石英

石英はシリカ（二酸化ケイ素）からなる硬質の鉱物です。その原子は_SiO₄ケイ素-酸素四面体の連続的な骨格構造で結合しており、各酸素原子は₂つの四面体間で共有されているため、全体の化学式はSiO₂となります。したがって、石英は構造的には骨格ケイ酸塩鉱物、組成的には酸化物鉱物に分類されます。石英は地球の岩石圏で2番目に多い鉱物または鉱物群であり、質量比で約12%を占めています。

石英には、通常のα-石英と高温のβ-石英の2種類があり、どちらもキラル構造を持つ。α-石英からβ-石英への相転移は、 573 ℃（846K 、1,063 °F）で急激に起こる。この相転移は体積の大幅な変化を伴うため、この温度閾値を超えるセラミックや岩石に微細な亀裂を容易に引き起こす可能性がある。   

石英には様々な種類があり、そのうちのいくつかは宝石として分類されています。古代から、石英の様々な種類は、特にヨーロッパやアジアにおいて、宝飾品や石彫刻の製作に最も一般的に使用されてきた鉱物です。

石英は、モース硬度スケールにおいて7という値を示す鉱物であり、モース硬度スケールは、物質の硬度を判定するための定性的な引っ掻き試験法である。

クォーツという言葉は、ドイツ語のQuarzに由来し^{[ 10 ]}、14 世紀前半の中高ドイツ語と東中部ドイツ語で同じ形をしており^{[ 11 ]} 、ポーランド語の方言kwardyに由来し、チェコ語のtvrdý (「硬い」)に相当します^{[ 12 ]} 。しかし、一部の資料では、この言葉の起源はザクセン語のQuerkluftertz (「横脈鉱石」を意味する)に帰しています^{[ 13 ] [ 14 ] 。}

古代ギリシア人は石英をκρύσταλλος（クルスタロス）と呼び、 「結晶」を意味した。これは古代ギリシア語のκρύος（クルオス）、「氷のように冷たい」に由来する。なぜなら、一部の哲学者（テオフラストスを含む）は、この鉱物を過冷却氷の一種だと考えていたからである。^{[ 14 ]}今日では、ロッククリスタルという用語は、透明で粗い結晶質の石英の別名として使われることがある。^{[ 15 ] [ 16 ]： 205}

ローマの博物学者プリニウスは、石英は長い年月を経て永久に凍結した氷であると信じていた。^{[ 17 ]}彼は、石英はアルプスの氷河付近で見られるが、温暖な気候では見られないことを根拠にこの考えを支持した。この考えは少なくとも17世紀まで続いた。^{[ 18 ]}

17世紀、ニコラウス・ステノによる石英の研究は、近代結晶学への道を開いた。彼は、石英結晶の大きさや形状に関わらず、その長いプリズム面が常に完璧な60°の角度で交わることを発見し、それによって界面角の不変性の法則を確立した。^{[ 19 ]}

α-石英の結晶構造（赤い球は酸素、灰色の球はケイ素）

β-石英の結晶構造

α-石英のキラルペア

石英は温度と圧力によって 2 つの異なる多形として形成されます。α-石英（低石英または通常石英とも呼ばれる）とβ-石英（石英ベータまたは高石英とも呼ばれる）です。α-石英は三方晶系で結晶化するのに対し、β-石英は対称性が高く、六方晶系で結晶化します。α-石英から β-石英への相転移は、常圧下で573 °C (1,063 °F; 846 K)で急激に起こります。相転移温度は、圧力が高いほど高くなります。β-石英は室温では不安定であるため、室温では、どの多形として形成されたかに関わらず、すべての石英は α-石英です。^{[ 20 ]}   

石英の2つの多形は、キラリティに応じて2つの異なる空間群で出現する可能性がある。転移温度を超えると、 P 3 ₁ 21 (空間群 152)のα-石英はP 6 ₄ 22 (空間群 181) のβ-石英になり、P 3 _{2 21 (空間群 154) のα-石英は}P 6 ₂ 22 (空間群 180)のβ-石英になる。 ^{[ 21 ]}

