Кремний — самый распространенный на земле элемент после кислорода: он составляет 26 % массы земной коры. Более того, минералы кремния — силикаты, а их сотни наименований, составляют 80 % массы земной коры.

Разнообразие соединений кремния определяется способностью его молекул образовывать цепи и каркасы. Как его аналог углерод является основой органического мира, так кремний — основа неорганического мира.

«Показывают мне, — писал академик А. Е. Ферсман, — самые разнообразные предметы: прозрачный шар, сверкающий, как солнце, чистотой холодной ключевой воды, красивый, пестрого рисунка агат, яркой игры многоцветный опал, чистый песок на берегу моря, тонкую, как шелковинка, нитку из плавленого кварца или жароупорную посуду из него, красиво ограненные груды горного хрусталя, таинственный рисунок фантастической яшмы, окаменелое дерево, превращенное в камень, грубо обработанный наконечник стрелы древнего человека… все это одно и то же химическое соединение элементов кремния и кислорода».

Одним из первых предположение о полимерном строении двуокиси кремния высказал Д. И. Менделеев. Именно этим обстоятельством объяснял он летучесть и тугоплавкость веществ состава (SiO₂)_n. Рентгеноструктурные исследования подтвердили правильность этой догадки. Установлено, что кристаллический кремнезем представляет собой трехмерный сетчатый полимер. Цепочка кремнекислородных тетраэдров очень прочна, связь кремния с кислородом намного прочнее, чем, например, связь между атомами углерода в цепях органических полимеров. Кремнекислородные цепи образуют жесткие сплетения в виде пространственных решеток и сеток, которые хрупки, неподатливы при механической обработке.

Несмотря на распространенность в природе, этот элемент открыли сравнительно поздно. В 1825 г. выдающийся шведский химик и минералог Йенс Якоб Берцелиус восстановил металлическим калием газообразное вещество, известное ныне как тетрафторид кремния SiF₄. Новый элемент был назван силицием.

Песок состоит из кремнезема — двуокиси кремния — SiO₂, на долю которого приходится 12,6 % массы земной коры. Кремнезем в виде огромных масс песка находится в пустынях, по берегам рек, морей и океанов. Желтоватым и коричневатым цветом песок обязан примесям окис-лов железа.

Двуокись кремния имеет 12 кристаллических модификаций. Из них наиболее распространенной является кварц. Кроме того, существуют не кристаллические, а стеклоподобные модификации, в том числе в природе встречаются лешательерит (кварцевое стекло) и опал, состоящий из тончайших частичек двуокиси кремния, также не образующих кристаллов.

Другие модификации кремнезема, имеющие ту же химическую формулу, но иное кристаллическое строение, — тридимит и кристобалит — встречаются гораздо реже кварца. Они неустойчивы в присутствии воды, но в безводных условиях могут сохраняться сколь угодно долго. Кристобалит и тридимит найдены в породах Лупы, возраст их определен в 3 млрд лет.

В древности кристаллы кварца рассматривались как особая форма льда. Лед по-гречески «кристаллос», отсюда название прозрачных кристаллов кварца — горный хрусталь. Этот минерал применяется в оптике, а также в пьезоэлектрических приборах. Удивительное свойство кристаллов кварца — поляризоваться под давлением и деформироваться под действием электрического поля — нашло широкое применение не только для измерения давления. Когда требуется создание колебаний высокой частоты, воздействуют высокочастотным электрическим полем на кварц. Так возникли кварцевые генераторы ультразвука, акустические и другие приборы.

Кварц — основной компонент стекла. Различные стекла содержат от 40 до 80 % кварца, а специальные кварцевые — 96–100 %. Для использования кварца в стекловарении производится его обогащение — отделение от полевых шпатов и других пород, а также от окислов железа. Кроме промывки водой и кислотой, для обогащения кварца применяется флотация, но вначале в мельницах производят обдирку и оттирку минералов.

При обогащении россыпных месторождений кварцевый песок часто оказывается отходом производства. Так, например, украинские титаноциркониевые пески, перерабатываемые Верхнеднепровским горно-металлургическим комбинатом, после извлечения тяжелых минералов титана (рутила и ильменита), циркона, магнетита и других представляют собой прекрасный кварцевый концентрат. Он направляется 160 предприятиям, использующим кварцевый песок в качестве сырья для производства стекла, в литейном деле, для производства стройматериалов и т. д.

Кристаллы кварца состоят из тетраэдров, в центрах которых находится ион кремния, а в вершинах — 4 иона кислорода. Тетраэдры SiO₄ так тесно связаны друг с другом, что в небольшие пустоты могут поместиться в виде изоморфных примесей только легкие ионы с малым радиусом: лития, натрия, алюминия, иногда железа. За блеск, прозрачность, разнообразие кристаллических срастаний разновидности кварца ценятся как прекраснейшие поделочные и драгоценные камни, обладающие твердостью, стойкостью, соперничающие с другими камнями более сложного состава.

Бесцветность чистого кварца позволяет ничтожным примесям окрашивать его в фиолетовый, желтый, синий и любые другие цвета вплоть до черного. В некоторых кристаллах образуются пронизывающие их внутренние прозрачные волокна, создающие эффект «кошачьего глаза».

Наиболее ценным из ювелирных камней группы кварца является фиолетовый аметист.

На поверхности Земли окись кремния кристаллизуется в форме тонковолокнистых натечных агрегатов, называемых халцедоном. По характеру окраски и форме натеков различают большое количество поделочных разностей. Иногда в толще пород и в трещинах окись кремния выпадает в виде неокристаллизованного аморфного геля (студня) — опала. Кристаллический кварц из водных растворов способен цементировать различные осадочные породы и замещать их. При этом образуются плотные яшмовые породы.

Название «аметист» происходит от греческого слова, переводимого как «непьяный». Его, очевидно, дали этому камню на основании ошибочного верования в то, что носящий этот камень не подвержен опьянению даже при невоздержанности в употреблении крепких напитков. Плиний выдвигает другое объяснение, а именно, что цвет аметиста приближается к цвету вина.

Кристаллы аметиста растут ромбовидными щетками на непрозрачной кварцевой подложке. Окраска как бы концентрируется на остриях головок, она имеет радиационное происхождение. Некоторые аметисты на свету бледнеют, но при радиоактивном облучении окраска вновь восстанавливается.

Месторождения аметиста есть в Бразилии, Уругвае, на Мадагаскаре. В СССР аметист встречается на Урале и на Кольском полуострове.

«Цитрин» — желтая разновидность кварца. Его название происходит от французского слова citron (лимон). Пока не была расшифрована природа минералов, желтый кварц путали с желтым топазом. Ювелиры настоящий топаз отличали прибавлением определения «бразильский». Путаница усугубилась, так как и желтый кварц, и желтый топаз в изобилии найдены в Бразилии. Цитрин встречается у нас на Урале, но дымчатым топазом здесь называют более темный кварц.

Дымчатый кварц с неравномерной окраской называют раухтопазом, а совсем черные разновидности — морионом.

Розовый кварц, как указывает название, имеет розово-красную или розовую окраску, выцветает на сильном солнечном свету. Эта разновидность кварца редко образует ограненные кристаллы, лишь частично просвечивает и почти всегда иссечена трещинами. Часто наблюдается астеризм — радиально-лучистые световые разводы (от греч. «астер» — звезда). Склеиванием звездчатого кварца с подложкой из синего материала получается имитация звездного сапфира. Путем растворения кварца было доказано, что астеризм возникает из-за присутствия в нем мелких иголочек рутила. Они могут быть различным образом ориентированы, вызывая иногда эффект колец света в дополнение к главной звезде.