Quartzo - . QUARTZO_versão02... · 682 Quartzo efeitos ópticos não lineares. Na década de 1980,

download Quartzo - . QUARTZO_versão02... · 682 Quartzo efeitos ópticos não lineares. Na década de 1980,

of 41

  • date post

    25-Nov-2018
  • Category

    Documents

  • view

    217
  • download

    0

Embed Size (px)

Transcript of Quartzo - . QUARTZO_versão02... · 682 Quartzo efeitos ópticos não lineares. Na década de 1980,

  • CAPTULO 31

    Quartzo

    Pedro Luiz Guzzo1

    1. INTRODUO

    A fase estvel da slica (SiO2) temperatura ambiente, conhecida como quartzo-, um dos minerais mais abundantes da crosta terrestre, cerca de 12% (Frondel, 1962). Ela ocorre na composio de rochas magmticas, sedimentares e metamrficas, na forma monocristalina (quartzo hialino, ametista, citrino, etc.), na forma policristalina (quartzito, calcednia e gata) e amorfa (opala). O quartzo- ocupa posio de destaque na geologia estrutural e na mineralogia. Por exemplo, a microestrutura dos quartzitos e o comportamento do quartzo- a presses e temperaturas elevadas so importantes para a compreenso dos mecanismos de deformaes plstica da crosta terrestre (Wenk, 1994). Recentemente, a transio de fase do quartzo- a 573oC permitiu, com auxlio de reflexes ssmicas, a estimativa da temperatura em regies do Tibet Central compreendidas entre 18 e 32 km de profundidade (Mechie et al., 2004).

    O papel do quartzo- no se restringe s cincias da terra. Observando cristais naturais, Steno (1638-1686) e Rom de l'Isle (1736-1790) deram as pistas sobre a lei da constncia de ngulos entre faces cristalinas permitindo que, mais tarde, Hauy (1743-1822) e Bravais (1811-1863) lanassem as bases da cristalografia geomtrica. Devido abundncia de cristais com alto grau de perfeio cristalina, o quartzo- foi o meio pelo qual vrios fenmenos fsicos foram descobertos. A piroeletricidade foi descoberta em 1824 por Brewster e os efeitos piezeltrico direto e inverso foram descobertos pelos irmos Pierre e Jacques Curie em 1880 e 1881. A moderna sntese hidrotrmica teve origem nos estudos de Spezia (1842-1912) sobre a dissoluo do quartzo natural a altas presses. Em 1932, aquilo que mais tarde passou a ser conhecido como efeito ferrobielstico, foi descoberto por Zinserling em ensaios de indentao em planos cristalinos do quartzo. Durante a primeira metade do sculo XX, os espalhamentos Brilloin e Raman foram descobertos no quartzo assim como

    1Engo Mecnico/UFU (1988); M.Sc. em Engenharia Mecnica (Materiais e Processos) /UNICAMP (1992); Doc. Sci. Ing. (Cristalografia Aplicada) - Universit de Franche-Comt, Frana (1996); Professor Adjunto do Departamento de Engenharia de Minas, UFPE (2004).

  • Quartzo 682

    efeitos pticos no lineares. Na dcada de 1980, a existncia de fases intermedirias em cristais dieltricos, caracterizadas por modulaes incomensurveis e previstas na teoria de Landau-Lifshitz da transio de fase de primeira ordem, foi muito investigada em cristais de quartzo- (Dolino, 1990). Na mesma poca, a luminescncia opticamente estimulada tambm foi descoberta usando o quartzo- (Huntley et al., 1985).

    O quartzo- tambm um material muito importante para vrias aplicaes industriais. A primeira delas consiste no emprego de areias e quartzitos como agregados para a construo civil. Em segundo lugar, o quartzo- usado, em graus de pureza variados, na produo de tintas, esmaltes, porcelanas, louas sanitrias, vidros convencionais e slica vtrea para a produo de prismas, filtros, lentes e fibras pticas. Por fim, o quartzo- o material mais utilizado para a produo de dispositivos piezeltricos para medidas de grandezas fsicas por meio do monitoramento da freqncia de ressonncia no domnio dos ultra-sons (Brice, 1985). Esta hegemonia deve-se s notveis propriedades fsicas e disponibilidade de cristais naturais com alto grau de perfeio cristalina. Cabe ressaltar que as ocorrncias de quartzo natural existente no Brasil ocupam papel de destaque no suprimento deste insumo para diversos segmentos da indstria mundial. Aps o silcio, o quartzo- o material mais empregado na indstria eletrnica.

    Neste captulo, buscar-se- resgatar a importncia desse recurso natural. Inicialmente, sero apresentadas as caractersticas estruturais e as propriedades fsicas do quartzo- para permitir que o leitor compreenda a origem dos efeitos diretamente associados s aplicaes tecnolgicas. Em seguida, ainda no item 2, ser feita uma descrio das principais ocorrncias geolgicas do quartzo- no Brasil. J o item 3 tratar da lavra e processamento do quartzo natural. No item 4, os recursos de quartzo natural sero considerados para a produo de quartzo cultivado e silcio grau metalrgico; este ltimo destinado fabricao de fibras pticas e silcio grau semicondutor. As especificaes industriais para tais aplicaes sero tratadas no item seguinte. Por fim, sero considerados provveis materiais alternativos aos insumos de quartzo natural e quartzo cultivado.

