石英

石英
ブラジル産水晶クラスター
一般的な
カテゴリテクトケイ酸塩鉱物
グループ石英グループ
式SiO2​
IMAシンボルQz [ 1 ]
ストランツ分類4.DA.05（酸化物）
ダナ分類75.01.03.01 (テクトケイ酸塩)
結晶系αクォーツ：三方晶系 βクォーツ：六方晶系
クリスタルクラスα石英：台形面体（クラス3 2）β石英：台形面体（クラス6 2 2）[ 2 ]
空間群α-石英: P3 2 21 (No. 154) [ 3 ] β-石英: P6 2 22 (No. 180) またはP6 4 22 (No. 181) [ 4 ]
単位セルa = 4.9133 Å、c = 5.4053 Å; Z = 3
識別
式量60.083  g·mol −1
色無色、ピンク、オレンジ、白、緑、黄色、青、紫、濃い茶色、または黒
クリスタル習慣6面柱状で先端が6面ピラミッド状（典型的）、晶洞様、細粒から微結晶、塊状
姉妹都市共通ドーフィン法、ブラジル法、日本法
胸の谷間なし[ 5 ]
骨折貝殻状
粘り強さ脆い
モース硬度7 – 不純な種類が少ない（定義ミネラル）
光沢硝子体 - 塊状になると蝋状から鈍い色になる
連勝白
透けて見える透明からほぼ不透明
比重2.65; 不純な品種では2.59～2.63の変動
光学特性一軸（+）
屈折率n ω = 1.543–1.545 n ε = 1.552–1.554
複屈折+0.009（血糖値間隔）
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) [ 2 ]
溶解度標準温度で不溶性。400 °C、500 lb/in 2で1 ppm、500 °C、1500 lb/in 2で2600 ppm [ 2 ]
その他の特徴格子:六方晶系、圧電性、摩擦発光性、キラル（したがってラセミ体でない場合は光学活性）
参考文献[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]
主な品種
ロッククリスタルクリア
ミルキークォーツ白
アメジストバイオレット
シトリン黄色
スモーキークォーツ灰色から黒、茶色
ローズクォーツピンク

石英はシリカ（二酸化ケイ素）からなる硬質鉱物です。石英の原子はSiO 4（ケイ素-酸素四面体）の連続した骨格構造で結合しており、各酸素原子は2つの四面体で共有されているため、全体の化学式はSiO 2となります。したがって、石英は構造的には骨格珪酸塩鉱物、組成的には酸化物鉱物に分類されます。石英は地球の岩石圏で2番目に多く存在する鉱物または鉱物群であり、質量比で約12%を占めています。

石英には、通常のα石英と高温β石英の2つの形態があり、どちらもキラルな性質を持っています。α石英からβ石英への相転移は、573℃（846 K; 1,063 °F）で急激に起こります。この相転移は大きな体積変化を伴うため、この温度閾値を超えるセラミックスや岩石では、容易に微小破壊を引き起こす可能性があります。

クォーツには様々な種類があり、そのうちいくつかは宝石に分類されます。古代から、クォーツは特にヨーロッパとアジアにおいて、 宝飾品や硬石彫刻の製作に最も多く用いられてきた鉱物です。

石英は、物質の摩耗に対する硬さを測定するための 定性的な引っかき方法であるモース硬度スケールで 7 の値を定義する鉱物です。

語源

クォーツという語はドイツ語のQuarzに由来する[ 10 ]。この語は14世紀前半の中高ドイツ語と東中央ドイツ語で同じ形をしており[ 11 ] 、ポーランド語の方言kwardyに由来する。kwardyはチェコ語のtvrdý（硬い）に相当する。 [ 12 ]しかし、一部の資料では、この語の語源はザクセン語のQuerkluftertz（交差鉱脈鉱石）にあるとしている。[ 13 ] [ 14 ]

古代ギリシャ人は石英を「水晶」を意味するκρύσταλλος（krustallos ）と呼んでいました。これは古代ギリシャ語 で「氷のような冷たさ」を意味するκρύος（kruos ）に由来しており、一部の哲学者（テオプラストスなど）は石英を過冷却氷の一種であると信じていたためです。[ 14 ]今日では、ロッククリスタルという用語は透明で粗い結晶の石英の別名として使用されることがあります。[ 15 ] [ 16 ] : 205

