Quarz, auch Tiefquarz oder α-Quarz genannt, ist ein Mineral mit der chemischen Zusammensetzung SiO2 und trigonaler Symmetrie. Er ist die auf der Erdoberfläche stabile Form (Modifikation) des Siliciumdioxids und nach den Feldspaten das zweithäufigste Mineral der Erdkruste. Bei einer Temperatur von über 573 °C (unter einem Druck von 1 bar) geht Tiefquarz durch Änderung der Kristallstruktur in Hochquarz über.
Mit einer Mohshärte von 7 gehört Quarz zu den harten Mineralen und dient als Bezugsgröße auf der bis 10 (Diamant) reichenden Skala nach Friedrich Mohs. Er bildet oft gut entwickelte Kristalle von großer Formen- und Farbenvielfalt, deren Kristallflächen Glasglanz aufweisen. Quarz besitzt keine Spaltbarkeit, bricht muschelig wie Glas und zeigt auf den Bruchflächen einen fettigen Glanz.
In der Industrie ist Quarz eines der wichtigsten Minerale und hat gleichermaßen als Baustoff wie als Rohstoff für die Keramik-, Glas- und Zementindustrie weltweite Bedeutung. Quarzkies und gebrochener Quarz sind Rohstoff zur Gewinnung von Silicium.
Darüber hinaus werden Quarz und seine farbigen Varietäten seit alters her als Schmuckstein geschätzt (siehe Verwendung).
Quarzkristalle werden auch künstlich hergestellt: Daraus geschnittene Schwingquarze dienen als Taktgeber in elektronischen Schaltungen und Quarzuhren.
Gelegentlich wird Quarz mit dem Calcit verwechselt, kann jedoch durch seine größere Härte, die niedrigere Doppelbrechung und die Reaktion des Calcits mit verdünnter Salzsäure leicht von diesem unterschieden werden.
Etymologie und Geschichte mini|links|Quarzsand vom Coral Pink Sand Dunes State Park, Utah; die Orangefärbung entsteht durch Hämatitauflage. Der Ausdruck „Quarz“ ist erstmals in der 1. Hälfte des 14. Jahrhunderts im Ostmitteldeutschen als Fachwort des böhmischen Bergbaus bezeugt. Zu seiner Herkunft gibt es verschiedene Hypothesen. Nach einer dieser Hypothesen stammt er von mittelhochdeutsch querch (‚Zwerg‘) in Anlehnung an den Aberglauben, dass Berggeister das bergbaulich wertlose Mineral unterschöben, nachdem sie ein an gleicher Stelle ursprünglich vorhandenes wertvolles Erz „geraubt“ hätten (vgl. auch die Etymologie von Kobalt), oder dass Bergkristalle als versteinerte Berggeisterchen gedeutet wurden. Eine andere Hypothese besagt, dass Quarz von kwardy, einem Ausdruck aus einem polnischen Dialekt, stammt, welches der tschechischen Vokabel tvrdý (‚hart‘) entspricht. Einer Hypothese von Sergei Iwanowitsch Tomkeieff aus dem Jahr 1942 zufolge soll das Wort eine Zusammenziehung des sächsischen Bergmannsausdruckes „Querklufterz“ sein (möglicherweise verkürzt bzw. verschliffen zu „Quererz“, „Querz“ und schließlich „Quarz“). Tomkeieff setzt dabei die Form quertz, querz als Grundform voraus, die sich in Schriften aus dem 16. Jahrhundert wie Ein nützlich Bergbüchlin und Agricolas De re metallica mit Bezug auf den Sprachgebrauch sächsischer Bergleute findet. Allerdings werden schon in dem 1889 erschienenen siebenten Band des Grimmschen Wörterbuchs ähnliche, seit dem 16. Jahrhundert existierende Herleitungen, die von einer Zusammenziehung aus quaterz, quaderz (‚böses Erz‘) oder aus gewarz, gewärze (Sammelbegriff zu Warze) ausgehen, als „spielende versuche, den ursprung des wortes zu ergründen“ bezeichnet.
Quarz hat sich als Mineralbezeichnung international durchgesetzt, mit leichten, sprachspezifischen Abwandlungen wie beispielsweise quartz im Englischen und Französischen, kvarts im Schwedischen, quarzo im Italienischen oder кварц (kwarz) im Russischen.
