Eigenschaften

Quarz ist ein Mineral, das im chemischen Grundaufbau aus Siliciumdioxid aufgebaut ist. Im Quarzkristall sind SiO₄-Tetraeder über die Tetraeder-Ecken wendeltreppenartig miteinander verknüpft. Je nach Drehrichtung entstehen Rechts- oder Linksquarze. Quarz ist mit der Mohshärte 7 sehr hart, das Mineral ritzt sogar Fensterglas. Nur härtere Minerale wie Topas, Korund oder Diamant können einen Quarz ritzen. Quarz ist gegen fast alle Säuren beständig und löst sich nur in Flusssäure.

Das gewöhnliche Mineral Quarz bildet sich während den Kristallisationsprozessen bei Temperaturen unter 573 °C, es ist ein Tieftemperaturquarz. Man nennt es auch Tiefquarz oder α-Quarz. Ein Hochtemperaturquarz wird auch Hochquarz oder β-Quarz genannt, es bildet sich bei Temperaturen über 573 °C und kristallisiert nach einem anderen Kristallsystem. Die Minerale Tridymit und Cristobalit sind Hochquarze, die sich über 867 °C oder über 1470 °C bilden. Sie stellen Modifikationen mit gleichem chemischen Aufbau dar. Die Minerale Coesit und Stishovit sind Hochdruckmodifikationen, die im Erdmantel oder bei Meteoriteneinschlägen unter hohem Druck entstehen. Über 20 Kilobar Druck bildet sich der Coesit, über 75 Kilobar der Stishovit.


Varietäten

Der farblose und klare Bergkristall stellt die reinste Quarzvarietät dar. Die Färbungen der Quarze werden durch Fremdbeimengungen im Gitterbau der Kristalle und einer Aktivierung von Farbzentren durch radioaktive Strahlung oder aber auch durch Einschlüsse von anderen Mineralien erzeugt. Beim braun getönten Rauchquarz ist im Kristallgitter der SiO₄-Tetraeder das Silicium in Spuren durch Aluminium ersetzt. Die bräunliche Färbung wird durch die natürliche Gammastrahlung, die von anderen Gesteinen ausgeht, verursacht. Sie verursacht eine Aktivierung von Farbzentren bei den beteiligten Aluminium-Ionen. Der Effekt kann durch künstliches Bestrahlen verstärkt werden, daher ist beim Kauf von „dunklen“ Rauchquarzen, besonders aus Brasilien und der Schweiz Vorsicht geboten. Ein Morion ist ein fast schwarzer Quarz, der in der Natur an einigen Orten vorkommen kann.

Durch ähnliche Effekte wie beim Rauchquarz entsteht der gelb gefärbte Citrin. Eisenhaltige Verbindungen als nanoskalige Einschlüsse spielen dabei eine Rolle. Auch hier ist beim Kauf Vorsicht geboten, denn die meisten angebotenen Citrine sind durch das Brennen von Amethyst hergestellt worden. Die Färbung beim violetten Amethyst wird auf das Vorhandensein von Fe⁴⁺-Ionen im Kristallgitter zurückgeführt. Diese entstehen durch Ionisierung mit Gammastrahlung aus Fe³⁺-Ionen, die als Fremdbeimengung enthalten sind. Wenn an einem Quarz gelbe und violette Färbungen gleichzeitig vorkommen, nennt man diesen Ametrin. Der Amethyst zeigt wie der Bergkristall eine sehr hohe Wachstumsvielfalt.

Beim Rosaquarz wird die rosa Färbung durch strahlungsaktivierte Farbzentren bei Phosphor- oder Aluminium-Ionen im Kristallgitter verursacht. Beim Rosenquarz liegt die Ursache für die Färbung in mikroskopisch kleinen, faserigen Einschlüssen eines rosafarbenen Borosilicates. Der Rosenquarz bildet nur sehr selten Kristalle aus. Die Steine werden seit dem Altertum als Steine der Liebe und des Herzens verehrt.