初期の研究

ローマの博物学者大プリニウスは、石英は氷であり、長い年月を経て永久に凍結したものだと信じていました。[ 17 ]彼は、石英はアルプスの氷河の近く、しかも温暖な気候で見つかると述べて、この考えを裏付けました。この考えは少なくとも17世紀まで存続しました。[ 18 ]

17世紀、ニコラウス・ステノによる石英の研究は、近代結晶学への道を開きました。彼は、石英結晶の大きさや形状に関わらず、その長柱面が常に60°の正確な角度で交わることを発見し、界面角度不変の法則を確立しました。[ 19 ]

結晶の晶癖と構造

α-石英の結晶構造（赤いボールは酸素、灰色はケイ素）
β石英の結晶構造
α-石英のキラルペア

石英は温度と圧力によって、α-石英（低石英または通常石英とも呼ばれる）とβ-石英（石英ベータまたは高石英とも呼ばれる）という2つの異なる多形に変化する。α-石英は三方晶系で結晶化し、β-石英はより対称性が高く六方晶系で結晶化する。α-石英からβ-石英への転移は、常圧下では573℃（1,063°F、846K）で急激に起こり、高圧下では転移温度は高くなる。β-石英は室温では不安定であるため、どの多形に変化したかに関わらず、室温ではすべてα-石英である。[ 20 ]

石英の両多形は、キラリティーに応じて2つの異なる空間群に存在します。転移温度を超えると、P 3 1 21（空間群152）のα-石英はP 6 4 22（空間群181）のβ-石英に、P 3 2 21（空間群154）のα-石英はP 6 2 22（空間群180）のβ-石英に変化します。 [ 21 ]

これらの空間群は真にキラルである（それぞれ 11 個のエナンチオモルフ対に属する）。 α-石英と β-石英はどちらも、アキラルな構成要素（この場合は SiO 4四面体）から構成されるキラル結晶構造の例である。 α-石英と β-石英の間の転移では、四面体が互いに対して比較的わずかに回転するだけで、それらの結合方法は変化しない。[ 9 ] [ 16 ] : 201 しかし、この転移中に体積が大幅に変化し、[ 22 ]これにより、焼成中の陶磁器に大きな微小破壊が生じる可能性があり、[ 23 ]火災後の装飾用の石材[ 24 ]および高温にさらされた地殻の岩石[ 25 ]で、石英を含む材料が損傷し、物理的および機械的特性が低下する。

石英の理想的な結晶形状は、六角柱状の柱状で、両端が六角錐状の菱面体で終端している。自然界では、石英結晶はしばしば双晶（右手系と左手系の結晶が双晶になっている）、歪んだ形状、あるいは隣接する石英や他の鉱物の結晶と重なり合ってこの形状の一部しか現れない、あるいは明確な結晶面が全くなく塊状に見えるなど、様々な形態をとる。[ 9 ] [ 16 ] : 202–204

よく形成された結晶は典型的には晶洞（空隙を覆っている結晶の層）として形成され、石英ジオードはその中でも特に優れた例である。[ 26 ]結晶は一方の端が周囲の岩石に付着しており、終端ピラミッドは1つしか存在しない。しかし、例えば石膏内部のように、結晶が付着せずに自由に発達する場合には、両端が終端した結晶も存在する。[ 27 ]

  • 一般的な柱状水晶
    一般的な柱状水晶
  • 笏石英
    笏石英
  • セプタードクォーツ（集合体として：「エレスチャルクォーツ」）
    セプタードクォーツ（集合体として：「エレスチャルクォーツ」）
  • 双錐石英
    双錐石英
  • テッシンまたはテーパードクォーツ
    テッシンまたはテーパードクォーツ
  • 双晶石英（日本法）
    双晶石英（日本法）
  • ドーフィンクォーツ（単一優勢面）
    ドーフィンクォーツ（単一優勢面）
  • 「ハーキマーダイヤモンド」
    「ハーキマーダイヤモンド」
  • ドゥルーズクォーツ
    ドゥルーズクォーツ
  • 粒状石英
    粒状石英
  • 巨大な石英
    巨大な石英

