクォーツ、またはクォーツを含む混合岩は、しばしば対照的なバンドまたは色のパターンを含み、瑪瑙、カーネリアンまたはイワシ、オニキス、ヘリオトロープ、およびジャスパーです。[16]

アメジスト

アメジストは、明るい鮮やかなバイオレットから暗いまたは鈍いラベンダーの色合いまでの範囲のクォーツの一種です。世界最大のアメジストの鉱床は、ブラジル、メキシコ、ウルグアイ、ロシア、フランス、ナミビア、モロッコにあります。時々、アメジストとシトリンが同じ結晶で成長しているのが見られます。その後、アメトリンと呼ばれます。アメジストは、その構造内の微量の鉄からその色を引き出します。[25]

ブルークォーツ

ブルークォーツには、繊維状のマグネシオリーベック閃石またはクロシドライトが含まれています。[26]

デュモルティエライトクォーツ

クォーツピース内にミネラルデュモルティエライトが含まれていると、青い色合いの絹のような斑点が生じることがよくあります。紫や灰色の色合いも時々存在します。「デュモルティエライトクォーツ」（「ブルークォーツ」と呼ばれることもあります）は、素材全体に対照的な明るい色と暗い色のゾーンを備えている場合があります。[27] [28]「ブルークォーツ」はマイナーな宝石です。[27] [29]

シトリン

シトリンは、コロイド状の水酸化第二鉄不純物の超顕微鏡的分布により、淡黄色から茶色の範囲の色のさまざまな石英です 。[30]天然水晶体はまれです。ほとんどの市販のシトリンは、熱処理されたアメジストまたはスモーキークォーツです。ただし、熱処理されたアメジストは、天然の水晶体の曇ったまたは煙のような外観とは対照的に、結晶に小さな線があります。カットシトリンとイエロートパーズを視覚的に区別することはほぼ不可能ですが、硬度が異なります。ブラジルはシトリンの主要な生産国であり、その生産の多くはリオグランデドスル州からのものです。名前はラテン語に由来します「黄色」を意味し、「柚子」という言葉の由来でもあるシトリーナ。時々、シトリンとアメジストが同じ結晶の中に一緒に見つかることがあり、それはアメトリンと呼ばれます。[31]シトリンは、繁栄をもたらすという迷信から、「商人の石」または「金の石」と呼ばれてきました。[32]

シトリンは、ヘレニズム時代の紀元前300年から150年の間に、ギリシャで黄金色の宝石として最初に評価されました。それ以前は、ジュエリーや道具を飾るために黄色いクォーツが使われていましたが、あまり人気がありませんでした。[33]

ミルキークォーツ

ミルククォーツまたはミルキークォーツは、最も一般的な種類のクリスタルクォーツです。白色は、結晶形成中に閉じ込められた気体、液体、またはその両方の微細な流体包有物によって引き起こされ[34]、光学的および高品質の宝石用途にはほとんど価値がありません。[35]

ローズクォーツ

ローズクォーツは、淡いピンクからローズレッドの色合いを示すクォーツの一種です。色は通常、材料に含まれる微量のチタン、鉄、またはマンガンによるものと見なされます。一部のローズクォーツには、透過光にアステリズムを生み出す微細なルチル針が含まれています。最近のX線回折研究は、色が石英内のおそらくデュモルチエライトの細い微細繊維によるものであることを示唆しています。[36]

さらに、微量のリン酸塩またはアルミニウムが原因と考えられる色のピンククォーツ（結晶性ローズクォーツとも呼ばれる）の珍しいタイプがあります。結晶の色は明らかに感光性であり、退色しやすいです。最初の結晶は、米国メイン州ラムフォード近郊とブラジルのミナスジェライス州で見つかったペグマタイトで見つかりました。[37]

スモーキークォーツ

スモーキークォーツは、灰色の半透明バージョンのクォーツです。透明度は、ほぼ完全な透明度から、ほぼ不透明な茶色がかった灰色の結晶までさまざまです。一部は黒にすることもできます。半透明性は、結晶構造内の微量のアルミニウムに作用する自然照射に起因します。[38]

プラジオライト

プラジオライトは、バーマリンとも呼ばれ、緑色のさまざまなクォーツです。1950年以来、ほとんどすべての天然プラジオライトは小さなブラジルの鉱山から来ていますが、ポーランドのローワーシレジアでも見られます。天然に存在するプラジオライトは、カナダのサンダーベイ地域にも見られます。自然界では希土類鉱物です。ほとんどのグリーンクォーツは熱処理されたアメジストです。[39]

