تويت
كوارتز Quartz - Quartz
الكوارتز
الكوارتز quartz هو ثنائي أكسيد السيليسيوم المتبلور، وهو واحد من الخامات الرئيسة للقشرة الأرضية وثاني هذه الخامات من حيث الشيوع. فالكوارتز ينتشر في جميع أنحاء العالم ويدخل في تركيب الصخور المختلفة، ويوجد نقياً. ويعدّ الكوارتز من المكوِّنات الرئيسة للصخور البركانية كالغرانيت granite والريوليت rhyolite والبغماتيت pegmatite، وفي الصخور المتحولة metamorphic rocks كالشيست schist والنايس gneiss. كما أن الصخر المتحول الكوارتزيت quartzite يتألف كلياً من الكوارتز تقريباً. ويتشكل الكوارتز على شكل عروق veins وعقيدات nodules في الصخور الرسوبية sedimentary rocks وخصوصاً في الحجر الجيري limestone. والحجر الرملي sandstone صخر رسوبي يتألف أساساً من الكوارتز. وتشكل عروق الكوارتز المتوضِّعة في شقوق الصخور حاضنة matrix للعديد من الخامات الثمينة؛ فالمعادن الثمينة، كالذهب مثلاً، وجدت بكمياتٍ لابأس بها في عروق الكوارتز؛ مما يبرر طريقة تعدين الكوارتز quartz mining لاكتشاف الخامات الثمينة. وتراوح أبعاد بلورات الكوارتز عموماً بين أبعاد الحبيبات الناعمة جداً، التي لا ترى بالعين المجردة، حتى عشرات عدة من السنتمترات. وقد تظهر بين الفينة والأخرى، وبندرةٍ كبيرةٍ بلورات تصل أبعادها إلى متر أو أكبر بقليل.
وتُنتَج بلورات الكوارتز صناعياً أيضاً، وتدعى في هذه الحالة بالكوارتز الصناعي. ويجري صنع بلورات الكوارتز من المحاليل المائية القلوية لـ SiO2 عند الضغوط n40-200MPa ودرجات الحرارة T~360ºC. وتتصف بلورات الكوارتز الصناعية بخصائص كهرضغطية piezoelectric مستقرة، واستقرار إشعاعي، وتجانس بصري عالٍ وغيرها من الخصائص التقنية المهمة.
الشكل (1)
بنية الكوارتز
الأنماط البلورية لأكسيد السيليسيوم: لأكسيد السيليسيوم أنماطٍ بلوريةٍ عدة؛ فالنمط البلوري المعروف بالكوارتز ألفا α-quartz هو النمط الأساسي لأكسيد السيليسيوم المتبلور في الشروط العادية من الضغط ودرجات الحرارة، ويحمل هذا النمط تسمية الكوارتز. وتتشكل بلورة الكوارتز من رباعيات السطوح SiO4 tetrahedron حيث توجد شاردة السيليسيوم الموجبة cation في مركزها، وتحاط هذه الشاردة بأربعة أنيونات anions من الأكسجين O. ويرتبط كل أيون أكسجين O بأيوني سيليسيوم Si، مؤمِّنة بذلك ارتباط رباعيات السطوح (الشكل 1). وشحنة كاتيون السيليسيوم نحو +n2e (حيث e القيمة المطلقة لشحنة الإلكترون)، في حين تساوي شحنة الأكسجين -n1e. والرابطة بين السيليسيوم والأكسجين ذات طبيعة أيونية ـ مشتركة. ويتمتع معاملا الخلية العنصرية لبلورة الكوارتز بالقيمتين الآتيتين: a=4.903Å و c=5.393Å. وتنتمي هذه البلورة إلى زمرة التناظر النقطية 32. وتتحقق زمرة التناظر النقطية 32 بالنسبة لبلورة الكوارتز في البنية الذرية على شكل زمرتين فراغيتين متعاكستين يمينية ويسارية (الشكل 2). ولهذا السبب يلاحظ انتشار هاتين الزمرتين (البلورة اليمينية والبلورة اليسارية) في الطبيعة بشكلٍ متساوٍ تقريباً. وتتوضَّع رباعيات سطوح SiO4 على امتداد المحور الأساسي c في بنيةٍ وفق خطٍ حلزونيٍ، إلا أن دوران الحلزون الموافق يكون يمينياً أو يسارياً.