Man bezeichnet alle Tiefquarze als Chalcedon, die nicht körnig, sondern senkrecht zur kristallographischen C-Achse entlang bestimmter Prismenflächen faserig wachsen. Als Chrysopras wird ein grün gefärbter Chalcedon bezeichnet. Die grüne Färbung ist durch Einschlüsse von Nickelsilicat verursacht. Der Begriff Chalcedon umfasst alle mikro- und kryptokristallinen Quarzaggregate wie Jaspis und Achat. Der feinkörnig-mikrokristalline Jaspis zeigt die Kristalle erst im Dünnschliff unter dem Mikroskop. Der kryptokristalline Achat offenbart seine Kristallstruktur sogar erst im Rasterelektronenmikroskop. Der Achat bildet sich als Sekundärmineral in Gesteins-Hohlräumen aus. Dabei füllt eine gelartige Substanz aus Kieselsäuregel die Hohlräume und kristallisiert allmählich aus. Die kryptokristallinen Quarznädelchen bilden ein Band, das nach seinem Abschluss die Wachstumsebene für die nächste Schicht vorbereitet. Im Idealfall bildet sich eine kugelig ausgebildete Struktur, die man als Sphärolith bezeichnet. Da sich aber auf einer Wachstumsebene viele Sphärolithe bilden, die sich gegenseitig behindern, entsteht meist eine parallele Bänderung.


Kristallformen und Wachstum

Quarz kristallisiert im trigonalen Kristallsystem. Die Tracht eines Quarzkristalls setzt sich aus einer Kombination mehrerer Grundformen zusammen. Die Flächen der Kristallbasis entsprechen dem hexagonalen Prisma, die größeren schrägen Flächen der Kristallspitze sind verschiedenen Rhomboedern zuzuordnen. Normalerweise ist das positive Rhomboeder etwas größer ausgebildet als das negative Rhomboeder. Zwischen Rhomboedern und Prisma erscheinen manchmal an den Ecken auch das trigonale Trapezoeder oder die trigonale Dipyramide.

Sind die Rhomboederflächen besonders steil, spricht man von einem Tessiner Habitus oder von einem Binntaler Habitus. Solche Kristalle sind meistens horizontal gestreift. Tritt eine Rhomboederfläche besonders dominant auf, liegt der Dauphiné-Habitus vor. Ein langprismatischer Habitus führt zu einem Nadelquarz, die Grundform des Prismas ist hier sehr langgezogen. Durch Baufehler während der Wachstumsphase entstehen viele einzelne Tochterkristalle. Man bezeichnet derartige Quarze auch als Artischockenquarz oder als Sprossenquarz. Wächst auf einer ersten Generation der Kristalle in Richtung längs der Hauptachse eine zweite, junge Generation, erhält man einen Zepterquarz. Das Tochterkristall ist meistens klarer als das Mutterkristall. Die Ursachen liegen in einer plötzlichen Veränderung in der übersättigten Lösung, zum Beispiel durch einen Druckabfall.



Wird die kristallbildende Lösung zu stark übersättigt, führt dies zu einem übermäßigen Wachstum der Kanten und Rahmen an einem Kristall. Solche Quarze werden Skelettquarz genannt. In Zeiten, in der die Übersättigung in der Lösung nicht so stark ist, werden die tieferen Stellen mit Anwachslamellen überdeckt und es entsteht der typische Fensterquarz. Wenn während des Kristallwachstums ein Kluftriss auftritt, bildet sich ein Fadenquarz. Durch das Auseinandertriften der Kluft entsteht im Kristall ein Riss, der immer wieder ausheilt. Der Faden wächst in der Richtung wie die Kluft auseinandertriftet. Kann die Öffnung nicht schnell genug durch die Kristallbildung gefüllt werden, entsteht ein stängeliger Fadenquarz.



