Cuarzo

El cuarzo es un mineral duro compuesto de sílice ( dióxido de silicio ). Sus átomos están unidos en una estructura continua de tetraedros de silicio-oxígeno ( _SiO₄) , donde cada átomo de oxígeno se comparte entre dos tetraedros, lo que da como resultado la fórmula química global _SiO₂ . Por lo tanto, el cuarzo se clasifica estructuralmente como un mineral de silicato reticular y composicionalmente como un mineral de óxido . El cuarzo es el segundo mineral o grupo de minerales más común en la litosfera terrestre , constituyendo aproximadamente el 12 % de su masa.

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 abruptamente a 573 °C (846 K; 1063 °F) . Dado que esta transformación conlleva un cambio significativo de volumen, puede provocar fácilmente microfracturas en cerámicas o rocas que superen este umbral de temperatura.   

Existen muchas variedades diferentes 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 elaboración de joyas y tallas de piedra dura , especialmente en Europa y Asia .

El cuarzo es el mineral que define el valor de 7 en la escala de dureza de Mohs , un método cualitativo de rayado para determinar la dureza de un material.

La palabra cuarzo deriva de la palabra alemana Quarz , ^{[ 10 ]} que tenía la misma forma en la primera mitad del siglo XIV en el alto alemán medio y en el alemán centro-oriental ^{[ 11 ]} y que provenía del término dialectal polaco kwardy , que corresponde al término checo tvrdý ('duro'). ^{[ 12 ]} Sin embargo, algunas fuentes atribuyen el origen de la palabra a la palabra sajona Querkluftertz , que significa 'mineral de veta transversal'. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

Los antiguos griegos se referían al cuarzo como κρύσταλλος ( krustallos ), que significa « cristal », derivado del griego antiguo κρύος ( kruos ), que significa «frío como el hielo», porque algunos filósofos (entre ellos Teofrasto ) creían que el mineral era una forma de hielo superenfriado . ^{[ 14 ]} Hoy en día, el término cristal de roca se usa a veces como nombre alternativo para el cuarzo transparente y de grano grueso. ^{[ 15 ] [ 16 ] : 205}

El naturalista romano Plinio el Viejo creía que el cuarzo era hielo, congelado permanentemente tras largos periodos de tiempo. ^{[ 17 ]} Apoyó esta idea afirmando que el cuarzo se encuentra cerca de los glaciares en los Alpes , pero no en climas cálidos. Esta idea persistió al menos hasta el siglo XVII. ^{[ 18 ]}

En el siglo XVII, el estudio del cuarzo realizado por Nicolas Steno sentó las bases de la cristalografía moderna . Descubrió que, independientemente del tamaño o la forma de un cristal de cuarzo, sus caras prismáticas largas siempre se encuentran en un ángulo perfecto de 60°, estableciendo así la ley de constancia de los ángulos interfaciales . ^{[ 19 ]}

Estructura cristalina del cuarzo α (las esferas rojas representan el oxígeno, las grises el silicio).

Estructura cristalina del β-cuarzo

Un par quiral de α-cuarzo

El cuarzo puede formarse como dos polimorfos distintos según la temperatura y la presión: cuarzo α (también llamado cuarzo bajo o cuarzo normal ) y cuarzo β (también llamado cuarzo beta o cuarzo alto ). El cuarzo α cristaliza en el sistema cristalino trigonal, mientras que el cuarzo β tiene mayor simetría y cristaliza en el sistema cristalino hexagonal. La transición de cuarzo α a cuarzo β ocurre abruptamente a 573 °C (1063 °F; 846 K) a presión ambiente; la temperatura de transición es mayor a presiones más altas. El cuarzo β es inestable a temperatura ambiente; por lo tanto, todo el cuarzo a temperatura ambiente es cuarzo α, independientemente del polimorfo en el que se haya formado. ^{[ 20 ]}   

Ambos polimorfos del cuarzo pueden presentarse en dos grupos espaciales diferentes dependiendo de la quiralidad. Por encima de la temperatura de transición, el α-cuarzo en P 3 ₁ 21 (grupo espacial 152) se convierte en β-cuarzo en P 6 ₄ 22 (grupo espacial 181), y el α-cuarzo en P 3 ₂ 21 (grupo espacial 154) se convierte en β-cuarzo en P 6 ₂ 22 (grupo espacial 180). ^{[ 21 ]}

