Kremen (kvarc): silicijev dioksid — lastnosti, vrste in uporaba

Kremen (kvarc): lastnosti, vrste in uporaba — od agata in ametista do kvarčnih ur in polprevodnikov. Raziščite SiO2, trdoto, vrste in industrijske uporabe.

Kremen je tektosilikatni mineral, ki je drugi najpogostejši mineral v Zemljini celinski skorji. Njegova kristalna struktura je ogrodje iz silicijevih tetraedrov SiO4 s kisikom. Vsak si deli kisikov atom z drugim tetraedrom, zato je skupna kemijska formula SiO2 ali silicijev dioksid.

Obstaja veliko različnih vrst kremena, od katerih so nekateri poldragi kamni. Že dolgo jih uporabljajo za izdelavo nakita in rezbarij iz trdega kamna. Agat, ametist in rožni kremen so vse oblike kremena.

Kvarčni kristali se uporabljajo v oscilatorjih, na primer v kvarčnih urah. Ljudje pridobivajo tudi silicij za izdelavo polprevodnikov. Večino peska predstavljajo majhni kosi kremena. Kremen ima mineralno trdoto 7 (mohsova lestvica).

Beseda "kremen" izhaja iz nemške besede "quarz".

"Taljeni kremen" je steklo iz silicijevega dioksida v nekristalni obliki. Ne vsebuje drugih sestavin, ki se dodajajo drugemu steklu za znižanje tališča. Taljeni kremen ima visoke delovne temperature in temperature taljenja. Za nekatere namene je taljeni kremen zaradi svoje čistosti boljši od drugih vrst stekla. To steklo se uporablja v številnih visokotehnoloških izdelkih.

Fizikalne in kemične lastnosti

Kremen je kristalna oblika SiO2 z glavnim kristalnim sistemom trigonal (pogosto se tvori kot šestkotni prizmični kristali). Nekatere pomembne lastnosti:

• Trdota: 7 po mohsovi lestvici.
• Gostota: približno 2,65 g/cm3.
• Optične lastnosti: lomni količnik približno 1,544–1,553, brez dvojnega loma pri čisti obliki.
• Prizemljitev: nima izrazite razpokanosti (cleavage), lom je konhoidalen (skozično).
• Električne in piezoelektrične lastnosti: kremen je piezoelektričen—pri mehanski obremenitvi nastane električni naboj; tega izkoriščajo v senzorjih, resonatorjih in oscilatorjih.
• Toplotna obstojnost: naravni kremen prenese visoke temperature; taljeni kremen (fused silica) ima zelo nizko termično raztezanje in visoko odpornost na toploto.

Polimorfi in sorodne oblike

Silicijev dioksid se pojavlja v več kristalnih in nekristalnih oblikah. Poleg običajnega kremena obstajajo še:

• visokotemperaturne in -tlaka oblike: tridimit in kristobalit (visoke temperature),
• visokotlačne oblike: coesit in stishovit (nastanejo pri udarnih dogodkih ali v subdukcijskih conah),
• nekristalni silicijev dioksid: opal in vulkanska stekla,
• mikrokrizalinske oblike: chalcedon, jasper in druge.

Vrste kremena in barve

Kremen ima številne barvne in teksturne variante, ki nastanejo zaradi primesi, napak v kristalni mreži ali vključenih snovi. Najpogostejše so:

• Prozorni kremen (gorski kristal) — brezbarven, čist kristal.
• Ametist — vijoličen od Fe in naravne sevalne preobrazbe.
• Citrine — rumen do oranžen, pogosto toplotno obdelan ametist.
• Rožni kremen — rožnat; barvo povzroči kombinacija primesi ali drobnih vključenih vlakenc (npr. rutila) ali barvnih centrov.
• Smoky quartz (dimni kremen) — rjav do črn; nastane zaradi naravnega sevanja in prisotnosti aluminija.
• Agat, karneol, jaspis, chalcedon — mikrokrizalinske ali slojaste oblike, pogosto z raznolikimi barvnimi vzorci.