Die gewöhnlichen Quarze der Alpen zeigen oft einen Mosaikaufbau im Kristallgitter, der an den Streifungen der größeren Kristallflächen gut erkennbar ist. Es handelt sich dabei um geringfügige Störungen im Kristallwachstum. Diese Quarze der Alpen nennt man Friedländerquarz. Wachsen die Kristalle längs einer Nebenachse senkrecht zur Kluftwand und werden sie während dem Wachstum etwas gedreht oder gestreckt, erhält man ein Gwindel. Offene Gwindel zeigen am Rand deutliche Einzelspitzen. Geschlossene Gwindel sind am Rand vollständig verschmolzen und haben eine durchgehende Kante, sie zeigen immer eine Drehung auf der Hauptfläche. Ein Gwindel kann auch nur teilweise oder einseitig geschlossen sein. Die Ursachen für die wendeltreppenartigen Drehungen im Gwindel sind bis heute nicht schlüssig erklärt worden.

Es gibt beim Quarz zwei Formen von Durchdringungszwillingen: Beim Brasilianer Zwilling treten die Trapezoeder oder auch die Dipyramiden spiegelbildlich zum Prisma auf, die spiegelbildlichen Flächen zeigen gegensätzliche Drehrichtungen. Beim Dauphiné-Zwilling sind diese gleichdrehend: Die Flächen sind (in etwa) deckungsgleich. Als Berührungszwillinge mit einer typischen Nahtlinie kommen beim Quarz Japaner Zwillinge vor. Die beiden Zwillingshälften treten nach der c-Achse in einem Winkel von 84°33' auf. Die Zwillinge erhalten dadurch die Form eines Herzes. Wenn die vorderen Prismenflächen nicht parallel liegen, dann ist es kein Japaner Zwilling, sondern nur ein verwachsener Quarz.


Geschichte

Woher das Wort Quarz stammt, ist nicht eindeutig belegt. Die bergmännische Bezeichnung quarzen bezeichnet das Geräusch, das beim Zerreiben eines Quarzes entsteht. Eine Theorie sieht eine Ableitung vom mittelhochdeutschen Wort querch („Zwerg“). Die Bergleute beschuldigten böse Berggeister, dass sie das Erz mit dem unbrauchbaren Quarz vermischt hätten. Eine andere Ableitung bezieht sich auf das polnisch-mundartliche Wort kwardy, das später zum polnischen twardy („hart“) wurde.

Die alten Griechen bezeichneten den Bergkristall als krystalos, was soviel bedeutet wie „Eis“. Bis zum 17. Jahrhundert glaubte man, dass es sich beim Bergkristall um versteinertes Eis handelt. Die Römer sahen im Bergkristall den Sitz der Götter und glaubten, er verleihe Weisheit, Mut und Treue in der Liebe. Die Indianer legten zu den Neugeborenen einen Bergkristall als Schutz vor dem Bösen. Auch der Amethyst war schon im Altertum bekannt. Die Griechen trugen ihn als Amulett, weil sie glaubten, ein Amethyst schütze gegen die berauschende Wirkung des Weines. Der Name ist nach dem altgriechischen Begriff amethystos abgeleitet, was so viel bedeutet wie „der Trunkenheit entgegenwirkend".

Im 20. Jahrhundert erlangte Quarz als technischer Rohstoff eine völlig neue Dimension: Er wird seither zur Herstellung von Silicium in großem Umfang benötigt. Die daraus hergestellten Solarzellen stellen einen wichtigen Beitrag für die Energiegewinnung aus erneuerbaren Energien dar.


Vorkommen

Das Mineral Quarz kommt in der Natur sehr vielfältig vor, es ist nach den Feldspaten das häufigste Mineral in der Erdkruste: In magmatischen Gestein ist es gesteinsbildend, in alpinen Klüften kommt es als Bergkristall vor und man findet es in Hohlräumen vulkanischer Gesteine, zum Beispiel in Achatmandeln oder Amethystdrusen. Aber auch in Sedimenten ist Quarz gesteinsbildend, zum Beispiel im Sandstein, ebenso in metamorphen Gesteinen wie in Gneisen oder Quarzglimmerschiefern.