  • ハーキマーダイヤモンド

  • 水晶

  • アメトリン

  • アメジスト

  • ブルークォーツ

  • カルセドニー

  • シトリン

  • バラ石英

  • プラジオライト

  • ルチルクォーツ

  • セプテッドクォーツ

  • スモーキークォーツ

合成および人工治療

水熱法で成長させた合成水晶、長さ約19cm、重さ約127グラム

すべての種類のクォーツが自然に発生しているわけではありません。一部の透明な水晶は、熱またはガンマ線照射を使用して処理し、他の方法では自然に発生しなかった色を誘発することができます。このような処理に対する感受性は、石英が採掘された場所によって異なります。[40]

オリーブ色の素材であるプラジオライトは、熱処理によって製造されます。[41]天然のプラジオライトは、ポーランドのドルヌィ・シロンスクでも観察されています。[42]水晶は自然に発生しますが、大部分はアメジストまたはスモーキークォーツを熱処理した結果です。[41] カーネリアンは、先史時代から色を濃くするために熱処理されてきました。[43]

天然水晶はしばしば双晶であるため、合成水晶は産業で使用するために製造されています。大きくて完璧な単結晶は、オートクレーブ内で水熱プロセスを介して合成されます。[44] [16] [45]

他の結晶と同様に、水晶は魅力的な光沢を与えるために金属蒸気でコーティングすることができます。[46] [47]

発生

セイシェル、アリッド島のグロスラテテの崖にある花崗岩。薄い（幅1〜3 cm）明るい層は、花崗岩質マグマの結晶化の後期に形成された石英脈です。それらは「熱水鉱脈」と呼ばれることもあります。

石英は花崗岩やその他の珪長質 火成岩の決定的な構成要素です。砂岩や頁岩などの堆積岩によく見られます。片岩、片麻岩、珪岩、その他の変成岩の一般的な成分です。[16] Quartzは、Goldich溶解シリーズの中で風化の可能性が最も低く、その結果、小川の堆積物や残留土壌の残留鉱物として非常に一般的です。一般的に、クォーツの存在が高いことは、「成熟した」ことを示唆しています。「岩は、岩が大幅に再加工されており、石英が激しい風化に耐えた主要な鉱物であったことを示しているためです。[48]

石英の大部分は溶融マグマから結晶化しますが、石英は脈石として高温の熱水 鉱脈から化学的に沈殿し、時には金、銀、銅などの鉱石鉱物とともに沈殿します。石英の大きな結晶は、マグマ性ペグマタイトに見られます。[16]整形式の結晶は、長さが数メートルに達し、重さが数百キログラムになる場合があります。[49]

半導体産業でシリコン ウェーハを成長させるために使用されるるつぼやその他の機器に必要な、非常に高純度の天然に存在する水晶は、高価でまれです。高純度クォーツの主な採掘場所は、米国ノースカロライナ州スプルースパインにあるスプルースパインジェムマインです。[50]クォーツは、スペインのアストゥリアスにあるカルドベイロピークでも見られます。[51]

記録されている最大の水晶単結晶は、ブラジルのゴイアス州イタポア近郊で発見されました。寸法は約6.1×1.5×1.5m、重さは39,916キログラムでした。[52]

マイニング

クォーツは露天掘り鉱山から抽出されます。鉱山労働者は時折爆発物を使用して石英の深いポケットを露出させます。より頻繁に、ブルドーザーとバックホーは、土と粘土を取り除き、石英脈を露出させるために使用され、その後、手工具を使用して作業されます。結晶を損傷する可能性のある突然の温度変化を避けるように注意する必要があります。[53] [54]

水晶振動子（主に電子機器で使用される）のほとんどすべての産業需要は、水熱プロセスによって生成された合成水晶で満たされています。ただし、合成結晶は宝石としての使用にはあまり価値がありません。[55]クリスタルヒーリングの人気により、天然水晶の需要が高まっています。天然水晶は、現在、発展途上国で原始的な採掘方法を使用して採掘されることが多く、児童労働を伴うこともあります。[56]

関連するケイ酸塩鉱物

トリジマイトとクリストバライトは、高シリカ火山岩に存在するSiO2の高温多形です。コーサイトは、一部の隕石衝突サイトや、地球の地殻に典型的な圧力よりも高い圧力で形成された変成岩に見られる、SiO2のより高密度の多形です。スティショバイトは、いくつかの隕石衝突サイトで見られる、まだ高密度で高圧のSiO2の多形です。[57]ルシャトリエライトは、石英の落雷によって形成されるアモルファスシリカガラスSiO2です。 砂。[58]

安全性

石英はシリカの一種であるため、さまざまな職場で懸念される可能性があります。天然および製造された石製品の切断、研削、チッピング、サンディング、穴あけ、および研磨は、危険なレベルの非常に小さな結晶性シリカ粉塵粒子を労働者が呼吸する空気中に放出する可能性があります。[59]呼吸可能なサイズの結晶性シリカは、認識されているヒト発がん物質であり、珪肺症や肺線維症などの肺の他の疾患を引き起こす可能性があります。[60] [61]