الشكل (2)
بلورات الكوارتز اليمينية (أ) واليسارية (ب)
وتكون بلورات الكوارتز إما على شكل مواشير متطاولة وإما أهرامات مزدوجة، وجوهها مواشير سداسية مع زوجين من المواشير السداسية المنتظمة. وتختلف بلورات الكوارتز اليمينية واليسارية عن بعضها بأسلوب توضُّع الوجهين: المسطح المعين المنحرف والهرم الثنائي المتعامد. وغالباً ما تكون بلورات الكوارتز مشكَّلة من بلورات توائم twin crystal. والبلورة التي تبدو أحادية ما هي إلا نمو حميم للنوعين معاً. ونمو الكوارتز اليساري مع اليميني جنباً إلى جنبٍ بحيث تكون بنية أحدهما خيالاً مرآتياً لبنية الآخر في المستوي العمودي على المحور من المرتبة الثانية، يقود إلى ما يعرف بالتوائم البرازيلية، الشكل (3 أ)، وتدعى التوائم المشكَّلة من بلورات يمينية أو يسارية، إلا أن كلاً منهما منحرف عن الآخر حول المحور الشاقولي بزاوية i180º بالتوائم الدوفينية Dauphin twin، الشكل (3 ب). وتظهر هذه التوائم نتيجة للانتظام الداخلي للبنية البلورية عند تعرضها لإجهادات ميكانيكيةٍ ناجمةٍ عن تقلصاتٍ حراريةٍ أو عن تطبيق قوى خارجية.
الشكل (3)
التوءم البرازيلي (أ) والتوءم الدوفيني (ب)
ويتحول النمط البلوري الكوارتز ألفا إلى نمط بلوري آخر يعرف بالكوارتز بيتا β-quartz عند درجة الحرارة i573ºC. ويبقى هذا النمط مستقراً حتى درجة الحرارة i870ºC، يتحول عندها إلى طورٍ آخر يعرف بالتريديميت tridymite. وبلورة الكوارتز بيتا السداسية تنتمي إلى زمرة التناظر i62، وتختلف بنيتها عن بنية الكوارتز ألفا بدورانٍ صغيرٍ وتناظر أكبر لتوضُّع رباعيات سطوح، ويبقى النمط البلوري المعروف بالتريديميت مستقراً في المجال الحراري i870-1470ºC، ويتحول التريديميت إلى نمط بلوري آخر يعرف بالكريستوباليت cristobalite عند درجة الحرارة i1470ºC. ويبقى هذا الطور مستقراً مع ارتفاع درجة الحرارة حتى درجة حرارة الانصهار i1710ºC عند الضغط الجوي. وهناك نمطان بلوريان آخران معروفان لأكسيد السيليسيوم البلوري عند الضغوط ودرجـات الحرارة العالية همـا الكويزيت coesite الذي يكون مسـتقراً عند درجة الحرارة T~1000ºC والضغط p~2GPa، والستيشوفيت stishovite النمط الـذي يكون مستقراً عنـد درجة الحرارة T~1000ºC والضغط p~10GPa.
الخصائص الفيزيائية للكوارتز: الكوارتز النقي عديم اللون، إلا أن كميةً مهملةً من الشوائب تعطيه ألواناً مختلفةً، وأكثر الألوان شيوعاً هي: الأبيض الحليبي والرمادي. وبلورات الكوارتز عديمة اللون أو نصف الشفافة الملونة بألوان زاهية تعرف بأسماء خاصة، فيُعرف الكوارتز عديم اللون والشفاف بالبلور الصخري أو الجبلي rock crystal، ويعرف الكوارتز ذو اللون البنفسجي أو الأرجواني بالأمتيست amethyst الذي ينتمي إلى الأشكال القيِّمة للكوارتز، ويعرف الكوارتز الدخاني smoky quartz بالراوختوباز raukhtopaz والأسود بالماربون marpon. ويراوح لون الكوارتز الدخاني أو المرو الأصفر أو البني cairngorm stone بين الأصفر الدخاني والبني الغامق. وتطلق تسمية السيترين sitrine على الكوارتز الأصفر الذهبي. والكوارتز الروتيلي rutilated quartz عبارة عن إبرٍ دقيقةٍ من الروتيل rutile (ثنائي أكسيد التيتانيوم) المحمر للبلورات، داخلةٍ في بلورات الكوارتز عديم اللون. وتقود إضافة كمية قليلة من الكوبالت Co إلى الكوارتز الصناعي إلى إعطائه لوناً أزرق جميلاً.