Estos grupos espaciales son verdaderamente quirales (cada uno pertenece a los 11 pares enantiomorfos). Tanto el α-cuarzo como el β-cuarzo son ejemplos de estructuras cristalinas quirales compuestas de bloques de construcción aquirales (tetraedros de SiO ₄ en el presente caso). La transformación entre α- y β-cuarzo solo implica una rotación relativamente menor de los tetraedros entre sí, sin un cambio en la forma en que están enlazados. ^{[ 9 ] [ 16 ] : 201} Sin embargo, hay un cambio significativo en el volumen durante esta transición, ^{[ 22 ]} y esto puede resultar en una microfractura significativa en cerámicas durante la cocción, ^{[ 23 ]} en piedra ornamental después de un fuego ^{[ 24 ]} y en rocas de la corteza terrestre expuestas a altas temperaturas, ^{[ 25 ]} dañando así los materiales que contienen cuarzo y degradando sus propiedades físicas y mecánicas.

La forma cristalina ideal para el cuarzo es un prisma de seis caras que termina en romboedros piramidales de seis caras en cada extremo. En la naturaleza, los cristales de cuarzo suelen estar maclados (con cristales gemelos de cuarzo dextrógiros y levógiros), distorsionados o tan intercrecidos con cristales adyacentes de cuarzo u otros minerales que solo muestran parte de esta forma, o carecen por completo de caras cristalinas evidentes y parecen masivos . ^{[ 9 ] [ 16 ] : 202–204}

Los cristales bien formados suelen presentarse como drusas (capas de cristales que recubren un hueco), de las cuales las geodas de cuarzo son ejemplos particularmente notables. ^{[ 26 ]} Los cristales están unidos por un extremo a la roca que los contiene, y solo presentan una pirámide de terminación. Sin embargo, también se dan cristales biterminados cuando se desarrollan libremente sin estar unidos, por ejemplo, dentro del yeso . ^{[ 27 ]}

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  cuarzo prismático común
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  cuarzo cetro
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  Cuarzo cetro (como agregados: "cuarzo elestial")
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  Cuarzo bipiramidal
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  Tesina o cuarzo cónico
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  Cuarzo maclado (conocido como ley de Japón)
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  Cuarzo Dauphine (una sola cara dominante)
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  " Diamante de Herkimer "
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  cuarzo drusa
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  cuarzo granular
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  Cuarzo masivo

El cuarzo puro, tradicionalmente llamado cristal de roca o cuarzo transparente, es incoloro y transparente o translúcido. Las variedades de cuarzo de color son comunes e incluyen citrino , cuarzo rosa , amatista , cuarzo ahumado , cuarzo lechoso y otros. ^{[ 28 ]} Estas diferencias de color surgen de la presencia de impurezas que modifican los orbitales moleculares, provocando transiciones electrónicas en el espectro visible y la emisión de luz de color.

Las variedades de cuarzo se clasificaban anteriormente en tres categorías según la visibilidad de sus cristales individuales. Las variedades de cuarzo macrocristalino tienen cristales individuales que son visibles a simple vista ( macroscópico ). Las variedades de cuarzo microcristalino son agregados de cristales diminutos que solo se pueden ver a través de un microscopio ( microscópico ). Las variedades de cuarzo criptocristalino son agregados de cristales demasiado pequeños para ser vistos incluso con un microscopio óptico (submicroscópico). ^{[ 29 ]} Hoy en día, las variedades microcristalinas y criptocristalinas se agrupan comúnmente y se denominan calcedonia . ^{[ 29 ] [ 30 ]} Sin embargo, en la literatura científica, la calcedonia es una forma específica de sílice que consiste en finos intercrecimientos tanto de cuarzo como de su polimorfo monoclínico , la moganita . ^{[ 31 ] [ 30 ]} La calcedonia suele ser translúcida a opaca, mientras que las variedades macrocristalinas de cuarzo tienden a ser más transparentes. ^{[ 32 ] [ 29 ]} El color es un identificador secundario para las variedades criptocristalinas y un identificador primario para las variedades macrocristalinas. ^{[ 32 ]}

Los cristales de cuarzo tienen propiedades piezoeléctricas ; desarrollan un potencial eléctrico al aplicarles una tensión mecánica . ^{[ 59 ]} Las propiedades piezoeléctricas del cuarzo fueron descubiertas por Jacques y Pierre Curie en 1880. ^{[ 60 ] [ 61 ]}

