Verhalen

Kwarts

Deze aflevering gaat over het mineraal [1] kwarts. Voor de moderne mens is kwarts misschien wel het belangrijkste mineraal dat er bestaat. Kwarts stond helemaal aan het begin van onze technologische ontwikkeling (zoals b.v. het ontwikkelen van betere, schonere, efficiëntere en zuinigere apparaten).

Vuursteen, een vorm van kwarts, was het materiaal waarvan onze voorouders al miljoenen jaren geleden werktuigen (zoals messen, hakbijlen, pijl- en speerpunten) maakten; maar ze konden er ook een vuurtje (denk aan ons vuursteentje in de aansteker) en glas mee maken. Ook in (kwarts)horloges, computer chips, lasers en zonnepanelen is kwarts een onmisbaar element. Gelukkig bestaat de aardkorst maar liefst voor 12% van uit dit mineraal, dus er is genoeg! Ook in Nederland is er genoeg, wanneer je over het strand loopt, loop je eigenlijk over een grote vlakte van kwartskorreltjes.

Wat is kwarts

Kwarts is een mineraal dat in verschillende hoedanigheden voorkomt. Bergkristal, amethist, melkkwarts, tijgeroog, agaat en vuursteen zijn allemaal voorbeelden van kwarts. Alle kwarts is opgebouwd uit een verbinding van silicium [2] en zuurstof (SiO2) en heeft dezelfde kristalstructuur. Kwarts kan doorzichtig zijn (zoals bij bergkristal), maar ook volledig ondoorzichtig (zoals bij zand- of vuursteen) en het kan bovendien vele verschillende kleuren hebben. Kwarts heeft een dusdanige hardheid, dat je daarmee glas en zelfs staal kan krassen. De hardheid van kwarts wordt dan ook benut in schuurmiddelen (zoals bij schuurpapier en de huishoudelijke schuurmiddelen Vim, Jif of Cim). Een andere bekende variant van kwarts is het paarse amethist [3], waarvan de naam is afgeleid van het Griekse woord Amethist wat “niet bedwelmend” betekent. De Grieken dachten dat dit mineraal dronkenschap zou verhelpen en zelfs tegen zou gaan.

 Kwarts

Ontstaan van kwarts en kwartsstof

Kwarts is ontstaan bij het afkoelen en stollen van het aardoppervlak, de zogenaamde aardkorst. Het is daarmee een belangrijk element bij de vorming van de meeste soorten natuursteen zoals: basalt, graniet, porfier en zandsteen [4]. Kwarts reageert nauwelijks op chemische en atmosferische invloeden en lost ook zeer moeilijk op in water. Dit betekent dat bij verwering en/of slijtage van gesteenten het aanwezige kwarts nauwelijks (is) oplost. Hierdoor is zand de meest voorkomende vorm van kwarts. De andere in de gesteente aanwezige mineralen (zoals natrium, kalium, aluminium, waterstof, ijzer, magnesium en calcium) zijn vaak niet meer of slechts beperkt aanwezig. Deze mineralen zijn door erosie vergaan of uitgespoeld tijdens het transport via rivieren vanuit de bergen naar Nederland. Het kwarts is dan nog niet vergaan, omdat het veel harder is en daardoor beter bestand tegen de slijtende werking van het riviertransport. Wanneer een laag zand steeds opnieuw bedolven worden onder nieuwe lagen en daardoor steeds dieper in de grond komt te liggen, neemt het gewicht en daarmee de druk op deze zandkorrels toe. Door die druk is het mogelijk dat de kwartskorrels op de plekken waar ze elkaar raken een beetje ‘smelten’. Hierdoor kitten alle korrels aan elkaar en ontstaat er Zandsteen. Zandsteen, zoals Bentheimer zandsteen, werd in Nederland veel gebruikt als bouwmateriaal, maar ook voor het vervaardigen van beeldhouwwerken. Voorbeelden hiervan zijn de St. Janskathedraal in 's-Hertogenbosch en de gevels van het Paleis op de Dam in Amsterdam. Sinds 1951 is het bewerken van Zandsteen in Nederland verboden, vanwege de grote hoeveelheid kwartsstof die bij het hakken vrijkomt. Dit veroorzaakt de (stof)longziekte silicose. Deze ziekte komt ook voor bij mijnwerkers, steenhouwers, en werknemers in gieterijen en in de keramische industrie. Omdat zand (en grind) ook in beton wordt gebruikt, is tegenwoordig het slijpen en/of zagen van betonnen producten (zoals vloeren, wanden, tegels of stenen) eveneens verboden, omdat ook hier schadelijke kwartsstoffen bij vrijkomen. De oplossing moet dan worden gezocht in het gebruik van een zaag met watertoevoer (het zgn. natzagen of natslijpen). Het zal duidelijk zijn dat ook “het zandstralen” om de dezelfde redenen al lange tijd verboden is.

Glas

Glas [5] is een mengsel van soda, zand en kalk, dat verhit wordt tot een materie die zo doorschijnend is als bergkristal. Glas is overigens net zo oud als de aardkorst. Het ontstaat bij zeer hoge temperaturen zoals vulkaanuitbarstingen, blikseminslag en mogelijk ook door inslagen van meteorieten. Een dergelijk in de natuur voorkomende vorm van glas wordt obsidiaan [6] genoemd en werd al in de steentijd door de mens bewust gezocht, bewerkt en gebruikt als werktuig en/of wapen.