Quarz war bereits lange vor der Gründung der International Mineralogical Association (IMA) bekannt und als eigenständige Mineralart anerkannt. Damit hätte Quarz theoretisch den Status eines grandfathered Mineral. In der 1967 erfolgten Publikation der IMA: Commission on new minerals and mineral names wurden allerdings die bis dahin geltenden Minerale beziehungsweise Mineralnamen Elroquit als „eisenhaltige Varietät von Variscit mit Quarz“ und Royit als identisch mit Quarz (genauer: α-Quarz) diskreditiert. Da dies automatisch eine nachträgliche Ankerkennung für den Quarz bedeutete, wird das Mineral seitdem in der „Liste der Minerale und Mineralnamen“ der IMA unter der Summenanerkennung „IMA 1967 s.p.“ (special procedure) geführt. Die ebenfalls von der IMA/CNMNC anerkannte Kurzbezeichnung (auch Mineral-Symbol) für Quarz lautet „Qz“.
Klassifikation Nach der 8. und 9. Auflage der Strunz’schen Systematik der Minerale gehört Quarz aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung zur Mineralklasse der Oxide mit einem Metall-Sauerstoff-Verhältnis von 1:2.
In der veralteten 8. Auflage der Mineralsystematik war er zudem Namensgeber für eine Gruppe chemisch ähnlicher oder gleicher Minerale, der „Quarz-Tridymit-Cristobalit-Gruppe“ mit der System-Nr. IV/D.01a, deren weitere Mitglieder Cristobalit, Hochcristobalit, Hochquarz, Hochtridymit und Tridymit sowie im Anhang Melanophlogit waren.
Im zuletzt 2018 überarbeiteten und aktualisierten Lapis-Mineralienverzeichnis nach Stefan Weiß, das sich aus Rücksicht auf private Sammler und institutionelle Sammlungen noch nach dieser alten Form der Systematik von Karl Hugo Strunz richtet, erhielt das Mineral die System- und Mineral-Nr. IV/D.01-010. In der „Lapis-Systematik“ bildet Quarz hier zusammen mit Bosoit, Chibait, Coesit, Cristobalit, Lechatelierit, Melanophlogit, Mogánit, Opal, Seifertit, Stishovit und Tridymit die „Quarzreihe“ mit der System-Nr. IV/D.01 bildet.
Die von der International Mineralogical Association (IMA) zuletzt 2009 aktualisierte 9. Auflage der Mineralsystematik nach Strunz untergliedert die Oxide allerdings feiner. Quarz sowie die ihm verwandten Minerale β-Quarz (Existenz bisher nur als Synthese bekannt) Coesit, Cristobalit, Melanophlogit, Mogánit, Seifertit, Opal, Stishovit und Tridymit werden nun der Unterabteilung „Mit kleinen Kationen: Kieselsäure-Familie“ zugerechnet und bilden dort größtenteils Einzelmineral-Gruppen. Das in der Systematik ebenfalls mit aufgeführte Lechatelierit (Kieselglas) hat allerdings nach wie vor einen fraglichen Mineralstatus und ist daher von der IMA auch nicht als eigenständiges Mineral anerkannt.
Die Systematik von James Dana ordnet die Minerale nach ihrer Kristallstruktur. Im Quarz ist Silicium tetraedrisch von vier Sauerstoffatomen umgeben. Diese SiO4-Tetraeder sind über ihre Ecken zu einem dreidimensionalen Gerüst verknüpft. Quarz wird daher in der Systematik von Dana den Gerüstsilikaten zugeordnet, genauer der Unterabteilung „Gerüstsilikate: tetraedrisches Si-Gitter, SiO2 mit -koordiniertem Si“.
Chemismus Quarz ist eine sehr reine Verbindung und baut andere Elemente nur in Spuren ins Kristallgitter ein. Natürliche Quarze können zwischen 13 und 15.000 ppm (meist aber nur einige 100 ppm) Al3+, zwischen 9 und 1400 ppm Na+, zwischen 3 und 300 ppm K+ sowie geringere Mengen an Fe3+, Ti4+, P5+, H+ und Li+ enthalten.
Der Einbau dieser Ionen erfolgt zumeist über einen gekoppelten Ersatz (Substitution) eines Si4+-Ions durch ein dreiwertiges und ein einwertiges Ion, so Al3+ und Na+. Die Fremdionen werden sowohl auf den Si-Positionen im Gitter eingebaut wie auch auf ansonsten leeren Zwischengitterplätzen. Neben dem Einschluss von Fremdmineralen ist der Einbau von Metallionen, teils im Zusammenspiel mit ionisierender Strahlung, verantwortlich für die verschiedenen Farben der Quarzvarietäten.