これらの空間群は真にキラルである（それぞれが11個の鏡像異性体ペアに属する）。α-石英とβ-石英はどちらも、非キラルな構成要素（この場合はSiO4_四面体）からなるキラル結晶構造の例である。α-石英とβ-石英の間の変換は、四面体が互いに比較的わずかに回転するだけで、それらの結合方法は変化しない。^{[ 9 ] [ 16 ]： 201}しかし、この遷移中に体積が大きく変化するため、^{[ 22 ]}焼成中のセラミックス、^{[ 23 ]}火災後の装飾石、 ^{[ 24 ]}および高温にさらされた地殻の岩石^{[ 25 ]}に大きな微細亀裂が生じ、石英を含む材料が損傷し、物理的および機械的特性が劣化する可能性がある。

石英の理想的な結晶形は、両端に六角錐状の菱面体を持つ六角柱である。自然界では、石英結晶はしばしば双晶（右巻きと左巻きの双晶）を形成したり、歪んだり、隣接する石英や他の鉱物の結晶と混生したりして、この形状の一部しか示さなかったり、あるいは明瞭な結晶面を全く持たず塊状に見えることがある。^{[ 9 ] [ 16 ]： 202-204}

整った結晶は通常、晶洞（空隙を覆う結晶の層）として形成され、石英晶洞はその特に優れた例である。^{[ 26 ]}結晶は片端が周囲の岩石に付着しており、終端ピラミッドは1つだけ存在する。しかし、両端が終端した結晶は、例えば石膏の中など、付着せずに自由に発達する場所でも見られる。^{[ 27 ]}

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  一般的な柱状石英
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  笏付き水晶
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  笏石英（集合体として：「エレスチャル石英」）
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  両錐体石英
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  テッシンまたはテーパードクォーツ
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  双晶石英（日本法として知られる）
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  ドーフィンクォーツ（単一の主要面）
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  「ハーキマーダイヤモンド」
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  晶洞石英
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  粒状石英
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  巨大な石英

純粋な水晶は、伝統的にロッククリスタルまたはクリアクォーツと呼ばれ、無色透明または半透明です。色のついた水晶は一般的で、シトリン、ローズクォーツ、アメジスト、スモーキークォーツ、ミルキークォーツなどがあります。^{[ 28 ]}これらの色の違いは、分子軌道を変化させる不純物の存在によって生じ、可視スペクトルでいくつかの電子遷移が起こり、色のついた光が放出されます。

石英の変種は、以前は個々の結晶の視認性に基づいて 3 つのカテゴリーに分類されていました。巨視的結晶質の石英は、肉眼で見える個々の結晶を持ちます (巨視的)。微視的結晶質の石英は、顕微鏡でしか見ることができない小さな結晶の集合体です (微視的)。隠微結晶質の石英は、光学顕微鏡でも見えないほど小さな結晶の集合体です(超微視的)。^{[ 29 ]}現在では、微視的結晶質と隠微結晶質の変種はまとめて玉髄と呼ばれています。^{[ 29 ] [ 30 ]}しかし、科学文献では、玉髄は、石英とその単斜晶系多形であるモガナイトの両方の微細な共生からなる特定の形態のシリカです。^{[ 31 ] [ 30 ]}玉髄は一般的に半透明から不透明ですが、巨視的結晶質の石英はより透明になる傾向があります。^{[ 32 ] [ 29 ]}色は隠微結晶質の変種の二次的な識別子であり、巨視結晶質の変種の一次的な識別子である。^{[ 32 ]}

石英結晶は圧電特性を持ち、機械的応力を加えると電位を発生します。^{[ 59 ]}石英の圧電特性は、1880 年にジャックとピエール・キュリーによって発見されました。 ^{[ 60 ] [ 61 ]}

石英は地球の岩石圏で2番目に豊富な鉱物または鉱物群です。質量で見ると、長石群が岩石圏の41%を占め、次いで石英が12%、輝石群が11%となっています。^{[ 62 ]}石英は花崗岩やその他の珪長質火成岩の主要構成鉱物です。砂岩や頁岩などの堆積岩に非常に多く含まれています。片岩、片麻岩、珪岩、その他の変成岩の一般的な構成鉱物です。^{[ 9 ]}石英はゴールディッチ溶解系列の中で風化の可能性が最も低く、そのため河川堆積物や残積土の残留鉱物として非常に多く存在します。一般的に、石英の存在量が多いということは「成熟した」岩石を示唆しています。これは、岩石が激しく再加工され、石英が激しい風化に耐えた主要な鉱物であったことを示しているからです。^{[ 63 ]}

石英の大部分は溶融マグマから結晶化するが、石英は高温の熱水脈から脈石として化学的に沈殿することもあり、その際には金、銀、銅などの鉱石鉱物が伴うこともある。大きな石英の結晶はマグマ性ペグマタイト中に見られる。^{[ 9 ]}よく発達した結晶は長さが数メートル、重さが数百キログラムに達することもある。^{[ 64 ]}