歴史

「クォーツ」という言葉は、スラブ語に由来するドイツ語の クォーツ（ヘルプ・情報）[62]に由来します（チェコの鉱山労働者はそれをkřemenと呼んでいます）。他の情報源は、単語の起源をサクソン語のQuerkluftertz、つまりクロスベイン鉱石に起因すると考えています。[63]オーディオスピーカーアイコン 

クォーツは、オーストラリアのアボリジニ神話で神秘的な物質マバンとして識別される最も一般的な材料です。それは、アイルランドのニューグレンジやカロウモアなどの埋葬の文脈でヨーロッパの羨道墳墓地で定期的に見られます。クォーツのアイルランド語はgrianchlochで、これは「サンストーン」を意味します。クォーツは、先史時代のアイルランドだけでなく、他の多くの国でも石器に使用されていました。先史時代の人々の石器技術の一環として、水晶と水晶の両方が刻まれました。[64]

翡翠は、東アジアとプレコロンビアンアメリカで最も貴重な半貴石の彫刻でしたが、ヨーロッパと中東では、さまざまな種類のクォーツがさまざまな種類の宝石や硬石の彫刻に最も一般的に使用されていました。 、彫刻された宝石とカメオの宝石、水晶の壺、そして贅沢な器を含みます。この伝統は、19世紀半ばまで、ジュエリーを除いてファッションから大きく衰退するまで、非常に価値の高いオブジェクトを生み出し続けました。カメオ技法は、オニキスやその他の品種の色の帯を利用します。

ローマの博物学者プリニウス長老は、クォーツは水の氷であり、長い時間の後に永久に凍っていると信じていました。[65]（「水晶」という言葉はギリシャ語のκρύσταλλος、「氷」に由来する。）彼は、水晶はアルプスの氷河の近くにあるが火山の山にはない、そして大きな水晶が作られたと言ってこの考えを支持した。手を冷やすために球に。この考えは少なくとも17世紀まで続いた。彼はまた、光をスペクトルに分割するクォーツの能力を知っていました。[66]

17世紀、ニコラウスステノの水晶の研究は、現代の結晶学への道を開きました。彼は、水晶のサイズや形状に関係なく、その長いプリズム面が常に完全な60°の角度で結合していることを発見しました。[67]

クォーツの圧電特性は、1880年にジャックとピエールキュリーによって発見されました。[68] [69]水晶発振器または共振器は、1921年にウォルターガイトンキャディによって最初に開発されました。 [70] [71] ジョージワシントンピアスは、 1923年。[72] [73] [74]ウォーレン・マリソンは、1927年にキャディとピエールの作品に基づいて最初の水晶発振器時計を作成した。[75]

水晶を合成する取り組みは、科学者が自然界で形成された鉱物の条件を模倣した実験室の条件下で鉱物を作成しようとしたときに19世紀半ばに始まりました。ドイツの地質学者KarlEmilvonSchafhäutl（1803〜1890）は、 1845年に彼は圧力調理器で微細な水晶を作成しました。[76] しかしながら、これらの初期の努力によって生成された結晶の品質とサイズは貧弱でした。[77]

1930年代までに、電子産業は水晶に依存するようになりました。適切な結晶の唯一の供給源はブラジルでした。しかし、第二次世界大戦によりブラジルからの供給が途絶えたため、各国は商業規模でクォーツを合成しようとしました。ドイツの鉱物学者リチャード・ナッケン（1884–1971）は、1930年代から1940年代にかけてある程度の成功を収めました。[78] 戦後、多くの研究所が大きな水晶振動子を育てようとした。米国では、米陸軍通信部隊がベル研究所およびオハイオ州クリーブランドのブラシ開発会社と契約を結び、ナッケンの先導に従って結晶を合成しました。[79] [80] （第二次世界大戦前、Brush Developmentはレコードプレーヤー用の圧電結晶を製造していました。）1948年までに、Brush Developmentは直径1.5インチ（3.8 cm）の結晶を成長させました。[81] [82] 1950年代までに、水熱合成技術は工業規模で合成水晶を製造していました。そして今日、現代の電子産業で使用される事実上すべての水晶は合成です。[45]

圧電性

水晶には圧電特性があります。それらは、機械的応力を加えると電位を発生させます。[84]水晶のこの特性の初期の使用は、蓄音機のピックアップでした。今日の水晶の最も一般的な圧電用途の1つは、水晶発振器としてです。クォーツ時計は、ミネラルを使ったおなじみの装置です。水晶振動子の共振周波数は、機械的に負荷をかけることで変化します。この原理は、水晶振動子微量天秤や薄膜厚さモニターの非常に小さな質量変化を非常に正確に測定するために使用されます。[85]

も参照してください

参考文献

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外部リンク

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