Křemen: vlastnosti, odrůdy a využití minerálu SiO2

Křemen (SiO2): přehled vlastností, odrůd a využití — od šperků přes polovodiče a optiku až po tavený křemen. Tvrdost, krystaly a praktické aplikace.

Křemen je tektosilikátový minerál, který je druhým nejběžnějším minerálem v kontinentální zemské kůře. Jeho krystalovou strukturu tvoří kostra křemíko-kyslíkových tetraedrů SiO4. Každý z nich sdílí atom kyslíku s jiným tetraedrem, takže celkový chemický vzorec je SiO2 neboli oxid křemičitý.

Křemen patří do hexagonální (trigonální) krystalové soustavy a krystaly obvykle tvoří šestiboké hranoly zakončené šestihrannými pyramidami. Má skelný (vitreózní) lesk, konchoidní lom (bez štěpnosti) a dosahuje tvrdosti 7 podle (mohsova stupnice). Hustota čistého křemene je přibližně 2,65 g/cm3. Optické vlastnosti zahrnují index lomu kolem 1,544–1,553 a dvojlom (birefringence) ~0,009, křemen je uniaxiální pozitivní. Křemen je piezoelektrický a pyroelectrický, což znamená, že při mechanickém namáhání nebo změně teploty vzniká elektrické napětí — vlastnost využívaná v elektronických oscilátorech a snímačích.

Polymorfy a stabilita

Křemen má několik polymorfních forem oxidu křemičitého, které vznikají při různých teplotách a tlacích: nejznámějšími jsou tridymit, cristobalit a při vysokých tlakách coesit nebo stishovit. Při teplotě přibližně 573 °C probíhá přechod mezi alfa- (nízkoteplotní) a beta- (vysokoteplotní) křemenem. Mikrokrystalické formy SiO2, jako je chalcedon nebo opál, mají odlišnou vnitřní strukturu, ale stejný základní chemický vzorec.

Existuje mnoho různých odrůd křemene, z nichž některé jsou polodrahokamy. Již dlouho se používají k výrobě šperků a rytin z tvrdého kamene. Acháty, ametysty, růženíny jsou všechny formy křemene.

• Čirý křišťál (rock crystal) – bezbarvý, často užívaný v optice a špercích.
• Ametyst – fialová odrůda barvená stopami železa a expozicí záření; lze ji teplem měnit na citrine.
• Citrín – žlutohnědý křemen, někdy vzniká zahřátím ametystu.
• Růženín (rose quartz) – růžový, barvu způsobují mikrovlákna nebo stopové prvky.
• Smoky quartz – dýmový odstín vzniká expozicí přírodnímu nebo umělému záření.
• Chalcedon, achát, jaspis, karneol – mikrokrystalické formy, často s pruhováním a rozmanitými barvami.
• Aventurine – křemen se třpytivými inkluzemi hematitu nebo glimmeru.

Vznik a výskyt

Křemen se vyskytuje téměř ve všech typech hornin: v magmatických (např. žuly, pegmatity), metamorfovaných (gneisy, ruly) i sedimentárních (pískovce). Tvoří také žíly a výplně puklin v hydrotermálních ložiscích, ve kterých se krystaly často vytvářejí v geodách nebo dutinách. Velké krystalové agregáty jsou běžné v pegmatitech a starších žilních systémech; jemnozrnné formy tvoří významnou složku písku a sedimentů.

Využití

Křemenné krystaly se používají v oscilátorech, například v křemenných hodinách. Lidé také získávají křemík k výrobě polovodičů. Většinu písku tvoří malé kousky křemene. Křemen má tvrdost minerálu 7. (mohsova stupnice).

Praktické aplikace zahrnují:

• Elektronika: přesně řezané a laděné křemenné krystaly v oscilátorech, hodinách, vysílačích a senzorech; syntetický hydrotermálně pěstěný křemen pro stabilitu frekvence.
• Polovodičový průmysl: oxid křemičitý jako surovina pro výrobu kovového křemíku a následně ultračistého polysiliconu pro čipy a solární články.
• Sklářství a optika: tavený křemen (fused silica) a křemičité sklo se používají pro laboratorní nádobí, čočky, vlákna a optické komponenty díky nízkému tepelnému rozpětí a vysoké průhlednosti v UV.
• Stavebnictví a průmysl: pískový křemen je základní složkou betonu, malt a smolných produktů; křemenný písek se používá pro pískování a lití (formy pro odlévání).
• Šperky a dekorace: broušení, fasetování a leštění odrůd jako ametyst, citrín, karneol, achát.
• Zdravotnictví a výzkum: čisté křemičité materiály v laboratorních přístrojích a pro speciální aplikace vyžadující chemickou odolnost a teplotní stabilitu.

Praktické poznámky a bezpečnost

Inhalace jemného křemenného prachu (respirable crystalline silica) je zdravotně nebezpečná: může způsobit plicní onemocnění silikózu, zvýšit riziko plicního raka a dalších respiračních problémů. Při práci s pískem, řezáním, broušením nebo vrtáním křemene používejte adekvátní ochranu dýchacích cest, odsávání a vlhčení prachu.

Pro šperkařské účely se některé odrůdy upravují tepelně nebo zářením (např. přeměna ametystu na citrín, zesílení barvy). Syntetický křemen (hydrotermální syntéza) poskytuje velmi čisté krystaly pro elektroniku a laboratorní použití.

Slovo "křemen" pochází z německého slova "quarz".

"Tavený křemen" je sklo vyrobené z oxidu křemičitého v nekrystalické formě. Neobsahuje další složky, které se přidávají do jiných skel za účelem snížení teploty tání. Tavený křemen má vysoké pracovní teploty a teploty tání. Pro některé účely je tavený křemen díky své čistotě vhodnější než jiné druhy skla. Toto sklo se používá v řadě high-tech výrobků.

Zajímavosti

• Křemen byl historicky používán k výrobě nástrojů a rytin díky své tvrdosti a odolnosti.
• Jednotlivé krystaly v geodách mohou dosahovat značných rozměrů; známé jsou několikametrové agregáty.
• Díky piezoelektrickým vlastnostem byl křemen klíčový při vývoji přesných měřicích a řídicích technologií 20. století.

Šokovaný křemen

Šokovaný křemen je forma křemene, která má mikroskopickou strukturu odlišnou od normálního křemene. Pod silným tlakem (ale při omezené teplotě) se krystalická struktura křemene deformuje podél rovin uvnitř krystalu. Tyto roviny se pod mikroskopem zobrazují jako linie.

Šokovaný křemen se vyskytuje po celém světě, zejména v impaktních kráterech a v tenké křídovo-paleogenní hraniční vrstvě. Ta se nachází na kontaktu mezi křídovými a paleogenními horninami. Je to další důkaz (kromě obohacení iridiem), že přechod mezi oběma geologickými obdobími byl způsoben velkým impaktem. Eugene Shoemaker jej objevil ve stavebních kamenech v bavorském městě Nördlingen. Kameny pocházely z otřesených metamorfovaných hornin, například brekcií, z meteorického kráteru.

fotomikrofotografie šokovaného křemene

Otázky a odpovědi

Otázka: Co je to křemen?

Otázka: Odkud pochází název "křemen"?

Otázka: Jaké jsou některé odrůdy křemene?

Otázka: Jak tvrdý je křemen?

Otázka: Co je to tavený křemen?

Otázka: Pro jaké výrobky lze tavený křemen použít?

Otázka: Jak dlouho lidé používají různé druhy křemene na výrobu šperků a řezbářských výrobků?

Hledání podle dopisu