Nastanek in najdišča

Kremen nastaja v različnih geoloških okoljih: kot primarni mineral v magmatskih kamninah (npr. granit), kot sekundarni mineral v hidrotermalnih žilah in kot cement v sedimentnih kamninah (npr. peščenec). Velike nahajališča so znana v državah, kot so Brazilija, ZDA (npr. Arkansas), Madagaskar in Rusija, kjer nastanejo veliki kakovostni kristali primerne za zbirke in industrijo.

Uporaba kremena

Kremen je izjemno vsestranski mineral. Glavne uporabe vključujejo:

• Elektronika: kvarčni kristali v oscilatorjih, urah, radijskih in telekomunikacijskih napravah zaradi stabilnih piezoelektričnih lastnosti.
• Polprevodniki: iz silicijevega dioksida se pridobiva silicij, ki se nadalje prečiščuje in uporablja v proizvodnji polprevodnikov in čipov.
• Steklarstvo in optika: pesek iz kremena je osnovna surovina za običajno steklo; taljeni kremen (fused silica) se uporablja za optične komponente, kvantno optiko in visoko temperaturne aplikacije.
• Konstrukcija: kremnov pesek je glavna sestavina betona, malte in gradbenih materialov.
• Abrasivi in polnila: uporaba v peskanju, brusilnih sredstvih in kot polnilo v barvah ter gumi.
• Gemologija in ročna dela: izdelava nakita, vzorcev, rezbarij in okrasnih predmetov.
• Industrijske kemikalije: priprava silicijevih spojin, kremenčevih past in kot surovina za proizvodnjo silicijevih karbidov.

Taljeni kremen (fused silica)

Taljeni kremen je visokočista, nekristalna oblika SiO2. Ker ne vsebuje dodatkov, ki znižujejo tališče, ima zelo visoko temperaturno odpornost, nizko termično raztezanje in dobro optično prosojnost v širokem spektru. Zato se uporablja v visokotehnološki optiki, polprevodnikih, laboratorijskih aparaturah in sferah, kjer je potrebna izjemna čistost in stabilnost.

Varnost in vpliv na zdravje

Kljub široki uporabnosti ima kristalni silicij nevarnost za zdravje: vdihavanje praška drobnih delcev kristalnega SiO2 lahko povzroči silikozo, kronično pljučno bolezen, in povečuje tveganje za pljučni rak. Zato pri delu s peskom, brušenju ali drobljenju kremena upoštevamo zaščitne ukrepe — nadzor prahu, prezračevanje in osebna varovalna oprema (respiratorji).

Sklep

Kremen je vsestranski in tehnično zelo pomemben mineral. Od igra vlogo glavne sestavine peščenih in magmatskih kamnin do ključne surovine v elektroniki, optiki in steklarstvu. Hkrati pa je potrebna previdnost pri ravnanju z njegovo prahasto obliko zaradi nevarnosti za dihala.

Šokiran kremen

Udarni kremen je oblika kremena, ki ima mikroskopsko strukturo, drugačno od običajnega kremena. Pod močnim pritiskom (vendar z omejeno temperaturo) se kristalna struktura kremena deformira vzdolž ravnin znotraj kristala. Te ravnine se pod mikroskopom pokažejo kot črte.

Udarni kremen najdemo po vsem svetu, zlasti v udarnih kraterjih in v tanki mejni plasti krede in paleogena. Ta je na stiku med krednimi in paleogenimi kamninami. To je še en dokaz (poleg obogatitve z iridijem), da je prehod med obema geološkima obdobjema povzročil velik udar. Eugene Shoemaker ga je odkril v gradbenih kamnih v bavarskem mestu Nördlingen. Kamni so bili iz pretresenih metamorfnih kamnin, kot je breča, iz meteorskega kraterja.

fotomikrografija šokiranega kremena

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je kremen?

V: Od kod izvira ime "kremen"?

V: Katere so nekatere sorte kremena?

V: Kako trd je kremen?

V: Kaj je staljeni kremen?

V: Za katere izdelke se lahko uporablja taljeni kremen?

V: Kako dolgo že ljudje uporabljajo različne vrste kremena za nakit in rezbarije?

Išči po črki