إن صلابة الكوارتز وفق تدريج الخامات تساوي 7، وكتلته الحجمية ρ=2650kg/m3. وينصهر الكوارتز عند درجة الحرارة i1710ºC، ويتجمد بالتبريد مشكلاً ما يعرف بالزجاج الكوارتزي، حيث تترابط رباعيات سطوح SiO4 عشوائياً. والكوارتز المصهور عـازل كهربائـي جيد؛ فمقاومـة مكعـب طـول حرفه 1سم تـساوي i5x1018Ω ومعامـل تمدده الخطي i0.57x10-6/K. ومن الناحية البصرية فالكوارتز أحادي المحور وموجب (أي إن n0< ne حيث n قرينة الانكسار. ويدل الدليل n0 على الموجة العادية (الكروية في البلورات أحادية المحور) ويدل الدليل e على الموجة غير العادية (الأهليليجية في البلورات أحادية المحور). وبالنسبة لضـوء النهار عند طـول الموجة λ = 589.3nm تكون قيمتـا قرينتي الانكسار كمـا يأتي: n0=1.544; ne=1.553. والكوارتز غير الملوَّن شفاف بالنسبة للأشعة فوق البنفسجية وشفاف جزئياً بالنسبة للأشعة تحت الحمراء. وعند ورود شعاع ضوئي مستقطب في مستوٍ وفق اتجاه المحور البصري تقوم البلورات اليمينية واليسارية في الكوارتز بتدوير مستوي الاستقطاب في اتجاهين متعاكسين. وتتغير قيمة زاوية الدوران (بالنسبة لصفيحة سمكها 1مم) تبعاً لطول الموجة λ وتساوي i21.7º عندما تكون λ = 589 nm. ويقود انعدام مركز التناظر ومستوياته في بلورات الكوارتز إلى اتصافه بخصائص كهرضغطية[ر] وكهرحرارية pyroelectric مما يعني توليد جهد كهربائي عند تعرضه للضغط وفق محاور محددة للبلورة.
التطبيقات: تستخدم مختلف أشكال العقيق الأبيض chalcedony والكوارتز المَشوب أحجاراً كريمة ومواد للزخرفة. ويستخدم البلور الصخري النقي في الصناعات الإلكترونية والبصرية، ويستخدم الكوارتز رملاً في صناعة الزجاج والسيليكا silica والإسمنت والملاط mortar، كما يستخدم الكوارتز مادة جلخ في قَطْع الأحجار وتنظيف سطوح المعادن بالسَّفْع الرملي sandblasting وفي شحذ الزجاج. ويستخدم الكوارتز المطحون في صناعة الخزف والتنظيف وورق الصنفرة (ورق الزجاج) والحشوات المالئة للخشب.
وقد أوجدت خصائص الكوارتز البصرية تطبيقاتٍ واسعةً له في مجال الأجهزة البصرية، فمنه تصنع المواشير للمطياف ولموحِّد اللون، كما تصنع منه الصفائح البصرية المخصصة لتدوير مستوي الاستقطاب والعدسات في بصريات الضوء فوق البنفسجي وغيرها. وتستخدم العناصر المصنوعة من الكوارتز في التقانة الراديوية والإلكترونيات بصورة واسعة. ومن هذه العناصر يمكن ذكر أجهزة تحقيق استقرار التردد الكهرضغطية (بما في ذلك الساعات الكوارتزية) والمرشِّحات والمجاوِبات والحساسات الكهرضغطية والصفائح الكهرضغطية في أجهزة الأمواج فوق الصوتية وغيرها. ويستخدم الكوارتز المصهور في صناعة البواتق والأوعية وغير ذلك من المعدات المهمة المستخدمة في الكيمياء التقنية وتكنولوجيا التبلور وغيرها.
