QUARZO

Enciclopedia Italiana (1935)

QUARZO

Ugo PANICHI
Arnaldo MAURI

. Fra le varie modificazioni che può presentare la silice (SiO2), il quarzo è la più abbondante e diffusa, sia come componente di molte rocce, sia in cristallizzazioni che tappezzano cavità, o in cristalli isolati. La bellezza che talora presentano aggruppamenti di cristalli di quarzo, ora limpidi e incolori, ora dotati di colori, assai variabili da un giacimento all'altro, era già stata notata nell'antichità. La parola "cristallo", con la quale oggi si designa un determinato stato fisico della materia in generale, fu un tempo limitata a indicare i cristalli di quarzo. Oggi è rimasta l'espressione "cristallo di rocca" per la varietà di quarzo in cristalli limpidi e incolori.

Le dimensioni dei cristalli sono molto variabili; da piccolissimi e microscopici, si hanno, passando per i gradi intermedî, cristalli di parecchi centimetri e talvolta perfino di oltre un metro cubo.

Essi appartengono alla classe trapezoedrica trigonale. Spesso sono allungati nel senso dell'asse ternario con sviluppo del prisma esagonale, il quale è combinato con due romboedri, uno diretto e uno inverso; quando questi siano egualmente sviluppati, simulano una bipiramide esagonale; molto spesso si vedono anche le facce di un trapezoedro trigonale, o sinistro o destro (fig. 1, a, b). Molte altre forme sono possibili. Talora il prisma esagonale manca o è ridottissimo. Caratteristica è la costante mancanza del pinacoide basale. Mancando il trapezoedro, o altre forme tipicamente destre o sinistre, il carattere di destro o sinistro del cristallo si può dedurre anche da altre particolarità morfologiche, come ad es. dalle figure di corrosione.

Piuttosto frequenti sono le geminazioni; i gemini sono nettamente distinti nel cosiddetto "geminato del Giappone", geminati ad angolo secondo una faccia di bipiramide trigonale {5−21} (fig. 2); talora invece possono simulare un unico cristallo, come nel geminato cosiddetto del Delfinato, costituito da due cristalli entrambi destri o entrambi sinistri (fig. 3) con asse di geminazione A3 e in quello del Brasile, formato da due cristalli, uno destro e uno sinistro (fig. 4), simmetrici rispetto a una faccia di prisma esagono di II ordine [10−1].

Il peso specifico del quarzo puro è 2,65. Il quarzo è noto come minerale tipo nella vecchia scala delle durezze secondo Mohs (durezza 7). La resistenza all'abrasione offerta dalle facce del prisma {10−10} è sensibilmente maggiore di quella delle facce del romboedro {10−11}. Ancora maggiore è quella offerta dalla superficie (artificiale) secondo {0001}. La frattura è concoide. Talora si osservano incerte tracce di sfaldatura secondo facce di romboedro (ottenibili anche per riscaldamento e brusco raffreddamento). Le condizioni di simmetria dei cristalli di quarzo (A3, 3A2) permettono in essi fenomeni piro- e piezo-elettrici secondo gli assi binarî.

Per farsi un'idea della struttura reticolare dei cristalli di quarzo, premettiamo che ogni atomo di silicio è circondato da quattro atomi di ossigeno in corrispondenza ai vertici di un tetraedro, e che ogni atomo di ossigeno appartiene a due tetraedri diversi.

La fig. 5 rappresenta una sezione normale all'asse ternario, o, meglio, tre piani reticolari paralleli consecutivi; i cerchi indicano atomi di silicio; i cerchi semplici sono nel piano anteriore, i cerchi doppî nel secondo piano, i tripli nel terzo piano (posteriore). Si passa dall'uno all'altro per avvitamento di 120° intorno all'asse ternario (elicoidale), il che permette d'interpretare il fenomeno della polarizzazione rotatoria. Gli atomi di ossigeno che circondano quelli di silicio (e che non sono segnati nella figura) servono di concatenamento sia in ogni piano, sia fra piani consecutivi (v. anche cristalli, XI, p. 956).

