Jurnal Ilmiah MTG, Vol. 5, No. 1, Januari 2012
KRISTALOGRAFI DAN MINERALOGI KUARSA
Desi Trisnawati Barmawi Mahasiswa Magister teknik Geologi UPN “ Veteran “ Yogyakarta
ABSTRACT Crystallography the quartz is characterized by crystal system trigonal and hexagonal trapezohedral, where quartz trigonal trapezohedral trapezium-shaped area enclosed by six horizontal axes a1, a2, a3 form an angle of 120° perpendicular to c axis forming an angle of 90 °. Crystal symmetry Herman Maugin symbol 3 2 is quartz crystals have one axis of symmetry with the 3 rounds, 3 horizontal axis of symmetry with 2 round, does not have a mirror plane and center of symmetry. hexagonal quartz trapezohedral Trapezium-shaped with 12 field horizontal axes a1, a2, a3, forming an angle of 60 ° perpendicular c-axis to the angle of 90°. crystal symmetry Herman Maugin symbol 6 2 2 indicates quartz crystals have one axis of symmetry with 6 rounds, 6 horizontal axis of symmetry with 2 rounds, has no center of symmetry and mirror fields. This was also reflected in the nature mineraloginya. Optical properties of mineral quartz that is usually colorless or white when pure often color because of contamination, fouling, or other mineral inclusions. White complexion and luster of glass and transparent. Quartz has a refractive index no = 1.55 and ne = 1.54 so that the double refraction is positive and weak. Dikroisme nature of the seen in variation quartz crypto and fluoreskens colorless when pure. ABSTRAK Secara kristalografi kuarsa dicirikan oleh sistem kristal trigonal trapezohedral dan heksagonal trapezohedral, dimana kuarsa trigonal trapezohedral berbentuk trapezium tertutup dengan enam bidang secara horizontal sumbu a1, a2, a3 membentuk sudut 120° tegak lurus sumbu c membentuk sudut 90°. Simetri kristal bersimbol Herman Maugin 3 2 yaitu kuarsa mempunyai satu sumbu kristal dengan 3 putaran simetri, 3 sumbu horizontal dengan 2 putaran simetri, tidak mempunyai bidang cermin dan pusat simetri. Kuarsa heksagonal trapezohedral berbentuk trapezium dengan 12 bidang secara horizontal sumbu a1, a2, a3, membentuk sudut 60° tegak lurus sumbu c pada sudut 90°. Simetri kristal Herman Maugin bersimbol 6 2 2 menandakan kuarsa memiliki satu sumbu kristal dengan 6 putaran simetri, 6 sumbu horizontal dengan 2 putaran simetri, tidak mempunyai pusat simetri dan bidang cermin. Hal itu juga tercermin dalam sifat mineraloginya. Sifat optis mineral kuarsa yaitu umumnya tidak berwarna atau putih jika murni sering pula berwarna karena pengotoran-pengotoran atau inklusi mineral lain. Corak putih dan kilap kaca serta transparan. Kuarsa mempunyai indeks bias no = 1.55 dan ne = 1.54 sehingga bias gandanya bernilai positif dan lemah. Sifat dikroisme terlihat pada variasi kuarsa kripto dan fluoreskens tidak berwarna jika murni. Kata kunci : sifat fisik, sifat optis dan kristalografi mineral kuarsa PENDAHULUAN Latar Belakang Kuarsa adalah salah satu kelompok mineral silika dan salah satu mineral pembentuk optik kristal. Kuarsa banyak dimanfaatkan dalam industri, seperti
Jurnal Ilmiah MTG, Vol. 5, No. 1, Januari 2012
