[科研进展]宝石中的化学成分知多少

宝石是大自然里最美丽而贵重的一类石。广义的宝石泛指一切美丽而珍贵的石料，中国学者用“贵美石”一词替代。狭义的宝石则专指可用于制作贵重首饰的石料。一般认为它应具有瑰丽、稀罕和耐久三个特性。宝石自古以来就具有保值和装饰等作用，并具有许多美好的象征寓意和研究价值。

　　它们色彩鲜艳，光泽亮丽，质地晶莹，坚硬耐久，而且资源较少，可以用来装饰的天然矿物晶体，如钻石、水晶、祖母绿、红宝石、蓝宝石和金绿宝石(变石、猫眼)等;也有少数是天然单矿物集合体，如冰彩玉髓、欧泊。还有少数几种有机质材料，如琥珀、珍珠、珊瑚、煤精和象牙。

　　宝石一向是爱美人士的追求，它的化学成分是什么？又为何如此绚丽？学化学的不能不了解。

　　宝石之王—钻石

　　钻石属于单质类宝石，其晶莹通透，硬度极高，其化学成分是碳，常含有0.05%-0.2%的杂质元素，其中最重要的是N和B，他们的存在关系到钻石的类型和性质。纯净的钻石无色透明，由于微量元素的混入而呈现不同颜色。钻石的化学性质很稳定，在常温下不容易溶于酸和碱，酸碱不会对其产生作用。

金刚石和石墨的区别?

金刚石结构                 石墨层状结构

　　金刚石是共价晶体，碳原子是sp³杂化，形成正四面体结构，很稳定，因为碳原子由八个电子然后都是电子对

　　石墨：层状结构，碳原子是sp²杂化，每个层状结构就是这个六边形构成，层与层之间是范德法力，作用比较弱，然后碳原子还有一个电子空余，形成一个很大的∏键，因此导电性、导热性很好。

　　宝石之后——珍珠

　　珍珠的无机成分主要是碳酸钙、碳酸镁，占91%以上，其次为氧化硅、磷酸钙、Al₂O₃及Fe₂O₃等。

　　珍珠的化学成分与产生珍珠的母贝贝壳成分相类似。但不同种类和质量的母贝产生的珍珠，其化学成分含量是有差异的。一般而言，珍珠所含的无机物为91%-96%，有机质为2.5%-7%，水为0.5%-2.0%。

　　翡翠NaAl (SiO₃)₂

　　翡翠属辉石类，单斜晶系、两组完全解理。主要组成物为硅酸铝钠NaAl₉(Si₂O₆)，常含Ca、Cr、Ni、Mn、Mg、Fe等微量元素。宝石矿中含有超过50%以上的硅酸铝钠才被视为翡翠)

　　橄榄石

　　大多数宝石属于硅酸盐岩!!

　　橄榄石(Mg, Fe)₂ SiO₄主要成分是铁或镁的硅酸盐，同时含有锰、镍、钴等元素，晶体呈现短柱状或厚板状。橄榄石变质可形成蛇纹石或菱镁矿，可以作为耐火材料。

　　红宝石

　　化学成分：主要是Al₂O₃，除含有少量的常量元素Na、Si、K、Ca、P以外,还有微量的杂质过渡元素。

　　纯净的刚玉(Al₂O₃)是无色透明的，其红色是因为含铬(Cr)，主要为Cr₂O₃，含量一般0.1~3%，最高者达4%。另外，除含有少量的常量元素Na、Si、K、Ca、P以外,还有微量的杂质过渡元素，它们是造成红宝石颜色的主要致色元素。

　　红宝石显色机理

　　红宝石显红色是因为含Cr₂O₃ ，而杂质Fe和Ti则会导致红宝石中呈现一定的紫色或蓝紫色。因为Fe和Ti之间的电荷转移造成蓝色,与红色相混后，致使红宝石带有紫色调。Ti³⁺自身的电子跃迁而引起其红色带有紫色调及蓝紫色黑心的形成。另外，红宝石中Ti³⁺与Fe也会因为电子跃迁而产生其他颜色而影响红宝石的颜色。

　　蓝宝石

　　其主要成分是Al₂O₃,一般占97%~99%，次要成分为SiO₂₊FeOT+TiO₂(FeOT表示全铁氧化物),含量<2%,其中FeOT的变化范围为0.67%~1.98%,TiO2的含量在0.03%~0.10%之间,MnO、Cr₂O₃、CaO、MgO、K₂O及Na₂O的量非常低。在蓝宝石的晶体中,可能存在的顺磁离子有Fe²⁺、Fe³⁺、Cr²⁺、Cr³⁺。

　　蓝宝石显色机理

　　Fe、Ti等元素是蓝宝石的主要致色元素，蓝宝石的呈色机理为铁和钛间的电荷转移跃迁,所涉及反应为:(1)Fe³⁺+e^-&#8594Fe²⁺, (2) Ti⁴⁺+e^-&#8594Ti³⁺。随着Fe*(Fe²⁺+Fe³⁺+a-Fe)和Ti含量的增高,蓝宝石颜色加深;而Cr、Ni、Mn杂质含量相对增加,可使蓝宝石透明度变差,灰色调加深。

　　绿宝石

　　绿宝石又称为绿柱石，化学式为 Be₃Al₂(SiO₃)₆，其中含有氧化铍(BeO)14.1%，氧化铝(Al₂O₃)19%，氧化硅(SiO₂)66.9%。

　　纯净的绿宝石是无色的，甚至是透明的。当绿宝石富含铯时，呈粉红色，称为玫瑰绿宝石，又叫摩根石;含三价铁时，呈黄色，称为黄色绿宝石。含铬时，呈鲜艳的翠绿色，称为祖母绿，含二价铁时，呈现浅天蓝色，称为海蓝宝石。

　　水晶(石英)

　　水晶(石英)主要成分是SiO₂。纯净时形成无色透明的晶体，当含微量元素Al、Fe等时呈紫色、黄色、茶色等，经辐照微量元素形成不同类型的色心，产生不同的颜色，如紫色、黄色、茶色、粉色等。

　　水晶颜色的形成原因

　　1.杂质离子

　　水晶是架状硅酸盐矿物，硅氧四面体是电中性的，其四个顶点均被其它的硅氧四面体共用，其中硅可以被铝有限替代，造成电价不平而使晶格内就会有缺陷，硅氧四面体会断开其连接，用多出来的桥氧，配位金属离子进去以平衡电价，这样就进入了杂质离子，水晶就会显色。

　　2.矿物包体

　　在肉眼无法辨别的尺度上，天然晶体内部都会有一些小的孔洞，包裹了原始的结晶气液和一些早生成的矿物晶体，这些东西的颜色会使得无色的水晶出现颜色。

　　3.双晶

　　一整颗水晶内如果存在双晶面，那么在这个界面上它的光性方位会发生突越，导致入射光发生色散和吸收，使得水晶显色。

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