Es gibt unzählige Fundstellen für die verschiedenen Varietäten, Wachstumsformen oder Paragenesen. Quarz hat sehr häufig Einschlüsse mit anderen Mineralen. Alpiner Quarz wie Bergkristall oder Rauchquarz findet man an zahlreichen Fundstellen in der Schweiz oder in Österreich. Auch im Erzgebirge ist Quarz reichlich vertreten. Bekannte Fundstellen wie Dalnegorsk in Russland, der brasilianische Bundesstaat Minas Gerais oder das Brandberg-Gebiet in Namibia sind nur ein paar wenige Beispiele für die unzähligen Quarzvorkommen weltweit.

Die grüne Farbe beim Prasemquarz, wie er auf der Insel Serifos in Griechenland oder in Dalnegorsk vorkommt, wird durch Fremd-Einschlüsse mit anderen Mineralen wie Hedenbergit oder Aktinolith verursacht. Eisenoxid-Einschlüsse oder auch andere Eisenverbindungen färben einen Quarz rötlich. Solche Quarze werden Eisenkiesel genannt. Man findet sie zum Beispiel im bayerischen Wölsendorf. Die Amethyste aus der kanadischen Willow Mine können durch Eisenverbindungen violettrot gefärbt sein. Die Ursache für die orangerot gefärbten Quarze aus Dalnegorsk sind Eisen- oder Mangan-Ionen im Kristallgitter. Beim Rutilquarz ist nadeliger Rutil eingeschlossen. Am bekanntesten sind die verschliffenen Schmucksteine, die aus der Umgebung der Stadt Diamantina im brasilianischen Bundesstaat Minas Gerais kommen.

Der Achat zeigt ebenfalls eine sehr hohe Vielfalt. In Deutschland ist das reiche Achat- und Mineralvorkommen im Hunsrück von Rheinland-Pfalz und in der westlich angrenzenden Saar-Nahe-Senke von Bedeutung. Es begründete einst die Existenz der Edelsteinschleifereien in Idar-Oberstein. Der Steinbruch Juchem zählt zu den bedeutendsten Fundstellen in der Region. Dort wird neben dem Achat vor allem auch Amethyst gefunden.


Verwendung

Quarz ist ein wichtiger Rohstoff zur Herstellung von Glas und Silicium. Das harte Mineral wird als Baustoff, als Schleifmittel in Putzmitteln und als Streusand benötigt. Labor- und Küchengeräte aus Quarzglas sind besonders hitzebeständig. Quarz dient in der Elektronik auch zur Herstellung von Schwingquarzen. Die verschiedenen Varietäten wie Bergkristall, Amethyst, Citrin, Rosenquarz, Jaspis oder Chrysopras werden zu Schmucksteinen verschliffen. Studien der MAK-Kommission haben ergeben, dass Feinstaub mit Quarz, Cristobalit oder Tridymit beim Einatmen Krebs erzeugen kann [Lit]. Das Bearbeiten von Quarz erfordert entsprechende Schutzmaßnahmen wie Absaugeinrichtungen und Staubschutzmasken.


Weitere Infos und didaktisches Material

Farbvarietäten: Rauchquarz, Amethyst, Rosenquarz
Bergkristall, die reinste Form des Quarzes
Chalcedon, Japsis und Achat als mikro- und kryptokristalline Wachstumsformen
Wachstumsformen der Quarze: Tessiner Quarz, Fensterquarz, Fadenquarz, Gwindel und andere
Varietäten durch Einschlüsse: Prasemquarz, Eisenkiesel und andere
Paragenesen des Quarzes mit anderen Mineralen
Präsentation: Quarz – Rohstoff für die Elektronik
Experimentieranleitung: Silicium aus Quarzsand herstellen