品種

透明性を示す透明な水晶

純粋石英は、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、無色透明または半透明です。有色の石英は一般的であり、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。[ 28 ]これらの色の違いは、不純物の存在によって分子軌道が変化し、可視スペクトルにおける電子遷移が起こり、有色の光を発することによって生じます。

石英の種類は、以前は個々の結晶の見え方に基づいて3つのカテゴリに分類されていました。巨結晶石英の種類は、肉眼で見える個々の結晶を持っています（巨視的）。微結晶石英の種類は、顕微鏡でのみ見ることができる小さな結晶の集合体です（微視的）。隠微結晶石英の種類は、光学顕微鏡でも見えないほど小さい結晶の集合体です（超顕微鏡的）。[ 29 ]今日では、微結晶と隠微結晶の種類は一般的にグループ化され、カルセドニーと呼ばれています。[ 29 ] [ 30 ]ただし、科学文献では、カルセドニーは、石英とその単斜晶系多形であるモガナイトの両方の微細な共生からなるシリカの特定の形式です。[ 31 ] [ 30 ]カルセドニーは一般に半透明から不透明ですが、巨結晶石英の種類はより透明になる傾向があります。[ 32 ] [ 29 ]色は隠微結晶変種の二次的な識別要素であり、マクロ結晶変種の主要な識別要素である。[ 32 ]

