[科研進(jìn)展]寶石中的化學(xué)成分知多少

寶石是大自然里最美麗而貴重的一類(lèi)石。廣義的寶石泛指一切美麗而珍貴的石料，中國(guó)學(xué)者用“貴美石”一詞替代。狹義的寶石則專(zhuān)指可用于制作貴重首飾的石料。一般認(rèn)為它應(yīng)具有瑰麗、稀罕和耐久三個(gè)特性。寶石自古以來(lái)就具有保值和裝飾等作用，并具有許多美好的象征寓意和研究?jī)r(jià)值。

　　它們色彩鮮艷，光澤亮麗，質(zhì)地晶瑩，堅(jiān)硬耐久，而且資源較少，可以用來(lái)裝飾的天然礦物晶體，如鉆石、水晶、祖母綠、紅寶石、藍(lán)寶石和金綠寶石(變石、貓眼)等;也有少數(shù)是天然單礦物集合體，如冰彩玉髓、歐泊。還有少數(shù)幾種有機(jī)質(zhì)材料，如琥珀、珍珠、珊瑚、煤精和象牙。

　　寶石一向是愛(ài)美人士的追求，它的化學(xué)成分是什么？又為何如此絢麗？學(xué)化學(xué)的不能不了解。

　　寶石之王—鉆石

　　鉆石屬于單質(zhì)類(lèi)寶石，其晶瑩通透，硬度極高，其化學(xué)成分是碳，常含有0.05%-0.2%的雜質(zhì)元素，其中最重要的是N和B，他們的存在關(guān)系到鉆石的類(lèi)型和性質(zhì)。純凈的鉆石無(wú)色透明，由于微量元素的混入而呈現(xiàn)不同顏色。鉆石的化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，在常溫下不容易溶于酸和堿，酸堿不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生作用。

金剛石和石墨的區(qū)別?

金剛石結(jié)構(gòu)                 石墨層狀結(jié)構(gòu)

　　金剛石是共價(jià)晶體，碳原子是sp³雜化，形成正四面體結(jié)構(gòu)，很穩(wěn)定，因?yàn)樘荚佑砂藗€(gè)電子然后都是電子對(duì)

　　石墨：層狀結(jié)構(gòu)，碳原子是sp²雜化，每個(gè)層狀結(jié)構(gòu)就是這個(gè)六邊形構(gòu)成，層與層之間是范德法力，作用比較弱，然后碳原子還有一個(gè)電子空余，形成一個(gè)很大的∏鍵，因此導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性很好。

　　寶石之后——珍珠

　　珍珠的無(wú)機(jī)成分主要是碳酸鈣、碳酸鎂，占91%以上，其次為氧化硅、磷酸鈣、Al₂O₃及Fe₂O₃等。

　　珍珠的化學(xué)成分與產(chǎn)生珍珠的母貝貝殼成分相類(lèi)似。但不同種類(lèi)和質(zhì)量的母貝產(chǎn)生的珍珠，其化學(xué)成分含量是有差異的。一般而言，珍珠所含的無(wú)機(jī)物為91%-96%，有機(jī)質(zhì)為2.5%-7%，水為0.5%-2.0%。

　　翡翠N(xiāo)aAl (SiO₃)₂

　　翡翠屬輝石類(lèi)，單斜晶系、兩組完全解理。主要組成物為硅酸鋁鈉NaAl₉(Si₂O₆)，常含Ca、Cr、Ni、Mn、Mg、Fe等微量元素。寶石礦中含有超過(guò)50%以上的硅酸鋁鈉才被視為翡翠)

　　橄欖石

　　大多數(shù)寶石屬于硅酸鹽巖!!

　　橄欖石(Mg, Fe)₂ SiO₄主要成分是鐵或鎂的硅酸鹽，同時(shí)含有錳、鎳、鈷等元素，晶體呈現(xiàn)短柱狀或厚板狀。橄欖石變質(zhì)可形成蛇紋石或菱鎂礦，可以作為耐火材料。

　　紅寶石

　　化學(xué)成分：主要是Al₂O₃，除含有少量的常量元素Na、Si、K、Ca、P以外,還有微量的雜質(zhì)過(guò)渡元素。

　　純凈的剛玉(Al₂O₃)是無(wú)色透明的，其紅色是因?yàn)楹t(Cr)，主要為Cr₂O₃，含量一般0.1~3%，最高者達(dá)4%。另外，除含有少量的常量元素Na、Si、K、Ca、P以外,還有微量的雜質(zhì)過(guò)渡元素，它們是造成紅寶石顏色的主要致色元素。