سليمان سليمان
الكوارتز
الكوارتز quartz هو ثنائي أكسيد السيليسيوم المتبلور، وهو واحد من الخامات الرئيسة للقشرة الأرضية وثاني هذه الخامات من حيث الشيوع. فالكوارتز ينتشر في جميع أنحاء العالم ويدخل في تركيب الصخور المختلفة، ويوجد نقياً. ويعدّ الكوارتز من المكوِّنات الرئيسة للصخور البركانية كالغرانيت granite والريوليت rhyolite والبغماتيت pegmatite، وفي الصخور المتحولة metamorphic rocks كالشيست schist والنايس gneiss. كما أن الصخر المتحول الكوارتزيت quartzite يتألف كلياً من الكوارتز تقريباً. ويتشكل الكوارتز على شكل عروق veins وعقيدات nodules في الصخور الرسوبية sedimentary rocks وخصوصاً في الحجر الجيري limestone. والحجر الرملي sandstone صخر رسوبي يتألف أساساً من الكوارتز. وتشكل عروق الكوارتز المتوضِّعة في شقوق الصخور حاضنة matrix للعديد من الخامات الثمينة؛ فالمعادن الثمينة، كالذهب مثلاً، وجدت بكمياتٍ لابأس بها في عروق الكوارتز؛ مما يبرر طريقة تعدين الكوارتز quartz mining لاكتشاف الخامات الثمينة. وتراوح أبعاد بلورات الكوارتز عموماً بين أبعاد الحبيبات الناعمة جداً، التي لا ترى بالعين المجردة، حتى عشرات عدة من السنتمترات. وقد تظهر بين الفينة والأخرى، وبندرةٍ كبيرةٍ بلورات تصل أبعادها إلى متر أو أكبر بقليل.
وتُنتَج بلورات الكوارتز صناعياً أيضاً، وتدعى في هذه الحالة بالكوارتز الصناعي. ويجري صنع بلورات الكوارتز من المحاليل المائية القلوية لـ SiO2 عند الضغوط n40-200MPa ودرجات الحرارة T~360ºC. وتتصف بلورات الكوارتز الصناعية بخصائص كهرضغطية piezoelectric مستقرة، واستقرار إشعاعي، وتجانس بصري عالٍ وغيرها من الخصائص التقنية المهمة.
الشكل (1)
بنية الكوارتز
الأنماط البلورية لأكسيد السيليسيوم: لأكسيد السيليسيوم أنماطٍ بلوريةٍ عدة؛ فالنمط البلوري المعروف بالكوارتز ألفا α-quartz هو النمط الأساسي لأكسيد السيليسيوم المتبلور في الشروط العادية من الضغط ودرجات الحرارة، ويحمل هذا النمط تسمية الكوارتز. وتتشكل بلورة الكوارتز من رباعيات السطوح SiO4 tetrahedron حيث توجد شاردة السيليسيوم الموجبة cation في مركزها، وتحاط هذه الشاردة بأربعة أنيونات anions من الأكسجين O. ويرتبط كل أيون أكسجين O بأيوني سيليسيوم Si، مؤمِّنة بذلك ارتباط رباعيات السطوح (الشكل 1). وشحنة كاتيون السيليسيوم نحو +n2e (حيث e القيمة المطلقة لشحنة الإلكترون)، في حين تساوي شحنة الأكسجين -n1e. والرابطة بين السيليسيوم والأكسجين ذات طبيعة أيونية ـ مشتركة. ويتمتع معاملا الخلية العنصرية لبلورة الكوارتز بالقيمتين الآتيتين: a=4.903Å و c=5.393Å. وتنتمي هذه البلورة إلى زمرة التناظر النقطية 32. وتتحقق زمرة التناظر النقطية 32 بالنسبة لبلورة الكوارتز في البنية الذرية على شكل زمرتين فراغيتين متعاكستين يمينية ويسارية (الشكل 2). ولهذا السبب يلاحظ انتشار هاتين الزمرتين (البلورة اليمينية والبلورة اليسارية) في الطبيعة بشكلٍ متساوٍ تقريباً. وتتوضَّع رباعيات سطوح SiO4 على امتداد المحور الأساسي c في بنيةٍ وفق خطٍ حلزونيٍ، إلا أن دوران الحلزون الموافق يكون يمينياً أو يسارياً.