keramik sebagai bahan anorganik bukan logam. Bahan dasar keramik sendiri berasal dari tambang alam yaitu : SiO2, Al2O3, CaO, MgO, K2O, Na2O dan lain-lain. Bahan keramik tersebut kini banyak digunakan di berbagai bidang industri yaitu elektronik, bahan bangunan, teknologi nuklir dan atribut ruang angkasa. Kuarsa sendiri adalah salah satu mineral yang umum ditemukan di lapisan kerak bumi dan sangat melimpah di alam. Mineral kuarsa disebut juga silika yang terbentuk pada temperatur di atas 573° C. Mineral ini memiliki bentuk yang bervariasi bersifat tembus cahaya, tak berwarna atau bila terdapat ion renik dapat berwarna jingga atau ungu, familiar dengan nama permata. Permasalahan Kuarsa masih jarang yang membahas secara detail, padahal kuarsa sangat berperan umumnya digunakan oleh industri – industri, salah satunya sebagai bahan pembuat kaca, kaca ini dibuat dari bahan baku pasir kuarsa yang kemudian diproses menjadi bahan baku kaca. Tujuan Tujuan dari penyusunan jurnal ini adalah untuk mengetahui secara sistematis dan praktis tentang kristalografi dan mineralogi mineral kuarsa serta jenis – jenis kuarsa di alam. Ruang Lingkup Pembahasan ini melingkupi sifat-sifat kristal mineral kuarsa sebagai sifat dasar yang dicerminkan pada sifat mineralogi, sifat optik dan komposisi kimianya. Metode Penulisan Penulisan ini disusun dengan cara mengumpulkan bahan - bahan tulisan dari berbagai pustaka, baik textbook, diktat-diktat, internet dan deskripsi mineralogi di laboratorium. TINJAUAN PUSTAKA Sistem Kristalografi Mineral Kuarsa Unit sel mineral kuarsa Unit sel adalah pecahan ruang terkecil suatu kristal yang menunjukkan semua sifat simetri nya. Unit sel dalam tiga dimensi membentuk sistem koordinat dengan 3 sumbu dalam struktur kristal yang disebut titik kisi - kisi. Unit sel sendiri adalah dasar unsur titik kisi - kisi. Titik-titiknya sesuai dengan sudut-sudut unit sel. Dengan pendekatan konsep unit sel dapat menjelaskan posisi - posisi atom dalam struktur kristal, geometri dari bentuk-bentuk kristalografi dan posisi bidang kristal yang digambarkan dengan sistem koordinat tunggal. Dimulai dengan "model tetrahedral" dari struktur kristal. Motif a yang ditandai dengan warna ungu dari kelompok tetrahedra (Gambar 1) kemudian ditarik ke posisi atom oksigen pada ikatan tetrahedral terdekat untuk membangun pola struktur kristal, kemudian menentukan arah dan jarak titik - titik terdekat dalam kisi - kisi kristal.
Jurnal Ilmiah MTG, Vol. 5, No. 1, Januari 2012
Gambar 1. Menentukan dimensi unit sel dalam kuarsa secara horizontal (Akhavan, 2005)
Dimensi vertikal dari unit sell (Gambar 2) terlihat bidang m kristal, paralel sumbu a. Di sini dua garis panah, menunjukkan sumbu c dan a1 menggambarkan segiempat. Garis panah c lebih panjang dari garis panah a1 a2 dan a3, perbandingan dari keempat sumbu tersebut adalah c : a = 1.10013 : 1 Panjang absolut sumbu : a (a1,a2,a3) 0.49133 nm or 4.9133 Å c 0.54053 nm or 5.4053 Å
Gambar 2. Menentukkan dimensi unit sel dalam kuarsa secara vertikal (Akhavan, 2005)
Jurnal Ilmiah MTG, Vol. 5, No. 1, Januari 2012
Dari penentuan dimensi unit sel maka ada beberapa calon unit sell yang akan membentuk titik-titik kisi kristal. Titik kisi Kristalnya dibangun oleh unit sell SiO2 (Gambar 3) menunjukkan unit sel proyeksi posisi atom dalam sumbu c, Si berwarna putih O warna merah.
