Thạch anh (silicon dioxide, SiO2) là một trong số những khoáng vật phổ biến nhất trên Trái Đất. Nó được cấu tạo bởi một mạng liên tục các tứ diện SiO4, trong đó mỗi nguyên tử O chia sẻ giữa hai tứ diện nên nó có công thức chung là SiO2.
Hình 12 – Cát thạch anh
Ba dạng tinh thể của silicon dioxid ở áp suất thường là thạch anh, tridymite và cristobalite. Mỗi một dạng đa hình này lại có hai dạng: Dạng α bền ở nhiệt độ thấp và dạng β bền ở nhiệt độ cao. Dưới đây là sơ đồ biến đổi các dạng tinh thể của silicon dioxide:
Hình 13 – Sơ đồ biến đổi thù hình của SiO2
Tất cả những dạng tinh thể này đều bao gồm những nhóm tứ diện SiO4 nối với nhau qua những nguyên tử O chung. Trong tứ diện SiO4, những nguyên tử Si nằm ở tâm của tứ diện liên kết cộng hóa trị với bốn nguyên tử O nằm ở các đỉnh của tứ diện. Như vậy mỗi nguyên tử O liên kết với hai nguyên tử Si ở hai tứ diện khác nhau và tính trung bình cứ trên một nguyên tử Si có hai nguyên tử O và công thức kinh nghiệm của silicon dioxide là SiO2.
Ba dạng đa hình của silicon dioxide có cách sắp xếp khác nhau của các nhóm tứ diện SiO4 ở trong tinh thể. Trong thạch anh, những nhóm tứ diện được sắp xếp sao cho các nguyên tử Si nằm trên một đường xoắn ốc. Nếu chiếu kiến trúc tinh thể của thạch anh β lên trên mặt phẳng đáy của đường xoắn ốc thì được hình dưới đây:
Tùy theo chiều của đường xoắn ốc đó mà có thạch anh quay trái và thạch anh quay phải. Còn trong tridymite, các nguyên tử Si chiếm vị trí của các nguyên tử S và Zn trong mạng wurzite và trong cristobalite, các nguyên tử Si chiếm vị trí của các nguyên tử S và Zn trong mạng lưới sphalerite; liên kết giữa các nguyên tử Si với nhau đều được thực hiện qua nguyên tử O.
Hình 15 – Cấu trúc mạng tinh thể β-tridymite
Hình 16 – Cấu trúc mạng tinh thể β-cristobalite
Tỉ khối của thạch anh là 2,56, của tridymite là 2,3 và của cristobalite là 2,2. Sự khác nhau giữa dạng α và dạng β của mỗi dạng đa hình đó là do sự quay một ít của các tứ diện đối với nhau nhưng cách sắp xếp chung của các tứ diện không biến đổi. Do vậy chúng ta có thể hiểu dễ dàng tại sao sự biến đổi giữa các dạng α và β xảy ra nhanh chóng và ở nhiệt độ thấp hơn so với sự biến đổi từ dạng đa hình này sang dạng đa hình
kia: trường hợp thứ nhất không đòi hỏi sự phá vỡ liên kết còn trường hợp thứ hai đòi hỏi sự phá vỡ và xây dựng lại tất cả liên kết. Vì quá trình biến đổi dạng đa hình này sang dạng đa hình khác của silicon dioxide xảy ra chậm và cần năng lượng hoạt hóa cao cho nên thạch anh, tridymite và cristobalite đều tồn tại trong thiên nhiên mặc dù ở nhiệt độ thường chỉ có thạch anh là bền nhất và các dạng khác chỉ là bền giả.
Gần đây người ta chế tạo được hai dạng tinh thể mới của silicon dioxide thạch anh là coesite (được tạo nên ở áp suất 35.000 atm và nhiệt độ 250°C) và stishovite (được tạo nên ở áp suất 120.000 atm và nhiệt độ 1300°C). Hai dạng này về sau mới được phát hiện ở các thiên thạch. Khi đun nóng ở 1200°C (coesite) và 400°C (stishovite), chúng biến thành silicon dioxide dạng bình thường.
Khi để nguội chậm silicon dioxide đã nóng chảy hoặc đun nóng bất kì dạng nào của silicon dioxide đến nhiệt độ hóa mềm, thu được một vật liệu vô định hình giống như thủy tinh. Những vật liệu dạng thủy tinh như vậy, về một số mặt giống với chất rắn và về một số mặt khác giống với chất lỏng. Ở nhiệt độ khá thấp, chẳng hạn như ở nhiệt độ thường, vật liệu dạng thủy tinh tạo nên khối rắn có hình dạng xác định, đôi khi có độ bền cơ học cao, độ cứng lớn,… Nhưng ở nhiệt độ cao hơn, vật liệu dạng thủy tinh có tính chất giống như một chất lỏng chậm đông có độ nhớt rất lớn. Khác với dạng tinh thể, chất dạng thủy tinh có tính đẳng hướng và không nóng chảy ở nhiệt độ không đổi mà hóa mềm ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với khi chảy lỏng ra. Bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, người ta xác định được rằng trong trạng thái thủy tinh, mỗi nguyên tử vẫn được bao quanh bởi những nguyên tử khác giống như trong trạng thái tinh thể nhưng những nguyên tử đó sắp xếp một cách hỗn loạn hơn. Một ví dụ cụ thể đã gặp trước đây là trường hợp của B2O3. Một số chất khác cũng cho trạng thái thủy tinh là selenium, lưu huỳnh dẻo, beryllium fluoride, germanium dioxide, calcium silicate (CaSiO3), chì silicate (PbSiO3), lithium metaborate (Li2B2O4), sodium tetraborate (Na2B4O7) và cadmium diphotphate (Cd2P2O7).
Thạch anh nóng chảy ở 1600-1670°C. Nhiệt độ nóng chảy của nó không thể xác định chính xác được vì có một phần biến hóa sang những dạng đa hình khác với tỉ lệ khác nhau tùy theo điều kiện bên ngoài. Cristobalite nóng chảy ở 1710°C. Nhiệt độ sôi của silicon dioxide là 2230°C.
Thạch anh thuộc loại khoáng hết sức phổ biến. Người ta thường gặp những tinh thể thạch anh lớn và phát triển rất hoàn hảo. Có tinh thể nặng đến 70 tấn. Tinh thể thạch anh tinh khiết nhất được làm lăng kính và thấu kính. Đá quaczit và cát là loại thạch anh kém tinh khiết hơn. Cát thạch anh là sản phẩm chủ yếu của sự phân hủy nham thạch dưới tác dụng lâu đời của khí CO2 và nước. Lượng cát rất lớn được dùng làm vật liệu xây dựng cùng với vôi và xi măng. Cát thạch anh tinh khiết được dùng để chế thủy tinh, sứ. Dọc theo bờ biển miền Trung nước ta có rất nhiều loại cát trắng này để nấu thủy tinh.