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.