クォーツの種類
名前色原因説明クリスタルの可視性透明性主な情報源写真参考文献
瑪瑙多くの場合、多色である。通常は無色、淡い青から黒、赤からオレンジ、黄色、白、茶色、ピンク、紫。まれに緑色。色によって異なります縞模様の玉髄隠微結晶、微結晶半透明から不透明広範囲に広がるマラウイ産の瑪瑙の結節[ 33 ] [ 34 ]
アメジスト紫からすみれ色自然放射線と鉄の微量不純物（Fe 3+）大きなクラスターや晶洞でよく見られるマクロ結晶透明ブラジル、メキシコ、ウルグアイ、ロシア、フランス、ナミビア、モロッコシベリア産アメジストクラスター[ 35 ] [ 36 ]
アメトリン紫と黄色鉄不純物一般的にはシトリンとアメジストが同じ結晶の中に混ざり合っていると考えられていますが、黄色のクォーツ成分は真のシトリンではない可能性があります。アメトリンとして販売されているもののほとんどは、部分的に加熱処理されたアメジスト、または人工的に放射線照射されたアメジストです。マクロ結晶透明から半透明ボリビア、ブラジル、インドボリビア産アメトリン原石 カットアメトリン[ 37 ] [ 38 ]
カーネリアンオレンジから赤、赤褐色酸化鉄不純物カルセドニーの一種。天然のカーネリアンは通常淡い色ですが、人工的な熱処理によって濃い色に変化します。隠微結晶、微結晶半透明から不透明ペルー、スリランカニュージャージー産天然カーネリアン、米国 カーネリアンカボション[ 39 ]
カルセドニーほぼすべての色色によって異なります繊維状のシリカで、主に石英から構成され、一部のモガナイト（1～20％）が混在し、多くの亜種が存在する。隠微結晶、微結晶透明から不透明へ広範囲に広がるチェコ共和国産カルセドニー[ 30 ]
シトリン天然：黄色から黄緑色、または黄橙色、多くの場合スモーキーな色合いを帯びる。加熱処理されたアメジスト：黄橙色、オレンジ色、赤、茶色天然：科学的コンセンサスなし（アルミニウムの色中心または微量の鉄不純物）加熱処理されたアメジスト：微量の酸化鉄（ヘマタイトとゲーサイト）天然のシトリンは希少で、シトリンとして販売されているもののほとんどは、加熱処理されたアメジスト、あるいは加熱処理されたスモーキークォーツです。汚れ、コーティング、あるいは内包物によって黄色に変色したクォーツは、一般的にシトリンとはみなされません。マクロ結晶透明ブラジルロシア産の天然シトリン双晶結晶 「シトリン」（熱処理アメジスト）ジオード[ 40 ] [ 41 ] [ 42 ]
コテリテ人銀色のメタリックな光沢非常に薄い層に発達し、非常に細い亀裂が光の散乱効果を生み出し、コッテライトに真珠のような金属光沢を与えます。極めて希少。アイルランド、コーク州ロックフォレストの石炭紀石灰岩に含まれる方解石、石英、鉄泥の単一の鉱脈から産出。マクロ結晶不透明アイルランドコテライト - 世界で最も希少な水晶アイルランドのコテライト[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]
デュモルチェライトクォーツ青、紫、灰色の色合い鉱物包有物青いデュモルチェライトの絹のような内包物を含むマクロ結晶半透明ブラジル産デュモルチェライトクォーツ[ 46 ] [ 47 ] [ 48 ]
碧玉典型的には赤から茶色だが、他の色の場合もあるカルセドニーの不純な変種微結晶不透明日本の赤いジャスパー
ミルキークォーツ白結晶形成中に閉じ込められたガス、液体、またはその両方の微小な流体包有物宝石としてはあまり望ましくないマクロ結晶半透明から不透明アメリカ、コロラド州産のミルキークォーツ[ 49 ] [ 50 ]
オニキス白黒、単色炭素不純物瑪瑙の品種隠微結晶、微結晶半透明から不透明ドイツ産オニキス
プラセネギの葉角閃石鉱物アクチノ閃石の包有物元々はドイツで定義された用語です。 「プラセ」という名称は、歴史的には同様の色のクォーツァイトやジャスパーにも使用されており、今日ではネギ色のクォーツ全般を指すこともあります。マクロ結晶イタリア、トスカーナのPrase[ 51 ] [ 52 ]
プラシオライト（バーマリン、グリーンアメジスト）緑微量Fe 2+化合物希少。プラシオライトとして販売されているもののほとんどは、アメジストを加熱して生成されています。マクロ結晶透明ブラジル、カナダのサンダーベイ、ポーランドブラジル産プラシオライト[ 53 ] [ 54 ]
ロッククリスタル（透明水晶）無色不純物の不在マクロ結晶透明から半透明透明な水晶
ローズクォーツ淡いピンクからローズデュモルチェ ライトに関連する繊維状鉱物の微細包有物自形ローズクォーツ：アルミニウムとリンの色中心ローズクォーツは常に塊状で、下面晶系です。しかし、自面晶系ローズクォーツまたはピンククォーツと呼ばれる独特の変種は、整った六方晶系として産出されます。マクロ結晶半透明の自形ローズクォーツ：透明ローズクォーツ ブラジル、ミナスジェライス産 の自形ローズクォーツ（ピンククォーツ）クラスター[ 55 ] [ 56 ] [ 57 ]
ルチルクォーツ透明で、金黄色または黒色の含有物がある鉱物包有物針状のルチル包有物を含むマクロ結晶透明から半透明ブラジル産ルチルクォーツクラスター
スモーキークォーツ明るい灰色から暗い灰色、茶色、黒自然放射線によって活性化されたアルミニウム不純物を中心に色がつきますマクロ結晶半透明から不透明ブラジル産スモーキークォーツ[ 58 ]
タイガーアイ金色、赤茶色、青シャトヤンシー効果を発揮マクロ結晶不透明原石のタイガーアイ 研磨されたレッドタイガーアイ

圧電性

水晶は圧電特性を持ち、機械的応力を受けると電位を発生します。[ 59 ]水晶の圧電特性は1880年にジャック・キュリーとピエール・キュリーによって発見されました。 [ 60 ] [ 61 ]

発生

ノースカロライナ州の砂岩中の石英脈

石英は地球のリソスフェアで2番目に豊富な鉱物または鉱物群です。質量比で見ると、長石群がリソスフェアの41%を占め、次いで石英が12%、輝石群が11%を占めています。[ 62 ]石英は花崗岩やその他の珪長質火成岩 の代表的な成分です。砂岩や頁岩などの堆積岩に非常に多く含まれています。また、片岩、片麻岩、珪岩、その他の変成岩にも広く含まれています。[ 9 ]石英はゴルディッチ溶解系列の中で風化の可能性が最も低く、そのため河川堆積物や残留土壌に残留鉱物として非常に多く含まれています。一般的に、石英の含有量が多い岩石は「成熟した」岩石であることを示しています。これは、岩石が激しく再加工され、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からです。[ 63 ]