Otticamente il quarzo è uniassico positivo, con indici di rifrazione per il sodio ω = 1,5442, ε = 1,5533. Per la polarizzazione rotatoria, che si verifica in lamine tagliate normalmente all'asse ternario, si noti che i cristalli strutturalmente destri risultano destrogiri e i sinistri levogiri. Scaldando una lamina di quarzo il fenomeno della polarizzazione rotatoria si annulla oltre i 575°. A questa temperatura si ha anche un debole ma brusco abbassamento del valore degl'indici di rifrazione; il quarzo passa alla modificazione esagonale. È naturale di supporre che cristalli di quarzo formatisi a temperature superiori ai 575° siano esagonali e non trigonali; a prova di ciò è stato osservato che quelli costituenti di certe rocce eruttive e nati in prima segregazione a temperature verosimilmente superiori ai 575° mancano delle caratteristiche faccette del trapezoedro trigonale.

Ulteriore e prolungato riscaldamento a 870° o poco più provoca un'altra trasformazione e si ottiene la tridimite; la quale poi, portata oltre i 14700, dà luogo a una nuova modificazione: la cristobalite.

Oltre ai cristalli ialini, cioè incolori e trasparentissimi (come, ad es., quelli d'Isère nel Delfinato e quelli impiantati nel candido marmo di Carrara) si hanno cristalli trasparenti ma colorati, come nella varietà "ametista" (color viola) del Brasile, dell'India, della Siberia; nel "falso topazio" (giallo) del Brasile e nel roseo "rubino di Boemia". Il colore di queste varietà è dovuto a tracce di ossiai di Mn, Fe, Ti, ecc., in soluzione solida. Nel "quarzo affumicato" (nerastro), come, ad es., quello del Gottardo, la trasparenza è assai minore e il colore sembra dovuto a sostanze carboniose. Un forte riscaldamento può rendere questi cristalli quasi totalmente incolori. Anche il "giacinto di Compostella" è poco trasparente ed è di un rosso sanguigno dovuto a ossido di ferro. Ancor meno trasparente e di un verde scuro, che talora ricorda lo smeraldo, è il "quarzo prasio" (Finlandia, Boemia), il cui colore è dovuto a minutissime inclusioni di cloriti e di anfiboli.

È assai frequente il caso di cristalli contenenti inclusioni solide, e le dimensioni di queste possono avere tutti i gradi dalle microscopiche a quelle ben visibili a occhio nudo. Così avviene che fibrille di amianto conferiscano alla varietà "occhio di gatto" (Ceylon, Arabia) oltre a una colorazione grigioverde un particolare aspetto chiamato gatteggiamento.

Talora sono ben visibili acicule di rutilo, di crocidolite, ecc., come nella cosiddetta "pietra di Pandora"; talora invece minute scaglie di mica, clorite, oligisto, ecc., come nel "quarzo avventurinato", il quale, appunto perciò e anche per la sua particolare struttura minutamente saccaroide, presenta quel particolare scintillio con vivi colori fra bianco e giallo, dovuti a pagliuzze micacee, che viene imitato nelle note "avventurine di Murano".

Sono anche frequenti nei cristalli di quarzo inclusioni liquide microscopiche; qualche volta sono visibili a occhio nudo, come, ad es., nei "quarzi aeroidri" della Porretta e dell'Elba. Non di rado nel liquido si trova qualche cristallino cubico di salgemma.

Il quarzo si può originare per lenta cristallizzazione da idrogeli silieci a conveniente temperatura e pressione. Ciò avviene evidentemente in natura ed è anche stato ottenuto artificialmente. Il quarzo è anche componente di molte rocce eruttive come graniti, porfidi quarziferi, ecc.; forma anche numerose vene in massa cristallina, la quale è talvolta matrice di importanti minerali metalliferi. È il costituente principale delle "sabbie silicee" e delle "quarziti".

I diaspri sono masse compatte e variamente colorate di silice riferibile al quarzo; il calcedonio è formato di silice finamente fibrosa, che forse rappresenta una varietà del quarzo. Ne sono sottovarietà la corniola, l'onice, l'agata, il crisoprasio, che sono ricercate per oggetti ornamentali (v. calcedonio e alle singole voci).