Kristallstruktur mini|Erklärvideo: Wie entstehen Bergkristalle? 54 Sekunden Tiefquarz ist trigonal-trapezoedrisch (Kristallklasse 32) und kristallisiert in den enantiomorphen Raumgruppen und . Die Maße der Elementarzelle sind a1 = a2 = 4,9124 Å und c = 5,4039 Å. Eine Elementarzelle enthält drei Formeleinheiten SiO2. Silicium (Si) und Sauerstoff (O) besetzen kristallographisch unterscheidbare Atompositionen: Si: x = 0,4701; y = 0; z = 1/3 O: x = 0,4139; y = 0,2674; z = 0,2144
Jedes Sauerstoffion ist von zwei Siliciumionen im Abstand von 1,6054 Å und 1,6109 Å umgeben und sechs Sauerstoffionen im Abstand von ca. 2,62 Å. Die Si-O-Bindungen haben einen großen kovalenten Anteil, was die Ursache für die große Härte von Quarz ist. Der Si-O-Si-Bindungswinkel beträgt 143,61°. Entsprechend ist jedes Siliciumion tetraedrisch von vier Sauerstoffionen umgeben, zwei im Abstand von 1,6054 Å und zwei im Abstand von 1,6109 Å.
SiO2-Gerüst: Die SiO4-Tetraeder sind untereinander über die Tetraederecken verknüpft, jeder Tetraeder mit vier benachbarten Tetraedern. In Richtung der c-Achse sind sie zu Paaren von spiralförmigen Ketten verknüpft. Diese SiO4-Tetraederhelixpaare, die untereinander nicht verbunden sind, bilden sechsseitige, offene Kanäle in Richtung der c-Achse.
α-Quarzkristalle der beiden enantiomorphen Raumgruppen unterscheiden sich im Drehsinn der Tetraederschrauben. Linkshändischer α-Quarz kristallisiert in der Raumgruppe und die Tetraederschrauben winden sich im Uhrzeigersinn um die c-Achse dem Betrachter entgegen, wenn man von oben auf die c-Achse schaut. Entsprechend winden sich die Tetraederschrauben des rechtshändigen α-Quarzes (Raumgruppe ) entgegen dem Uhrzeigersinn dem Betrachter entgegen. Die spiralförmigen Tetraederketten sind mit sechs benachbarten Tetraederspiralen so verknüpft, dass jeder SiO4-Tetraeder zu zwei benachbarten Tetraederketten gehört und an zwei der sechsseitigen Kanäle grenzt.
Quarz ist nur bei niedriger Temperatur in der trigonalen α-Quarz-Phase stabil. Bei 573 °C findet eine Phasenumwandlung in die hexagonale β-Quarz-Phase statt. Den Übergang von der β-Quarz-Phase zum α-Quarz kann man sich leicht vereinfacht durch Kippen robuster Tetraeder um die <100>-Achse veranschaulichen. Die Kipprichtung entscheidet über die Orientierung des α-Quarzes.
Eigenschaften Morphologie mini|hochkant=2|Morphologie von Linksquarz Gut ausgebildete Kristalle sind verbreitet und ihre Form kann je nach Wachstumsbedingungen recht unterschiedlich sein. Die nebenstehende Abbildung illustriert die typische prismatische Kristallform von Linksquarz und wie sich diese Form aus den Grundkörpern der trigonal-trapezoedrischen Klasse (Klasse 32) zusammensetzt. Die in Klammern gesetzten Zahlen im Text und auf der Abbildung sind die Millerschen Indizes. Sie werden in der Kristallographie für die Bezeichnung von Kristallflächen verwendet. Indizes von Kristallflächen werden in runde Klammern gesetzt, Indizes von einer Flächengruppe, die einen Grundkörper bilden, in geschweifte Klammern und Indizes von Richtungen (Kristallachsen) in eckige Klammern.
Dominiert wird die Kristallform vom hexagonalen Prisma I. Stellung ({100}). Die Prismenflächen liegen parallel zur kristallographischen c-Achse. Begrenzt wird das Prisma an den Enden vom positiven und negativen Rhomboeder ({101} und {011}), wobei das positive Hauptrhomboeder mit größeren Flächen auftritt.
Untergeordnet, d. h. kleiner ausgebildet, treten verschiedene trigonale Trapezoeder, meist {511}, und trigonale Bipyramiden, meist {111}, auf. Von diesen Polyedern gibt es in der Kristallklasse 32 jeweils zwei enantiomorphe (linke und rechte), ansonsten aber identische Formen. An einem unverzwillingten Quarzkristall treten entweder nur rechte oder nur linke Trapezoeder und Bipyramiden auf, am Linksquarz (Raumgruppe ) linke Formen und am Rechtsquarz (Raumgruppe ) rechte Formen. Unterschieden werden können Rechts- und Linksquarze anhand der Anordnung der Trapezoeder- und Bipyramidenflächen. Beim Linksquarz treten diese links von den Hauptrhomboederflächen {101} auf und beim Rechtsquarz rechts von den Hauptrhomboederflächen.
Kristall- und Wachstumsformen Für auffällige Wachstumsformen von Quarz haben sich eigene Namen etabliert: Tessiner Habitus: Quarze, deren Kristallform von großen, sehr steilen Rhomboederflächen dominiert werden.