石英の大部分は溶融マグマから結晶化しますが、石英は高温の熱水脈から脈石として化学的に沈殿することもあり、金、銀、銅などの鉱石鉱物を含むこともあります。大きな石英結晶はマグマペグマタイト中に見られます。[ 9 ]よく形成された結晶は長さ数メートル、重さ数百キログラムに達することもあります。[ 64 ]

記録に残る最大の石英単結晶は、ブラジルのゴイアス州イタポレ近郊で発見されました。大きさは約6.1m×1.5m×1.5m（20フィート×5フィート×5フィート）、重さは39,900kg（88,000ポンド）以上でした。[ 65 ]

鉱業

石英は露天掘りで採掘されます。鉱夫は、石英の深い層を露出させるために爆薬を使用することもあります。より一般的には、ブルドーザーやバックホーで土や粘土を取り除き、石英脈を露出させます。その後、手工具で採掘を行いま​​す。結晶を損傷する可能性のある急激な温度変化を避けるよう注意が必要です。[ 66 ] [ 67 ]

2種類の石英とその他のシリカの安定範囲を示す圧力-温度図[ 68 ]

トリジマイトとクリストバライトは、高シリカ火山岩中に産するSiO 2 の高温多形です。コーサイトは、隕石衝突地点や地殻の圧力よりも高い圧力で形成された変成岩に見られる、より密度の高いSiO 2の多形です。スティショバイトは、さらに密度が高く、圧力の高いSiO 2の多形であり、隕石衝突地点に産出されます。[ 16 ] : 201–202 モガナイトは単斜晶系の多形です。レシャテリエライトは、石英砂への落雷によって形成される非晶質シリカガラスSiO 2です。[ 69 ]

安全性

石英はシリカの一種であるため、様々な職場で懸念材料となる可能性があります。天然石や人工石製品の切断、研削、削り、研磨、穴あけ、研磨作業は、作業員が呼吸する空気中に、極めて微細な結晶シリカの粉塵粒子を危険なレベルで放出する可能性があります。[ 70 ]呼吸可能な大きさの結晶シリカは、ヒトに対する発がん性物質として認められており、珪肺症や肺線維症などの他の肺疾患を引き起こす可能性があります。[ 71 ] [ 72 ]

合成および人工的な治療法

細長い水晶
水熱法で育成された合成水晶。長さ約19センチメートル（7.5インチ）、重さ約127グラム（4.5オンス）

すべての種類の水晶が自然発生するわけではありません。透明な水晶の中には、熱処理やガンマ線照射などの処理によって、自然発生しない色を付与できるものもあります。こうした処理に対する感受性は、水晶が採掘された場所によって異なります。[ 73 ]

オリーブ色の物質であるプラシオライトは、熱処理によって生成されます。[ 74 ]天然のプラシオライトは、ポーランドの下シレジア地方でも確認されています。[ 75 ]シトリンは天然に産出されますが、そのほとんどはアメジストやスモーキークォーツを熱処理した結果です。[ 74 ]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。[ 76 ]

天然石英は双晶構造を呈することが多いため、工業用途では合成石英が生産されます。大型で欠陥のない単結晶は、オートクレーブ内で水熱合成法によって合成されます。[ 77 ] [ 9 ] [ 78 ]

他の結晶と同様に、石英も金属蒸気でコーティングされ、魅力的な光沢を放つことがあります。[ 79 ] [ 80 ]

用途

石英は、オーストラリアのアボリジニ神話において神秘的な物質マバンとして最もよく知られている物質です。ヨーロッパの通路型墓地、例えばアイルランドのニューグレンジやキャロウモアでは、埋葬地として石英が頻繁に発見されています。石英は先史時代のアイルランドだけでなく、他の多くの国々でも石器の材料として利用されていました。先史時代の人々の石器技術の一部として、脈石英と水晶の両方が加工されていました。[ 81 ]