Gambar 3. Calon Unit sel yang akan membangun titik kisi kristal kuarsa (Akhavan, 2005) Unit sel kuarsa heksagonal adalah bentuk rhom yang dibangun oleh unit sel Si3O6 , unit sell kuarsa trigonal berbentuk seperti kubus miring dibentuk oleh Si3O6 yang mencerminkan formula dari kuarsa yaitu SiO2 (Gambar 4). Tipe data unit sell kuarsa adalah sebagai berikut : a 4.193Å c 5.405Å Z 3 Z adalah jumlah satuan formula dari unit sell Si3O6 : 3 x SiO2
Gambar 4. Unit sel kuarsa yang dibangun oleh Si3O6, Si berwarna putih dan O warna merah (Akhavan, 2005) Menurut J. Michael dkk (1998) kuarsa merupakan anggota kelas trigonal trapezohedral, kecuali kuarsa tingkat tinggi termasuk dalam anggota kelas heksagonal trapezohedral. PEMBAHASAN Sistem kristal kuarsa trigonal trapezohedral Notasi bidang Morfologi kuarsa trigonal trapezohedral terbentuk oleh enam bidang kristal trapezium dengan bentuk tertutup. Menurut Akhavan (2005) pada umumnya kuarsa terkristalisasi pada bentuk trigonal trapezohedral pada suhu < 573° C di lingkungan hidrotermal dan pegmatit pada kedalaman 55 - 100 km dari permukaan dan tekanan 2 – 3 Gpa. Morfologi tersebut tersusun atas unit sel
Jurnal Ilmiah MTG, Vol. 5, No. 1, Januari 2012
Si3O6 yang saling berikatan satu sama lain membentuk struktur dasar kuarsa (Gambar 5). Kuarsa trigonal trapezohedral mempunyai notasi Miller indices adalah (h-k-il), (i-k-hl), (kh-il), (ki-hl).
Gambar 5. Gambar kuarsa trigonal trapezohedral (Gambar Michael, 1998) Kuarsa trigonal trapezohedral memiliki empat sumbu kristal dimana sumbu c tegak lurus terhadap ketiga sumbu yang lain. Sumbu a1, a2, a3 masing – masing membentuk sudut 120°. Sumbu a1, a2, a3 mempunyai panjang yang sama sedangkan c berbeda (lebih panjang dari sumbu a). Simetri kristal Kuarsa trigonal trapezohedral bersimbol Herman Maugin 3 2 simetri 1A3 3A2, menandakan kuarsa mempunyai 1 sumbu kristal dengan 3 putaran simetri, 3 sumbu horizontal dengan 2 putaran simetri, tidak mempunyai bidang cermin dan pusat simetri. (Gambar 6) Hal ini berarti secara optis, gelombang cahaya yang masuk melalui sumbu c tidak terpolarisasi karena orientasi medan elektrik dan magnetik dari cahaya mengalami perubahan arah yaitu berputar sesuai dengan simetri kuarsa. Jika cahaya masuk melalui sumbu a juga tidak terjadi polarisasi, dimana orientasi mengalami perubahan perputaran karena aktifitas optik kuarsa terdapat sejajar pada sumbu c.
Gambar 6. Simetri kristal kuarsa trigonal trapezohedral (Rinawan, 2002) Sistem kristal kuarsa heksagonal trapezohedral
Jurnal Ilmiah MTG, Vol. 5, No. 1, Januari 2012
Notasi Bidang Heksagonal trapezohedral terbentuk oleh 12 bidang trapezium dengan notasi Miller indices seperti klas diheksagonal – dipiramid, namun tidak mempunyai simetri pusat dan simetri bidang. Notasi Miller indices yaitu heksagonal prisma orde 1 : 1100, 1010, 0110 ; heksagonal prisma orde 2 : 2110, 1120 ; diheksagonal : 0001, 3120, 2130 ; heksagonal dipiramid orde 1 : 1101, 1011, 0111, 1101, 1011, 0111 ; heksagonal dipiramid orde 2 : 2112, 1122, 2112, 1122 ; diheksagonal : 2131, 3121, 1231, 3211.
Gambar 7. Kesamaan Notasi Miller indices antara heksagonal Trapezohedral dan diheksagonal-dipiramidal, heksagonal trapezohedral (kiri) dan diheksagonaldipiramidal (kanan). (Rinawan, 2002) Menurut Akhavan, 2005 kuarsa heksagonal trapezohedral terbentuk pada suhu 573° C - 870° C pada endapan pegmatit dengan kedalaman 100 – 125 km dan tekanan 3 – 4 Gpa.