  • Rochas e Minerais Industriais CETEM/2008, 2a Edio 683

    2. MINERALOGIA E GEOLOGIA

    Diversos livros-texto, sobretudo em lngua inglesa, descrevem a estrutura e as propriedades das fases alotrpicas da slica. Frondel (1962) e Heaney e Prewitt (1994) so alguns exemplos. Neste captulo, nos concentraremos exclusivamente na fase por ser a mais abundante e a mais importante do ponto de vista das aplicaes industriais. A descrio dos caracteres fsicos externos do quartzo- como hbito, brilho, cor e as variaes morfolgicas decorrentes das condies de crescimento, assim como as possveis leis de geminao, no sero abordadas neste texto. Para tais assuntos recomendamos que o leitor se dirija aos livros-texto de Frondel (1962), Rykart (1995) ou Sunagawa (2005). Nosso objetivo aqui apresentar a estrutura cristalina e as propriedades fsicas mais relevantes do quartzo- (doravante a denominao poder ser omitida) e, em seguida, descrever a geologia dos depsitos de quartzo no territrio brasileiro.

    Simetria e Estrutura

    O quartzo- tem hbito prismtico piramidal, pertence ao sistema trigonal e sua classe de simetria cristalina a 32. A ausncia de planos e centro de simetria faz com que os cristais desta classe sejam enantiomorfos, i.e, suas imagens especulares no se sobrepem. Por esse motivo, encontram-se cristais ditos direito e esquerdo. Eles diferem tanto em relao morfologia externa (Figura 1) quanto no que diz respeito ao sentido de rotao (direito ou esquerdo) das molculas SiO4 e da luz polarizada em torno do eixo cristalogrfico c da cela unitria. Quando ocorre o intercrescimento de cristais direito e esquerdo, diz-se que o cristal possui a geminao (ou macla) que segue a lei do Brasil, formando uma estrutura de domnios que esto simetricamente relacionados por um plano de simetria paralelo ao plano cristalogrfico (11 2 0).

    O eixo c de ordem 3 (trigonal) e corresponde direo de maior simetria da cela unitria. Perpendiculares a ele, tm-se trs eixos polares de ordem 2 (a1, a2 e a3) separados de 120

    o. A Figura 1(c) mostra as projees dos tomos de Si e O no plano perpendicular ao eixo de ordem 3. A cela unitria do quartzo- possui trs tomos de silcio e seis de oxignio. Os ons Si4+ tem coordenao tetradrica, ou seja, eles ocupam os centros dos tetraedros cujos vrtices so ocupados pelos ons O2-. A coeso no interior do tetraedro garantida por foras interatmicas de natureza eletrosttica, entre os ons Si4+ e O2- adjacentes. J a coeso entre tetraedros se d pela ao de ligaes covalentes. Dessas interaes, resulta que as ligaes Si-O tm carter misto,

  • Quartzo 684

    sendo 40% inica e 60% covalente. Os parmetros da cela unitria temperatura ambiente so a = 4.913 e c = 5.405.

    Na Figura 1(c) ilustra-se estrutura aberta do quartzo , ou seja, espaos vazios, da ordem de 1 de dimetro, formam canais ao longo do eixo c. Canais de menor dimetro ocorrem segundo os eixos a. Por conseguinte, sua estrutura pode acolher ons intersticiais, como H+, Li+ e Na+, sem provocar grandes distores nos tomos vizinhos. Graas a esses canais possvel fazer com que impurezas intersticiais sejam removidas (ou substitudas) mediante aplicao de um intenso campo eltrico aproximadamente 500oC, segundo as direes c e a. Este procedimento conhecido como sweeping, utilizado em escala industrial para produzir quartzo cultivado (Martin, 1987).

    Figura 1 Quartzo- direito (a) e esquerdo (b) com os eixos ortogonais definidos de acordo com a norma IRE (1949) e projeo das posies

    atmicas no plano basal (0001) (c).

    Por possuir poucos elementos de simetria, as propriedades fsicas do quartzo- dependem fortemente da orientao cristalogrfica. Um tratamento rigoroso de suas propriedades em funo da orientao s pode ser efetuado utilizando a notao tensorial (Nye, 1985). No campo da piezeletricidade, as propriedades dos cristais so fornecidas em funo de um sistema de coordenadas ortogonais (X1, X2, X3 ou ainda X, Y, Z). Segundo a norma IRE (1949), o eixo X3 (ou eixo Z) coincide com o eixo cristalogrfico c, posicionado no centro de um dos canais. Seu sentido arbitrrio, pois se trata de uma direo no polar. O eixo X1 coincide com uma das direes polares a cujo sentido, para o cristal direito, aquele onde aparecem cargas eltricas negativas quando uma tenso mecnica de trao aplicada naquela direo. A direo

  • Rochas e Minerais Industriais CETEM/2008, 2a Edio 685

    X2 normal ao plano formado por X1 e X3 e seu sentido determinado por X3 x X1. Na Figura 1 ilustra-se o sistema de coordenadas X1,X2,X3 sobreposto s direes cristalogrficas dos cristais direito e esquerdo. Na indstria, a orientao dos planos cristalogrficos (ou cortes) feita partindo-se de uma placa perpendicular a X2 (placa Y) e ento girada no sentido anti-horrio dos ngulos e , em torno de X3 e X1, respectivamente.

    Propriedades Elsticas, Eltricas, Mecnicas e pticas

    Alm da piezeletricidade, as propriedades fsicas mais relevantes do quartzo so as elsticas e pticas. Por exemplo, a hegemonia do ressonador a quartzo decorre da estabilidade e linearidade de suas propriedades elsticas em funo da temperatura, enquanto que sua aplicao na indstria de dispositivos pticos deve-se sua transmitncia em uma ampla faixa do espectro eletromagntico.

    As propriedades elsticas do quartzo correspondem a um conjunto de sei