الشكل (2)
بلورات الكوارتز اليمينية (أ) واليسارية (ب)
وتكون بلورات الكوارتز إما على شكل مواشير متطاولة وإما أهرامات مزدوجة، وجوهها مواشير سداسية مع زوجين من المواشير السداسية المنتظمة. وتختلف بلورات الكوارتز اليمينية واليسارية عن بعضها بأسلوب توضُّع الوجهين: المسطح المعين المنحرف والهرم الثنائي المتعامد. وغالباً ما تكون بلورات الكوارتز مشكَّلة من بلورات توائم twin crystal. والبلورة التي تبدو أحادية ما هي إلا نمو حميم للنوعين معاً. ونمو الكوارتز اليساري مع اليميني جنباً إلى جنبٍ بحيث تكون بنية أحدهما خيالاً مرآتياً لبنية الآخر في المستوي العمودي على المحور من المرتبة الثانية، يقود إلى ما يعرف بالتوائم البرازيلية، الشكل (3 أ)، وتدعى التوائم المشكَّلة من بلورات يمينية أو يسارية، إلا أن كلاً منهما منحرف عن الآخر حول المحور الشاقولي بزاوية i180º بالتوائم الدوفينية Dauphin twin، الشكل (3 ب). وتظهر هذه التوائم نتيجة للانتظام الداخلي للبنية البلورية عند تعرضها لإجهادات ميكانيكيةٍ ناجمةٍ عن تقلصاتٍ حراريةٍ أو عن تطبيق قوى خارجية.
الشكل (3)
التوءم البرازيلي (أ) والتوءم الدوفيني (ب)
ويتحول النمط البلوري الكوارتز ألفا إلى نمط بلوري آخر يعرف بالكوارتز بيتا β-quartz عند درجة الحرارة i573ºC. ويبقى هذا النمط مستقراً حتى درجة الحرارة i870ºC، يتحول عندها إلى طورٍ آخر يعرف بالتريديميت tridymite. وبلورة الكوارتز بيتا السداسية تنتمي إلى زمرة التناظر i62، وتختلف بنيتها عن بنية الكوارتز ألفا بدورانٍ صغيرٍ وتناظر أكبر لتوضُّع رباعيات سطوح، ويبقى النمط البلوري المعروف بالتريديميت مستقراً في المجال الحراري i870-1470ºC، ويتحول التريديميت إلى نمط بلوري آخر يعرف بالكريستوباليت cristobalite عند درجة الحرارة i1470ºC. ويبقى هذا الطور مستقراً مع ارتفاع درجة الحرارة حتى درجة حرارة الانصهار i1710ºC عند الضغط الجوي. وهناك نمطان بلوريان آخران معروفان لأكسيد السيليسيوم البلوري عند الضغوط ودرجـات الحرارة العالية همـا الكويزيت coesite الذي يكون مسـتقراً عند درجة الحرارة T~1000ºC والضغط p~2GPa، والستيشوفيت stishovite النمط الـذي يكون مستقراً عنـد درجة الحرارة T~1000ºC والضغط p~10GPa.
الخصائص الفيزيائية للكوارتز: الكوارتز النقي عديم اللون، إلا أن كميةً مهملةً من الشوائب تعطيه ألواناً مختلفةً، وأكثر الألوان شيوعاً هي: الأبيض الحليبي والرمادي. وبلورات الكوارتز عديمة اللون أو نصف الشفافة الملونة بألوان زاهية تعرف بأسماء خاصة، فيُعرف الكوارتز عديم اللون والشفاف بالبلور الصخري أو الجبلي rock crystal، ويعرف الكوارتز ذو اللون البنفسجي أو الأرجواني بالأمتيست amethyst الذي ينتمي إلى الأشكال القيِّمة للكوارتز، ويعرف الكوارتز الدخاني smoky quartz بالراوختوباز raukhtopaz والأسود بالماربون marpon. ويراوح لون الكوارتز الدخاني أو المرو الأصفر أو البني cairngorm stone بين الأصفر الدخاني والبني الغامق. وتطلق تسمية السيترين sitrine على الكوارتز الأصفر الذهبي. والكوارتز الروتيلي rutilated quartz عبارة عن إبرٍ دقيقةٍ من الروتيل rutile (ثنائي أكسيد التيتانيوم) المحمر للبلورات، داخلةٍ في بلورات الكوارتز عديم اللون. وتقود إضافة كمية قليلة من الكوبالت Co إلى الكوارتز الصناعي إلى إعطائه لوناً أزرق جميلاً.