記録されている最大の単結晶石英は、ブラジルのゴイアス州イタポレ近郊で発見されました。大きさは約6.1m × 1.5m × 1.5m （20フィート× 5フィート× 5フィート）で、重さは39,900kg （88,000ポンド）以上でした。^{[ 65 ]}            

石英は露天掘り鉱山から採掘される。鉱夫は時折爆薬を使って深い石英の鉱脈を露出させる。より頻繁には、ブルドーザーやバックホーを使って土や粘土を取り除き、石英脈を露出させ、その後手工具で採掘する。結晶を損傷する可能性があるため、急激な温度変化を避けるよう注意しなければならない。^{[ 66 ] [ 67 ]}

トリディマイトとクリストバライトは、高シリカ火山岩中に存在する高温多形SiO₂です。コーサイトは_、隕石衝突地点や、地殻の典型的な圧力よりも高い圧力で形成された変成岩中に見られる、より密度の高いSiO₂の多形です。_スティショバイトは、隕石衝突地点中に見られる、さらに密度が高く高圧のSiO₂の多形_です。 ^{[ 16 ]： 201–202}モガナイトは単斜晶系の多形です。ルシャトリエライトは、石英砂に落雷によって形成される非晶質シリカガラスSiO₂です_。^{[ 69 ]}

石英はシリカの一種であるため、さまざまな職場で懸念される可能性があります。天然石や人工石製品の切断、研削、削り出し、研磨、穴あけ、磨き上げを行うと、作業員が呼吸する空気中に非常に小さな結晶性シリカ粉塵粒子が危険なレベルで放出される可能性があります。^{[ 70 ]}呼吸可能なサイズの結晶性シリカは、ヒトの発がん性物質として認識されており、珪肺症や肺線維症などの他の肺疾患を引き起こす可能性があります。^{[ 71 ] [ 72 ]}

すべての種類の石英が自然に存在するわけではありません。透明な石英結晶の中には、加熱またはガンマ線照射によって処理され、自然には生じない色を誘発できるものがあります。このような処理に対する感受性は、石英が採掘された場所によって異なります。^{[ 73 ]}オリーブ色のプラシオライトは、熱処理によって生成されます。^{[ 74 ]}天然のプラシオライトは、ポーランドの下シレジアでも観察されています。^{[ 75 ]}シトリンは自然に存在しますが、その大部分はアメジストまたはスモーキークォーツを熱処理した結果です。^{[ 74 ]}カーネリアンは、先史時代から色を濃くするために熱処理されてきました。^{[ 76 ]}天然の石英は双晶であることが多いため、工業用に合成石英が製造されています。大きくて欠陥のない単結晶は、オートクレーブで水熱法によって合成されます。^{[ 77 ] [ 9 ] [ 78 ] [ 79 ]}他の結晶と同様に、石英は金属蒸気でコーティングされて魅力的な光沢を与えられることがある。^{[ 80 ] [ 81 ]}

石英は、オーストラリア先住民の神話において神秘的な物質マバンとして最もよく知られている物質です。ヨーロッパの通路墓墓地では、ニューグレンジやアイルランドのキャロウモアなど、埋葬の文脈で定期的に発見されています。石英は、先史時代のアイルランドや他の多くの国々でも石器に使用されていました。脈状石英と水晶の両方が、先史時代の人々の石器技術の一部として加工されていました。^{[ 82 ]}

翡翠は、古代から東アジアやコロンブス以前のアメリカ大陸で彫刻に最も重宝された半貴石であったが、ヨーロッパや中東では、彫刻された宝石やカメオ宝石、水晶の花瓶、豪華な器など、さまざまな種類の宝飾品や硬石彫刻に、さまざまな種類の水晶が最も一般的に使用されていた。この伝統は、19世紀半ばまで非常に価値の高い品々を生み出し続けたが、その後、宝飾品を除いて、ほとんど流行から外れた。カメオ技法は、オニキスやその他の種類の色の縞模様を利用する。

石英の合成の試みは、19 世紀半ばに科学者たちが自然界で鉱物が形成される条件を模倣した実験室条件下で鉱物を作り出そうとしたことから始まった。ドイツの地質学者カール・エミール・フォン・シャフホイトル(1803–1890) は、1845 年に圧力鍋で微細な石英結晶を作り出し、石英を合成した最初の人物となった。^{[ 83 ]}しかし、これらの初期の試みで作られた結晶の品質とサイズは劣悪だった。^{[ 84 ]}