Jurnal Ilmiah MTG, Vol. 5, No. 1, Januari 2012
Simetri Kristal Heksagonal trapezohedral, kelas bersimbol 6 2, simetri 1A6, 6A2, mempunyai 1 sumbu kristal dengan 6 putaran simetri, 6 sumbu horizontal dengan 2 putaran simetri, tidak mempunyai pusat simetri dan bidang cermin. (Gambar 8)
Gambar 8. Simetri kristal kuarsa heksagonal trapezohedral (Rinawan, 2002) Secara optis mengandung arti yang sama dengan trigonal trapezohedral, namun arah perputaran orientasi medan elektrik dan magnetik cahaya berputar sesuai dengan simetri heksagonal trapezohedral. Mineralogi Kuarsa Sifat fisik Suatu mineral mempunyai ciri fisik tertentu yang dapat dikenal/diidentifikasi, diantaranya yaitu sistim kristal, bentuk/habit kristal, warna, kilap, transparan, goresan, belahan, pecahan, kekerasan, berat jenis, dan ciri-ciri khusus. Sifat fisik ini diperoleh secara megaskopis. Berikut tabel sifat fisik mineral kuarsa Warna
Tidak berwarna jika murni
Goresan
Tidak ada/putih jika berwarna
Kilap
Kaca Cryptocrystalline: lilin sampai tumpul
Pecahan
Konkoidal, kadang-kadang uneven
Belahan
Tidak ada
Sifat dalam
Brittle
Kekerasan Mohs
Makrokristaline :7 Criptokristaline : 6.5-7
Vicker's Indentation Hardness
Macrocrystalline: average 1182 kg/mm2 (basal plane 1103 kg/mm2, prism faces 1260 kg/mm2)
Rosival Grinding Hardness
Macrocrystalline:100 (quartz is the reference)
Berat Jenis
2.6481 g/cm3
Titik lebur
1705°C
Boiling Point
2477°C
Konduktivitas termal [λ] = W/m×K
λ= 12.14 parallel sumbu c λ = 6.70 parallel sumbu a
Sifat optik kuarsa Warna, kilap, transparan dan corak Kuarsa murni tidak berwarna dan bersifat transparan, kuarsa transparan terhadap cahaya dan gelombang panjang radiasi ultraviolet. Sifat ini juga berlaku pada kuarsa amorf gelas yang digunakan untuk lampu ultraviolet. Variasi kuarsa
Jurnal Ilmiah MTG, Vol. 5, No. 1, Januari 2012
berwarna dapat digunakan untuk mengetahui unsur yang membangun dalam kisi kristal atau inklusi mineral-mineral lain. Corak variasi kuarsa makrokristalin adalah putih atau tidak berwarna, sifat ini juga berlaku untuk kuarsa kripto, kecuali jika jumlah kandungan impurities (kehadiran unsur - unsur lain) sangat tinggi maka corak agak berwarna. Contohnya pada jasper merah gelap opak mempunyai corak berwarna merah muda kekuning-kuningan. Kuarsa mempunyai kilap kaca. Permukaan pecahannya kadang-kadang menunjukkan kilap lemak. Kuarsa kripto mempunyai kilap lilin. Kualitas kilap berhubungan dengan struktur permukaan dan indeks refraksi, bahkan jasper opak atau flint menunjukkan kilap kaca ketika disemir. Refraksi dan birefringence Cahaya yang melewati suatu unsur transparan bertentangan dengan medanmedan elektrik yang ada dalam zat padat: secara efektif diperlambat dan panjang gelombangnya pendek. Akibatnya, sinar dibelokkan di permukaan jika masuk dalam zat padat membentuk sudut hal ini disebut pembiasan (Gambar 9). Refraksi indeks kuarsa adalah suatu ukuran berapa banyak cahaya yang akan dibiaskan ketika masuk dalam suatu unsur padat dari ruang vakum. Pada kuarsa sedikit lebih tinggi dari gelas, namun lebih rendah dari batu mulia. Sinar tunggal dari cahaya dibagi kedalam dua sinar ketika melewati bidang rombohedral. Birefringence (Bias ganda) terdapat pada kebanyakan material non kubik dan tidak ada pada material amorf, mineral isometrik dan cairan.