El cuarzo es el segundo mineral o grupo de minerales más abundante en la litosfera terrestre ; en masa , el grupo de los feldespatos comprende el 41% de la litosfera, seguido por el cuarzo con un 12% y el grupo de los piroxenos con un 11%. ^{[ 62 ]} El cuarzo es un constituyente definitorio del granito y otras rocas ígneas félsicas . Es muy común en rocas sedimentarias como la arenisca y la lutita . Es un constituyente común del esquisto , el gneis , la cuarcita y otras rocas metamórficas . ^{[ 9 ]} El cuarzo tiene el menor potencial de meteorización en la serie de disolución de Goldich y, en consecuencia, es muy común como mineral residual en sedimentos de arroyos y suelos residuales . Generalmente, una alta presencia de cuarzo sugiere una roca " madura ", ya que indica que la roca ha sido reelaborada intensamente y que el cuarzo fue el mineral primario que soportó una fuerte meteorización. ^{[ 63 ]}

Si bien la mayor parte del cuarzo cristaliza a partir de magma fundido , también precipita químicamente de vetas hidrotermales calientes como ganga , a veces con minerales de mena como oro, plata y cobre. Se encuentran grandes cristales de cuarzo en pegmatitas magmáticas . ^{[ 9 ]} Los cristales bien formados pueden alcanzar varios metros de longitud y pesar cientos de kilogramos. ^{[ 64 ]}

El cristal único 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) . ^{[ 65 ]}            

El cuarzo se extrae de minas a cielo abierto . En ocasiones, los mineros utilizan explosivos para exponer vetas profundas de cuarzo. Con mayor frecuencia, se emplean excavadoras y retroexcavadoras para remover la tierra y la arcilla y dejar al descubierto las vetas de cuarzo, que luego se trabajan con herramientas manuales. Es fundamental evitar cambios bruscos de temperatura que puedan dañar los cristales. ^{[ 66 ] [ 67 ]}

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 estishovita es un polimorfo de _SiO₂ aún más denso y de mayor presión que se encuentra en algunos sitios de impacto de meteoritos. ^{[ 16 ] : 201–202} La moganita es un polimorfo monoclínico. La lechatelierita es un vidrio _de sílice amorfo SiO₂ que se forma por impactos de rayos en arena de cuarzo . ^{[ 69 ]}

Dado que el cuarzo es una forma de sílice, puede ser motivo de preocupación en diversos entornos laborales. El corte, el pulido, el cincelado, el lijado, la perforación y el abrillantado de productos de piedra natural y manufacturada pueden liberar niveles peligrosos de partículas de sílice cristalina muy pequeñas en el aire que respiran los trabajadores. ^{[ 70 ]} La sílice cristalina de tamaño respirable es un carcinógeno humano reconocido y puede provocar otras enfermedades pulmonares como la silicosis y la fibrosis pulmonar . ^{[ 71 ] [ 72 ]}

No todas las variedades de cuarzo se encuentran en la naturaleza. Algunos cristales de cuarzo transparente pueden ser tratados con calor o irradiación gamma para inducir color donde de otro modo no se habría producido de forma natural. La susceptibilidad a tales tratamientos depende del lugar de donde se extrajo el cuarzo. ^{[ 73 ]} La prasiolita, un material de color oliva, se produce mediante tratamiento térmico; ^{[ 74 ]} también se ha observado prasiolita natural en Baja Silesia en Polonia. ^{[ 75 ]} Aunque el citrino se encuentra en la naturaleza, la mayoría es el resultado del tratamiento térmico de la amatista o el cuarzo ahumado. ^{[ 74 ]} La cornalina ha sido tratada térmicamente para intensificar su color desde tiempos prehistóricos. ^{[ 76 ]} Debido a que el cuarzo natural a menudo está maclado , se produce cuarzo sintético para su uso en la industria. Grandes cristales individuales impecables se sintetizan en un autoclave mediante el proceso hidrotermal . ^{[ 77 ] [ 9 ] [ 78 ] [ 79 ]} Al igual que otros cristales, el cuarzo puede recubrirse con vapores metálicos para darle un brillo atractivo. ^{[ 80 ] [ 81 ]}

El cuarzo es el material más común identificado como la sustancia mística maban en la mitología aborigen australiana . Se encuentra regularmente en cementerios de tumbas de corredor en Europa en un contexto funerario, como Newgrange o Carrowmore en Irlanda . El cuarzo también se usaba en la Irlanda prehistórica , así como en muchos otros países, para herramientas de piedra ; tanto el cuarzo filoniano como el cristal de roca se tallaban como parte de la tecnología lítica de los pueblos prehistóricos. ^{[ 82 ]}

Si bien el jade ha sido la piedra semipreciosa más valorada para tallar en Asia Oriental y la América precolombina desde tiempos remotos, en Europa y Oriente Medio se utilizaban con mayor frecuencia diferentes variedades de cuarzo para la elaboración de diversos tipos de joyería y tallas en piedra dura , incluyendo gemas grabadas y camafeos , jarrones de cristal de roca y recipientes extravagantes. Esta tradición continuó produciendo objetos de gran valor hasta mediados del siglo XIX, cuando cayó en desuso, excepto en la joyería. La técnica del camafeo aprovecha las bandas de color del ónix y otras variedades.