元素不純物の混入は、石英の加工および利用能力に大きく影響します。半導体産業でシリコンウェハにスライスされる完全な大型シリコンインゴットを成長させるのに使用されるるつぼやその他の装置に必要な、極めて高純度の天然石英結晶は高価で希少です。これらの高純度石英は、不純物元素が50 ppm未満であると定義されています。^{[ 85 ]}高純度石英の主要な採掘場所は、米国ノースカロライナ州スプルースパインにあるスプルースパイン鉱山地区です。 ^{[ 86 ]}石英は、スペインのアストゥリアスにあるカルドベイロピークでも見つかることがあります。^{[ 87 ]}

1930年代までに、電子産業は水晶に依存するようになっていた。適切な水晶の唯一の供給源はブラジルであったが、第二次世界大戦によりブラジルからの供給が途絶えたため、各国は商業規模で水晶を合成しようと試みた。ドイツの鉱物学者リヒャルト・ナッケン（1884～1971）は、1930年代と1940年代に一定の成功を収めた。^{[ 88 ]}戦後、多くの研究所が大型水晶の成長を試みた。米国では、米陸軍通信隊がベル研究所とオハイオ州クリーブランドのブラッシュ・デベロップメント社と契約し、ナッケンの先例に従って水晶を合成した。 ^{[ 89 ] [ 90 ]}（第二次世界大戦前、ブラッシュ・デベロップメント社はレコードプレーヤー用の圧電結晶を製造していた。）1948年までに、ブラッシュ・デベロップメント社は 直径1.5インチ（3.8cm）の水晶を成長させた。これは当時最大のものであった。^{[ 91 ] [ 92 ]} 1950年代までに、水熱合成技術によって工業規模で合成水晶が生産されるようになり、今日では現代の電子産業で使用される水晶のほぼすべてが合成水晶である。^{[ 79 ]}

水晶の圧電性の初期の利用例の一つは、蓄音機のピックアップでした。今日、水晶の最も一般的な圧電利用例の一つは、水晶発振器です。水晶発振器または共振器とも呼ばれ、1921年にウォルター・ガイトン・キャディによって初めて開発されました。 ^{[ 93 ] [ 94 ]}ジョージ・ワシントン・ピアースは1923年に水晶発振器を設計し、特許を取得しました。 ^{[ 95 ] [ 96 ] [ 97 ]}水晶時計は、この鉱物を使用したよく知られた装置です。これは、水晶発振器を時間の基準として使用する時計です。ウォーレン・マリソンは、1927年にキャディとピアースの研究に基づいて最初の水晶発振器時計を作成しました。^{[ 98 ]}水晶発振器の共振周波数は、機械的に負荷をかけることで変化し、この原理は水晶マイクロバランスや薄膜厚さモニターで非常に小さな質量変化を非常に正確に測定するために使用されています。^{[ 99 ]}

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  16世紀後半のミラノ工房作、カットされた花飾りが施されたロッククリスタルの水差し、ワルシャワ国立博物館所蔵。ミラノは、プラハやフィレンツェと並んで、ルネサンス期のクリスタルカットの中心地であった。^{[ 100 ]}
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  1959年にウェスタン・エレクトリック社のパイロット水熱石英製造プラントで使用されたオートクレーブで製造された合成石英結晶。
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  ファーティマ朝時代の彫刻が施された水晶（透明水晶）製の水差し、金の蓋付き、紀元1000年頃

（主に電子機器に使用される）水晶の産業需要のほぼすべては、水熱法によって製造された合成水晶で満たされている。しかし、合成水晶は宝石としての価値は低い。^{[ 101 ]}水晶ヒーリングの人気が高まったことで天然水晶の需要が増加し、現在では発展途上国で原始的な採掘方法を用いて採掘されることが多く、児童労働が伴う場合もある。^{[ 102 ]}

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• 石英の種類、特性、結晶形態。写真とイラスト。
• ギルバート・ハート、「シリカの命名法」、アメリカ鉱物学者、第12巻、383～395ページ、1927年
• 「クォーツ時計 ― 発明者たち」 。スミソニアン博物館国立アメリカ歴史博物館レメルソンセンター。 2009年1月7日にオリジナルからアーカイブ済み。
• 発振器として使用される水晶の特性を説明するために用いられる用語
• 石英は先史時代の石器の原材料​​として使用されていた。