Na het smelten van kwarts (bij ca. 1700°C) ontstaat kwartsglas. Net als bergkristal bestaat kwartsglas uit zuiver silica. Om zand te kunnen gebruiken bij de fabricage van glas, moet het smeltpunt aanzienlijk worden verlaagd tot ca. 700°C. Dit is lang een lastig probleem geweest. Achtereenvolgens zijn potas, glauberzout (natriumsulfaat) en soda gebruikt om het smeltpunt te verlagen. Het heldere glas stamt ongeveer uit 100 na Christus. In Syrië (destijds een onderdeel van het Romeinse rijk) had men een belangrijke uitvinding gedaan, namelijk het blazen van glazen voorwerpen met een holle blaaspijp. Met deze methode konden de glasblazers grotere hoeveelheden helder glas maken. Door de eeuwen heen werd de kwaliteit van het glas voortdurend verbeterd, mede door uitvindingen van de wetenschappers als Friedrich Siemens en Carl Zeis [7]. Dankzij de industriële revolutie aan het einde van de 19e eeuw, werd het mogelijk om glas, glasvezels en spiegels in grote massa's te produceren.

Kwartskristal

Een kwartskristal (ofwel bergkristal) heeft een bijzondere eigenschap: het is piëzo-elektrisch. Dat wil zeggen dat het een elektrische spanning afgeeft wanneer er druk op uitgeoefend wordt. In een elektrische aansteker zitten twee kleine kwartskristallen die tegen elkaar slaan wanneer het knopje van de aansteker wordt ingedrukt. Er ontstaat dan een vonk die het gas doet ontbranden.Piëzo–elektrisch: Kristal onder druk

De omgekeerde piëzo-elektrische eigenschap is bij een kwartskristal ook mogelijk en voor ons ook belangrijk. Dit houdt in dat het kristal na een elektrische impuls (met een batterij) een vervorming (in de vorm een stootkracht, signaal of trilling) veroorzaakt. Deze eigenschap wordt in klokken gebruikt. Er is namelijk een constant aantal trillingen van het kwartskristal per seconde nodig. Een kwartsklok kan daardoor zeer nauwkeurig de tijd aangeven. In de elektronica wordt een apparaat dat met behulp van elektriciteit en een kristal periodieke trillingen of signalen produceert een oscillator genoemd.

Oscillatoren zijn de bouwstenen voor de elektronica en worden dus toegepast in de TV, radio’s (kristal ontvangers), transformatoren, sensoren, microfoons, elektrische gitaren, printers, DVD en CD spelers, computers, laser en sonarapparatuur en niet op het laatst in zonnepanelen. Kortom, waar is op de dag van vandaag géén kwarts meer voor nodig. Gelukkig maar dat er dus voldoende zand op de wereld te vinden is; al was het maar om “zandzakken voor de deur te zetten”.

 Zoals gebruikelijk eindig ik met een Brabants spreekwoord:

 Deuze bas, die haolt ’t wit zaand uit de grond.

 Dit spreekwoord heef twee betekenissen te weten:

  1. Deze zanger heeft een diepe stem
  2. Deze baas haalt, voor zijn vrouw, het witte zand uit de grond om er ’s zondags de vloer in de goeie kamer mee te versieren (wit zand was immers zeldzamer dan zwarte grond).

 Ik wens jullie allemaal een prachtige herfst toe en let op voor stuifzanden.


[1] Een mineraal is een stof die vooral in gesteenten (zgn. anorganisch materiaal) voorkomt en welke niet van planten of dieren (zgn. organisch materiaal) afkomstig is.

[2] Het woord silicium komt van het Latijnse woord Silex dat “vuursteen” betekent. In het Nederlands kunnen we voor silicium ook het woord “kiezel“ gebruiken.

[3] Volgens de kennis over (edel)stenen m.b.t. de werking van het menselijk lichaam zou amethist het concentratievermogen verbeteren en helpen tegen hoofdpijnen, migraine, spanningen en ontstaan van stress. Ook zou amethist gebruikt kunnen worden tegen de gevolgen van woede-uitbraken, hysterie, stotteren en epilepsie.

[4] Zandsteen (ook wel Areniet genoemd) is een afzettingsgesteente dat voornamelijk bestaat uit zandkorrels. Gelijk met zandkorrels worden ook klei, kalk, grind, glimmers, veldspaat en andere fragmenten van gesteente afgezet. Door verwering verkleurt een van oorsprong geelbruine zandsteen naar grijs. Na het optreden van bepaalde scheikundige verbindingen (oxides) en andere mineralen kan zandsteen verkleuren varianten in groengeel en bruinrood.

[5] Glas is iets anders dan keramiek. Keramiek (aardewerk, porselein) wordt gemaakt met klei als grondstof.

[6] De naam obsidiaan is afgeleid van een Romein die Obsius heette en die in de Oudheid een op obsidiaan lijkende steen zou hebben gevonden in Ethiopië.

[7] Carl Zeiss (1816-1888) was een Duitse constructeur van lenzen, die bekend geworden is door het door hem opgerichte bedrijf (Zeiss Ikon) en door enkele verbeteringen bij de productie van lenzen en objectieven. Zijn eerste lenzen waren bedoeld voor microscopen, maar toen de fotocamera verscheen, fabriceerde het bedrijf daar ook objectieven voor. Een andere belangrijke Duitse producent van hoogwaardige optische apparatuur is Leica.