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.
Proprietà
Il quarzo può presentarsi incolore se è puro come nel caso del cristallo di rocca o in una varietà di colorazioni. Ad esempio 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. Non tende a reagire con altre sostanze anche a temperature relativamente elevate. Per questo motivo il silica glass o vetro libico è usato per apparecchiature chimiche di laboratorio.
Reazioni
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 è 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 ottenutoè detto silicio di grado metallurgico e non è sufficientemente puro per l’utilizzo come semiconduttore.
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.
Usi
Le varietà più pregiate del quarzo sono utilizzate nel campo della gioielleria e per la realizzazione di oggetti ornamentali.
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. 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.
Il quarzo è un materiale piezoelettrico e piroelettrico. Pertanto è 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.