Gambar 9. (Akhavan, 2005)
Pembiasan
Di dalam suatu kristal kekuatan medan elektrik internal terdapat diantara jenis-jenis atom dengan arah kristalografi. Bagaimana suatu gelombang elektromagnetik yang masuk kristal bertentang dengan bidang yang ada, tergantung pada polarisasinya, polarisasi adalah orientasi vektor medan elektrik dan magnetik secara teratur. Komponen medan magnet dan elektrik dari gelombang cahaya yang mana terorientasi tegak lurus terhadap yang lain berhubungan dengan medan - medan dalam kristal. Bias ganda pada kuarsa bernilai positif dan sangat lemah. Bias ganda hanya terjadi ketika cahaya melewati kristal yang tegak lurus sumbu optis (Gambar 10). Sumbu optis dalam kuarsa sesuai dengan sumbu c dari unit sel, maka cahaya yang lewat akan terbagi kedalam dua sinar dan tidak terpolarisasi.
Jurnal Ilmiah MTG, Vol. 5, No. 1, Januari 2012
Gambar 10. Birefringence dan polarisasi (Akhavan, 2005)
Dispersi Karena cahaya dari panjang gelombang pendek (biru) dibelokkan lebih panjang (merah), cahaya putih yang melewati medium transparant akan terbagi kedalam komponen warna dari spektrumnya, disebut dispersi. Koefisien dispersi adalah suatu ukuran berapa banyak indeks bias suatu unsur yang tergantung pada panjang gelombang cahaya. Kuarsa mempunyai koefisien dispersi lemah. Dispersi tidak terbatas pada kristal anisotrop namun juga pada kristal isotrop dan unsur non kristalin, contoh air (menyebabkan pelangi). KESIMPULAN Dalam mempelajari kristalografi dan mineralogi, kita harus mengetahui terlebih dahulu disiplin ilmu - ilmu lain seperti matematika, fisika, dan kimia. Suatu mineral kristalin terbentuk secara kristalografi yang dimulai dari struktur internal yaitu ikatan kimia unsur-unsur membentuk unit sel dan titik kisi kristal kemudian dari struktur internal ini akan membentuk struktur eksternal kristal dalam bentuk morfologi, sistem kristal, klas kristal, simetri, dan notasi bidang. Hal ini juga tercermin dalam sifat fisik dan sifat optik. Kuarsa trigonal trapezohedral dan heksagonal trapezohedral mempunyai bentuk unit sel yang sama kecuali pada bagian atasnya pada trigonal memiliki 3 putaran dan heksa memiliki 6 putaran. Kuarsa trigonal terbentuk pada suhu <573º C pada kedalaman 55 - 100 km dan tekanan 2 - 3 Gpa. Kuarsa heksagonal terbentuk pada suhu 573º C - 870º C pada kedalaman 100 - 125 km dan tekanan 3 - 4 Gpa. DAFTAR PUSTAKA Adinugroho, N. 2008. Golongan Bahan Galian. (:www.nooradinugroho. wordpress.com), Yogyakarta Akhavan, A. 2005. The Quartz Page. (www.quartzpage.de), Jerman Anonim, 2007, Diktat kuliah: Endapan Pegmatit dan Kontak Metasomatisme, Institut Teknologi Bandung, (Email:www.mining.itb.ac.id) Anonim, 2008. Diktat kuliah: Kristalografi dan Mineralogi, Universitas Pembangunan Nasional, Yogyakarta C.Cepeda Joseph, 1994, Introduction to Mineral and Rocks, West Texas A&M University, USA,
Jurnal Ilmiah MTG, Vol. 5, No. 1, Januari 2012
Cox, Price dan Harte, 1988, An Introduction to Crystals, Minerals, and Rocks, revised edition, McGRAW-HILL BOOK, London H.K.Edward, F.H.Walter, S.R.Lewis, 1959, Mineralogy, An Introduction to the Study of Minerals and Crystals, Fifth Edition, McGRAW-HILL BOOK Isbandi, D, 1986. Mineralogi. Nur Cahaya, Yogyakarta. Michael, J dan Howard, D. 1998, Introduction to Crystallography and Mineral Crystal systems, part 6, (www.rockhounds.com) Mulyaningsih, S. 2007. Vulkanologi. IST Akprind. Yogyakarta Rinawan. R, 2002, Modul Kristalografi dan Mineralogi, Bandung Setia Graha Doddy, 1987, Batuan dan Mineral, Nova, Bandung Warmada, I, W. 2008. Asosiasi dan Genesa Mineral. Universitas Gadjah Mada (Email:www.warmada.staff.ugm.ac.id), Yogyakarta