翡翠は東アジアやコロンブス以前のアメリカ大陸では、古代から彫刻に最も重宝される半貴石でしたが、ヨーロッパや中東では、彫刻された宝石やカメオ、水晶の花瓶、豪華な器など、様々な種類の宝飾品や硬石彫刻に、様々な種類の石英が最も一般的に使用されていました。この伝統は19世紀半ばまで、高価値な作品を生み出し続けましたが、その後、宝飾品以外では流行らなくなりました。カメオ技法は、オニキスなどの色の帯を利用しています。

石英の合成への取り組みは19世紀半ばに始まり、科学者たちは自然界で鉱物が形成される条件を模倣した実験室条件下で鉱物を作ろうと試みました。ドイツの地質学者カール・エミール・フォン・シャフホイトル（1803-1890）は、1845年に圧力鍋で微小な石英結晶を作り出し、初めて石英を合成しました。[ 82 ]しかし、これらの初期の試みで生成された結晶の品質と大きさは劣っていました。[ 83 ]

元素不純物の混入は、石英の加工・利用能力に大きな影響を与えます。半導体産業において、シリコンウエハーにスライスされる完璧な大型シリコンブールを育成するために使用されるるつぼやその他の装置に必要な、極めて高純度の天然石英結晶は高価で希少です。このような高純度石英は、不純物元素の含有量が50ppm未満と定義されています。[ 84 ]高純度石英の主要な採掘地は、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鉱山地区です。 [ 85 ]石英は、スペインのアストゥリアス州カルドヴェイロピークでも採掘されています。[ 86 ]

1930年代までに、エレクトロニクス産業は水晶に依存するようになった。適切な結晶の唯一の供給源はブラジルであったが、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、各国は商業規模で水晶を合成しようと試みた。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た。[ 87 ]戦後、多くの研究所が大型の水晶結晶の成長を試みた。米国では、米国陸軍通信部隊がナッケンに倣い、ベル研究所およびオハイオ州クリーブランドのブラッシュ・デベロップメント・カンパニーと契約して結晶を合成した。 [ 88 ] [ 89 ]（第二次世界大戦前、ブラッシュ・デベロップメントはレコードプレーヤー用の圧電結晶を生産していた。）1948年までに、ブラッシュ・デベロップメントは、当時最大となる直径1.5インチ（3.8cm）の結晶を成長させた。[ 90 ] [ 91 ] 1950年代までに、水熱合成技術によって合成水晶が工業規模で生産されるようになり、今日では現代のエレクトロニクス産業で使用されている水晶のほとんどすべてが合成されています。[ 78 ]

水晶の圧電性は、初期には蓄音機のピックアップに利用されていました。今日、水晶の最も一般的な圧電用途の 1 つは、水晶発振器です。水晶発振器または共振器とも呼ばれるこの水晶は、1921 年に Walter Guyton Cady によって初めて開発されました。[ 92 ] [ 93 ] George Washington Pierceは、 1923 年に水晶発振器を設計し特許を取得しました。[ 94 ] [ 95 ] [ 96 ]水晶時計は、この鉱物を使用したよく知られた装置で、単に水晶発振器を時間の基準として使用する時計です。Warren Marrison は、Cady と Pierce の研究に基づいて、1927 年に最初の水晶発振器時計を作成しました。[ 97 ]水晶発振器の共振周波数は、機械的な負荷をかけることによって変化します。この原理は、水晶微量天秤や薄膜の厚さモニターにおける非常に小さな質量変化の非常に正確な測定に使用されています。[ 98 ]

水晶（主に電子機器に使用）の産業需要のほぼ全ては、熱水法で生産される合成水晶で賄われています。しかし、合成水晶は宝石としてはあまり高く評価されていません。[ 100 ]水晶ヒーリングの人気により、天然水晶の需要が増加しており、現在では発展途上国で原始的な採掘方法を用いて採掘されることが多く、児童労働を伴う場合もあります。[ 101 ]

参照

参考文献

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