　　紅寶石顯色機(jī)理

　　紅寶石顯紅色是因?yàn)楹珻r₂O₃ ，而雜質(zhì)Fe和Ti則會(huì)導(dǎo)致紅寶石中呈現(xiàn)一定的紫色或藍(lán)紫色。因?yàn)镕e和Ti之間的電荷轉(zhuǎn)移造成藍(lán)色,與紅色相混后，致使紅寶石帶有紫色調(diào)。Ti³⁺自身的電子躍遷而引起其紅色帶有紫色調(diào)及藍(lán)紫色黑心的形成。另外，紅寶石中Ti³⁺與Fe也會(huì)因?yàn)殡娮榆S遷而產(chǎn)生其他顏色而影響紅寶石的顏色。

　　藍(lán)寶石

　　其主要成分是Al₂O₃,一般占97%~99%，次要成分為SiO₂₊FeOT+TiO₂(FeOT表示全鐵氧化物),含量<2%,其中FeOT的變化范圍為0.67%~1.98%,TiO2的含量在0.03%~0.10%之間,MnO、Cr₂O₃、CaO、MgO、K₂O及Na₂O的量非常低。在藍(lán)寶石的晶體中,可能存在的順磁離子有Fe²⁺、Fe³⁺、Cr²⁺、Cr³⁺。

　　藍(lán)寶石顯色機(jī)理

　　Fe、Ti等元素是藍(lán)寶石的主要致色元素，藍(lán)寶石的呈色機(jī)理為鐵和鈦間的電荷轉(zhuǎn)移躍遷,所涉及反應(yīng)為:(1)Fe³⁺+e^-&#8594Fe²⁺, (2) Ti⁴⁺+e^-&#8594Ti³⁺。隨著Fe*(Fe²⁺+Fe³⁺+a-Fe)和Ti含量的增高,藍(lán)寶石顏色加深;而Cr、Ni、Mn雜質(zhì)含量相對(duì)增加,可使藍(lán)寶石透明度變差,灰色調(diào)加深。

　　綠寶石

　　綠寶石又稱(chēng)為綠柱石，化學(xué)式為 Be₃Al₂(SiO₃)₆，其中含有氧化鈹(BeO)14.1%，氧化鋁(Al₂O₃)19%，氧化硅(SiO₂)66.9%。

　　純凈的綠寶石是無(wú)色的，甚至是透明的。當(dāng)綠寶石富含銫時(shí)，呈粉紅色，稱(chēng)為玫瑰綠寶石，又叫摩根石;含三價(jià)鐵時(shí)，呈黃色，稱(chēng)為黃色綠寶石。含鉻時(shí)，呈鮮艷的翠綠色，稱(chēng)為祖母綠，含二價(jià)鐵時(shí)，呈現(xiàn)淺天藍(lán)色，稱(chēng)為海藍(lán)寶石。

　　水晶(石英)

　　水晶(石英)主要成分是SiO₂。純凈時(shí)形成無(wú)色透明的晶體，當(dāng)含微量元素Al、Fe等時(shí)呈紫色、黃色、茶色等，經(jīng)輻照微量元素形成不同類(lèi)型的色心，產(chǎn)生不同的顏色，如紫色、黃色、茶色、粉色等。

　　水晶顏色的形成原因

　　1.雜質(zhì)離子

　　水晶是架狀硅酸鹽礦物，硅氧四面體是電中性的，其四個(gè)頂點(diǎn)均被其它的硅氧四面體共用，其中硅可以被鋁有限替代，造成電價(jià)不平而使晶格內(nèi)就會(huì)有缺陷，硅氧四面體會(huì)斷開(kāi)其連接，用多出來(lái)的橋氧，配位金屬離子進(jìn)去以平衡電價(jià)，這樣就進(jìn)入了雜質(zhì)離子，水晶就會(huì)顯色。

　　2.礦物包體

　　在肉眼無(wú)法辨別的尺度上，天然晶體內(nèi)部都會(huì)有一些小的孔洞，包裹了原始的結(jié)晶氣液和一些早生成的礦物晶體，這些東西的顏色會(huì)使得無(wú)色的水晶出現(xiàn)顏色。

　　3.雙晶

　　一整顆水晶內(nèi)如果存在雙晶面，那么在這個(gè)界面上它的光性方位會(huì)發(fā)生突越，導(dǎo)致入射光發(fā)生色散和吸收，使得水晶顯色。

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