Quarzo


Il quarzo era noto e apprezzato fin dall’antichità e fu citato da Teofrasto intorno al 300 a.C. con il nome di κρύσταλλος che significa cristallo.

Il quarzo è un minerale molto comune costituito da biossido di silicio a struttura cristallina trigonale costituita da tetraedri silicio-ossigeno uniti tra loro per i 4 vertici.

Il biossido di silicio si trova in non meno di 13 modificazioni strutturali accomunate, tuttavia, da alcune proprietà tra cui la presenza di unità SO4.

Il quarzo può presentarsi incolore se è puro come nel caso del cristallo di rocca o in una varietà di colorazioni come nel caso dell’ametista, citrino, occhio di tigre che appartengono alla famiglia dei quarzi macrocristallini o calcedonio, agata, corniola e onice che hanno struttura criptocristallina.

Il quarzo può trovarsi in ambienti geologici diversi e le sue caratteristiche dipendono dalle condizioni in cui si è formato.

A temperatura ambiente il biossido di silicio in tutte le sue forme è dotato di inerzia chimica e non tende a reagire con altre sostanze anche a temperature relativamente elevate e per questo motivo il silica glass o vetro libico viene usato per apparecchiature chimiche di laboratorio.

Il biossido di silicio non è attaccato dagli acidi ad eccezione dell’acido fluoridrico che dà luogo inizialmente alla formazione di tetrafluoruro di silicio secondo la reazione:

SiO2 + 4 HF → SiF4 + 2 H2O

Il tetrafluoruro di silicio reagisce ulteriormente con l’acido fluoridrico per dare l’acido idrofluorosilicico secondo la reazione:

SiF4 + 2 HF → H2SiF6

Il biossido di silicio viene attaccato dalle basi come l’idrossido di potassio e la velocità della reazione dipende dalle dimensioni del cristallo e dal suo stato: il quarzo cristallino si solubilizza molto lentamente anche a caldo mentre il quarzo amorfo si solubilizza rapidamente anche a temperatura ambiente secondo la reazione:
SiO2 + 2 KOH → K2SiO3 + H2O

Il biossido di silicio si solubilizza in carbonato di sodio o di potassio allo stato fuso per formare i silicati:

SiO2 + K2CO3 → K2SiO3 + CO2

Alle alte temperature in determinate condizioni ambientali il quarzo si comporta da acido e reagisce con specie alcaline presenti nei minerali; ad esempio la wollastonite si forma in ambienti metamorfici dalla reazione tra quarzo e calcite alla temperatura di circa 600°C:
3 SiO2 + 3 CaCO3 → Ca3Si3O9 + 3 CO2

Dal quarzo può essere ottenuto il silicio per riduzione del biossido di silicio in presenza di carbonio in una reazione endotermica che avviene a circa 2000°C:

SiO2 + 2 C → Si + 2 CO

Il legame silicio-ossigeno è più forte rispetto al legame carbonio-ossigeno pertanto necessita di energia per avvenire ed inoltre l’equilibrio tende a spostarsi verso destra in quanto il monossido di carbonio si allontana dall’ambiente in cui avviene la reazione per il Principio di Le Chatelier.

Il silicio così ottenuto viene detto silicio di grado metallurgico e non è sufficientemente puro per poter essere utilizzato come semiconduttore.

Il quarzo è un materiale molto duro e ha una durezza pari a 7 nella scala di Mohs; a temperatura ambiente è praticamente insolubile in acqua e, stante la sua inerzia chimica è largamente utilizzato nei ripiani per cucine invece del marmo che è molto più sensibile all’attacco di sostanza chimiche.

In condizioni di temperatura superiori ai 100°C e ad alta pressione il quarzo aumenta: alla temperatura di 300°C ha una solubilità che varia da 700 a 1200 mg/L a seconda della pressione.

Solubilizzandosi in acqua il biossido di silicio dà luogo alla formazione di acido ortosilicico secondo la reazione:

SiO2 + 2 H2O → H4SiO4

L’acido ortosilicico è un acido molto debole la cui prima costante di dissociazione Ka1 è pari a 3.09 ∙ 10-10. L’acido ortosilicico tende a polimerizzare in soluzioni acquose formando inizialmente un sol e successivamente un gel di acido polisilicico.

Le varietà più pregiate del quarzo vengono utilizzate nel campo della gioielleria e per la realizzazione di oggetti ornamentali.

Il quarzo è un materiale piezoelettrico e piroelettrico ed è pertanto utilizzato negli oscillatori al quarzo ed è quindi presente in molti dispositivi elettronici tra cui gli orologi al quarzo.

Polvere di quarzo e sabbie quarzifere sono usate come abrasivo nelle operazioni di sabbiatura, molatura del vetro e come materia prima per l’ottenimento del vetro, della porcellana e degli smalti.

Le quarziti, minerali costituiti prevalentemente da quarzo,  vengono usate come materia prima nell’industria dei refrattari tra cui i rivestimenti di forni per la produzione di leghe ferrose.

 

Autore: Chimicamo

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