I cristalli ialini sono utilizzati in ottica: così se ne formano lamine per polarimetri e microscopî (quarzo di Klein, oculare di Bertrand); cunei (compensatore di Babinet); e lenti e prismi utilizzando la proprietà del quarzo di essere notevolmente trasparente per i raggi ultravioletti. I quarzi colorati, quando sono limpidi, vengono utilizzati come pietre semipreziose; così, ad es., l'ametista (da non confondere con l'ametista orientale, che è corindone e molto più preziosa), la quale ha pregio sia per il bel colore violetto, sia per il colore giallino che acquista per riscaldamento a 250° (ametista bruciata) e che la fa rassomigliare al topazio di eguale colore (Brasile).

Lavorazione e usi. - Nella composizione più pura (cristallo di rocca), incolore e trasparente, serve, ora meno che in passato, a produrre, nell'arte, vasi e altri oggetti 'di lusso, nell'ottica, prismi e lenti; serve anche a imitare i diamanti. La lavorazione si fa a mano mediante seghette, trapani, mole e utensili diversi da politura, lucidatura, incisione alla maniera dei cammei, ecc. In qualità di componente delle rocce eruttive (graniti, porfidi, ossidiane e altre), nonché dei prodotti della loro decomposizione (pietre arenarie e sabbie quarzose), il quarzo trova largo impiego nelle industrie del vetro, delle ceramiche, dei materiali refrattarî, ecc.

Ad altissima temperatura (1713°), il quarzo può essere fuso e poi sottoraffreddato fino alla rigidezza senza formazioni cristalline, dando luogo alla sostanza vitrea detta quarzo fuso o silice fusa e, non correttamente, vetro di quarzo (il vetro è per definizione massa amorfa, il quarzo silice pura cristallizzata). Benché i tentativi di fondere quarzo rimontino al 1839, solo nel 1901 si riuscì a ottenere maggiori volumi di massa translucida o opaca fondendo cristallo di rocca al cannello ossidrico in crogioli d'iridio. Un notevole progresso fu segnato ricorrendo alla corrente elettrica come agente termico. I primi procedimenti per fondere sabbia di quarzo con l'arco voltaico furono presto sorpassati dai metodi che introdussero il principio dei forni a resistenza. Si ottenne però sempre soltanto "quarzo fuso opaco" (ted. Quarzgut; ingl. uttreous quartz), perché fortemente puligoso, cioè a ricche inclusioni di bollicine microscopiche d'aria. Partendo, infatti, da cristallo di rocca in pezzatura o finemente macinato, o da sabbia quarzosa lavata, avviene sempre che al loro riscaldamento crescente, cui segue uno sgretolare, scrostarsi e poi agglomerarsi delle particelle, fra queste rimanga racchiusa una notevole parte d'aria. Lo sgretolio si spiega con la diversa dilatazione dei cristalli quarzosi nel senso delle loro due assi; per di più a 575° essi subiscono una delle accennate modificazioni polimorfe alle quali va soggetta la silice durante la fusione, e la massa riduce la sua densità con corrispondente aumento di volume.

Vi sono varî procedimenti per produrre articoli di quarzo fuso opaco o translucido. Ridotta la materia prima a massa fluida sopra una lastra di grafite forata - riscaldata da intensa corrente - essa, senza essere mossa dal forno, viene soffiata ad aria compressa entro adatte forme cave. Per ottenere fogge cilindriche o comunque sagomate, s'immerge un'anima di grafite o di carbone di legna opportunamente modellata, e scaldata come sopra, nella polvere di quarzo: questa, a contatto con l'anima, fonde; ottenuto un primo strato, con rotazione in tutti i sensi, si distribuisce la materia in modo regolare e omogeneo sul nucleo. I corpi ottenuti sono lisci all'interno, ruvidi all'esterno; diventano lucidi se lambiti, come da un pennello, dalla fiamma dell'arco voltaico.