إن صلابة الكوارتز وفق تدريج الخامات تساوي 7، وكتلته الحجمية ρ=2650kg/m3. وينصهر الكوارتز عند درجة الحرارة i1710ºC، ويتجمد بالتبريد مشكلاً ما يعرف بالزجاج الكوارتزي، حيث تترابط رباعيات سطوح SiO4 عشوائياً. والكوارتز المصهور عـازل كهربائـي جيد؛ فمقاومـة مكعـب طـول حرفه 1سم تـساوي i5x1018Ω ومعامـل تمدده الخطي i0.57x10-6/K. ومن الناحية البصرية فالكوارتز أحادي المحور وموجب (أي إن n0< ne حيث n قرينة الانكسار. ويدل الدليل n0 على الموجة العادية (الكروية في البلورات أحادية المحور) ويدل الدليل e على الموجة غير العادية (الأهليليجية في البلورات أحادية المحور). وبالنسبة لضـوء النهار عند طـول الموجة λ = 589.3nm تكون قيمتـا قرينتي الانكسار كمـا يأتي: n0=1.544; ne=1.553. والكوارتز غير الملوَّن شفاف بالنسبة للأشعة فوق البنفسجية وشفاف جزئياً بالنسبة للأشعة تحت الحمراء. وعند ورود شعاع ضوئي مستقطب في مستوٍ وفق اتجاه المحور البصري تقوم البلورات اليمينية واليسارية في الكوارتز بتدوير مستوي الاستقطاب في اتجاهين متعاكسين. وتتغير قيمة زاوية الدوران (بالنسبة لصفيحة سمكها 1مم) تبعاً لطول الموجة λ وتساوي i21.7º عندما تكون λ = 589 nm. ويقود انعدام مركز التناظر ومستوياته في بلورات الكوارتز إلى اتصافه بخصائص كهرضغطية[ر] وكهرحرارية pyroelectric مما يعني توليد جهد كهربائي عند تعرضه للضغط وفق محاور محددة للبلورة.
التطبيقات: تستخدم مختلف أشكال العقيق الأبيض chalcedony والكوارتز المَشوب أحجاراً كريمة ومواد للزخرفة. ويستخدم البلور الصخري النقي في الصناعات الإلكترونية والبصرية، ويستخدم الكوارتز رملاً في صناعة الزجاج والسيليكا silica والإسمنت والملاط mortar، كما يستخدم الكوارتز مادة جلخ في قَطْع الأحجار وتنظيف سطوح المعادن بالسَّفْع الرملي sandblasting وفي شحذ الزجاج. ويستخدم الكوارتز المطحون في صناعة الخزف والتنظيف وورق الصنفرة (ورق الزجاج) والحشوات المالئة للخشب.
وقد أوجدت خصائص الكوارتز البصرية تطبيقاتٍ واسعةً له في مجال الأجهزة البصرية، فمنه تصنع المواشير للمطياف ولموحِّد اللون، كما تصنع منه الصفائح البصرية المخصصة لتدوير مستوي الاستقطاب والعدسات في بصريات الضوء فوق البنفسجي وغيرها. وتستخدم العناصر المصنوعة من الكوارتز في التقانة الراديوية والإلكترونيات بصورة واسعة. ومن هذه العناصر يمكن ذكر أجهزة تحقيق استقرار التردد الكهرضغطية (بما في ذلك الساعات الكوارتزية) والمرشِّحات والمجاوِبات والحساسات الكهرضغطية والصفائح الكهرضغطية في أجهزة الأمواج فوق الصوتية وغيرها. ويستخدم الكوارتز المصهور في صناعة البواتق والأوعية وغير ذلك من المعدات المهمة المستخدمة في الكيمياء التقنية وتكنولوجيا التبلور وغيرها.
سليمان سليمان