Los intentos de 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 forman en la naturaleza. El geólogo alemán Karl Emil von Schafhäutl (1803-1890) fue el primero en sintetizar cuarzo cuando, en 1845, creó cristales microscópicos de cuarzo en una olla a presión . ^{[ 83 ]} Sin embargo, la calidad y el tamaño de los cristales producidos en estos primeros intentos fueron deficientes. ^{[ 84 ]}

La incorporación de impurezas elementales influye notablemente en la capacidad de procesar y utilizar el cuarzo. Los cristales de cuarzo naturales de altísima pureza, necesarios para los crisoles y demás equipos empleados en el crecimiento de grandes lingotes de silicio perfectos que se cortan en obleas de silicio en la industria de los semiconductores , son caros y escasos. Este cuarzo de alta pureza se define como aquel que contiene menos de 50 ppm de elementos de impureza. ^{[ 85 ]} Un importante yacimiento de cuarzo de alta pureza es el distrito minero de Spruce Pine en Spruce Pine, Carolina del Norte , Estados Unidos. ^{[ 86 ]} También se puede encontrar cuarzo en el pico Caldoveiro en Asturias , España. ^{[ 87 ]}

Para 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 desde 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. ^{[ 88 ]} 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. ^{[ 89 ] [ 90 ]} (Antes de la Segunda Guerra Mundial, Brush Development producía cristales piezoeléctricos para tocadiscos). Para 1948, Brush Development había cultivado cristales de 1,5 pulgadas (3,8  cm) de diámetro, los más grandes hasta ese momento. ^{[ 91 ] [ 92 ]} En la década de 1950, las técnicas de síntesis hidrotermal producían cristales de cuarzo sintéticos a escala industrial, y hoy en día prácticamente todo el cristal de cuarzo utilizado en la industria electrónica moderna es sintético. ^{[ 79 ]}

Un uso temprano de la piezoelectricidad de los cristales de cuarzo fue en las cápsulas fonográficas . Uno de los usos piezoeléctricos más comunes del cuarzo hoy en día es como oscilador de cristal . También llamado oscilador de cuarzo o resonador, fue desarrollado por primera vez por Walter Guyton Cady en 1921. ^{[ 93 ] [ 94 ]} George Washington Pierce diseñó y patentó osciladores de cristal de cuarzo en 1923. ^{[ 95 ] [ 96 ] [ 97 ]} El reloj de cuarzo es un dispositivo familiar que utiliza el mineral; es simplemente un reloj que utiliza un oscilador de cuarzo como su referencia de tiempo. Warren Marrison creó el primer reloj oscilador de cuarzo basado en el trabajo de Cady y Pierce en 1927. ^{[ 98 ]} La frecuencia de resonancia de un oscilador de cristal de cuarzo se cambia al cargarlo 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 . ^{[ 99 ]}

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  Jarra de cristal de roca con decoración de guirnaldas talladas, realizada en un taller milanés de la segunda mitad del siglo XVI, Museo Nacional de Varsovia . Milán, junto con Praga y Florencia , fue el principal centro renacentista de tallado de cristal. ^{[ 100 ]}
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  Cristales de cuarzo sintético producidos en el autoclave que se muestra en la planta piloto de cuarzo hidrotermal de Western Electric en 1959.
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  Jarra fatimí de cristal de roca tallado (cuarzo transparente) con tapa de oro, c. 1000.

Casi toda la demanda industrial de cristal de cuarzo (utilizado principalmente en electrónica) se satisface con cuarzo sintético producido mediante el proceso hidrotermal. Sin embargo, los cristales sintéticos son menos apreciados como gemas. ^{[ 101 ]} La popularidad de la sanación con cristales ha incrementado la demanda de cristales de cuarzo natural, que ahora a menudo se extraen en países en desarrollo utilizando métodos mineros primitivos, a veces con mano de obra infantil . ^{[ 102 ]}

• Cuarzo fundido
• Lista de minerales
• fibra de cuarzo
• Extracción de vetas de cuarzo
• Cuarzolita
• Cuarzo impactado

• 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 Americana, Instituto Smithsoniano . Archivado del original el 7 de enero de 2009.
• Terminología utilizada para describir las características de los cristales de cuarzo cuando se utilizan como osciladores.
• El cuarzo se utilizaba como materia prima para herramientas de piedra prehistóricas.