Nella figura 6 è illustrato un forno a resistenza elettrica per la fusione del quarzo: a è un cassone di ferro a doppie pareti con interposta materia termoisolante; f1 e f2 sono elettrodi isolati che ricevono le correnti di d1 e d2; la resistenza è rappresentata dal bastone di grafite g. Si riempie il cassone di polvere di quarzo e si copre col coperchio e. Durante la fusione, il forno viene girato come detto più sopra per ottenere che la massa si disponga, a forma di cilindro, concentricamente attorno al bastone di grafite.

Per oggetti puramente cilindrici la materia prima viene portata a fusione anche entro un tubo refrattario in rotazione: divenuta molle, essa aderisce alla superficie interna, formando il cilindro che viene estratto mentre nuovo materiale arriva nel tubo per rendere il procedimento continuativo. Il più recente progresso in tale senso è dovuto all'adozione di forni a induzione d'alta frequenza. Mediante riscaldamenti locali - secondo i metodi indicati - di pezzi già foggiati, si provvede, per soffiatura ad aria compressa, stiramento e stampaggio delle masse plastiche e ancora ad alta temperatura, alla seconda lavorazione e alle saldature.

Per ottenere quarzo fuso ialino, esente da bollicine d'aria e trasparente, cioè affinato nel rigoroso senso ottico (ted. Quarzglas; ingl. vitreous silica), occorre raggiungere temperature estremamente alte, fondere nel vuoto, ottenuto a mezzo d'apposita pompa, e comprimere entro l'ambiente fusorio dell'acido carbonico fino a raggiungere la pressione di 120 atm.; compito di notevole difficoltà tecnica, nei suoi particolari ancora segreto industriale.

Le due forme di quarzo fuso (opaco e trasparente), distinte in modo netto per metodi di produzione, valore mercantile e applicazioni, hanno in comune la stessa composizione chimica ed eguali caratteristiche chimiche e fisiche, a eccezione di quelle ottiche. I valori di tali caratteristiche sono: densità 2,10; resistenza alla trazione oltre 700 kg./cmq.; resistenza alla compressione 19.800 kg./cmq.; modulo di elasticità 7200 kg./cmq.; calore specifico medio 0,2313; coefficiente di dilatazione. 55.10-8; conduttività termica 0,0026; temperatura di fusione 1700-1800°; temperatura di rammollimento circa 15000; resistenza elettrica 400.000 ohm; resistenza alla perforazione elettrica 30.000 volt per spessori di 1,2 mm.; costante dielettrica 3,5-3,6; costanza di peso, assoluta; resistenza chimica all'acido solforico, assoluta; per contro, il quarzo fuso è attaccato da idrato di sodio; durezza 7; indice di rifrazione 1,533; birifrazione +0,0091; polarizzazione circolare, ottima; permeabilità ai raggi ultravioletti, fino a circa 180 μμ. Tali caratteristiche, che pongono il quarzo fuso ad un alto grado di superiorità rispetto ai migliori vetri, ai quali, come componente, non eede che parte delle sue qualità, giustificano le larghe sue applicazioni. Nell'industria chimica è usato nella fabbricazione di recipienti per la preparazione di forti acidi, per reazioni ad alte temperature (p. es., per clorare e carbonare mediante fosfogeni), per clorare il metano, per preriscaldare miscele ammoniacali nei processi di ossidazione dell'ammoniaca e per la purificazione dei gas. Di quarzo fuso si fanno certi apparecchi e recipienti da laboratorî di chimica. Nell'industria ottica è adoperato per: tubi da lampade a vapori di mercurio e di metalli; apparecchi per sterilizzare a raggi ultravioletti; tubi spettrali; specchi astronomici; prismi e lenti. Nell'industria elettrica è adoperato per: tubi protettori di coppie termoelettriche; lampade ad arco voltaico; corpi a irradiazione calorica; condensatori a piccole perdite dielettriche; materiale isolante. Nell'industria del gas, infine, è adoperata per: forni a tubo e a muffola; tubi d'assaggio; sfere e cilindri per luce a gas incandescente. (V. tavv. a colori).

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