Качества минерала, называющегося драгоценным камнем

Введение 

  Земля, с  её густыми зелеными лесами, бескрайними  полями, синими морями, высокими  горами, несомненно, прекрасна. Но  нельзя также забывать о недоступном  глазу мире, о недрах Земли,  о манящем и сложном мире  минералов.  Ещё в IV веке до  нашей эры древнегреческий философ и натуралист Аристотель делил природу на три царства. Первое – царство животных, второе – царство растений, третье – царство минералов. К последнему Аристотель относил всю неживую природу, то есть все, что не является животным или растением¹. Но так ли это? Если взять кусок любой горной породы, можно заметить, что он состоит из множества зернышек. Это – минералы. В одних породах они видны сразу, в других настолько малы, что их можно разглядеть лишь под микроскопом. Сейчас наука насчитывает около 4000 различных минералов.

Минерал — это  природное химическое соединение с  определенной кристаллической структурой, образовавшееся в ходе природных  геологических процессов. Наука, которая изучает минералы, называется минералогией. Наука, изучающая горные породы – петрография. Мнение многих людей о том, что все драгоценные ювелирные камни являются минералами ошибочно. Минералами, в строгом смысле слова, не являются некристаллические образования, такие как янтарь (Пр. № 5), жемчуг (Пр. № 6) или вулканические стёкла. Не относятся к минералам и благородные органогенные продукты: жемчуг, коралл, гагат и т. п. Наконец, минералами не являются ювелирные камни, полученные синтетическим путём в лабораториях и на заводах.

Так что же такое  драгоценный камень? Какими качествами обладает минерал, называющийся драгоценным камнем?

Цель  моей работы – ответить на эти вопросы и дать оценку драгоценному камню с точки зрения минералогии и геммологии.

Отсюда  задачи:

• Выяснить физические свойства и химический состав драгоценных камней
• Выяснить происхождение драгоценных камней
• Дать определение драгоценного камня
• Составить перечень драгоценных камней
• Подробнее рассказать об одном из представителей драгоценных камней

Мировым научным сообществом в настоящее время найдено и описано около 4000 минералов, большая часть которых (около 85%) ждет своего применения. Эта работа далеко не завершена. Учёные открывают все новые виды минералов, получают дополнительную информацию об уникальных свойствах, которые могут быть успешно применены в создании новой техники, электроники и т. д. Насчитывается более нескольких сотен лекарственных препаратов, содержащих минералы или состоящих из минеральных веществ, многие из которых используются в таком качестве с древнейших времен. Однако потенциальные возможности свойств минералов далеко не исчерпаны. Поэтому, я считаю необходимым изучение особенностей минералов, для того чтобы научиться правильно их использовать.

оооольжжжжжжжжжжжжжрррррррррррррррррррррррррррррррррррррррр 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Минералогия и геммология²

   Минерало́гия — наука о минералах — природных химических соединениях.

Минералогия изучает  состав, свойства, структуры, и условия образования минералов. Минералогия — одна из древнейших геологических наук. Первые описания минералов появились у древнегреческих философов. В дальнейшем развитию минералогии способствовало горное дело. В настоящее время интенсивно развиваются генетическая и экспериментальная минералогия.

В минералогии  активно используются достижения физики, химии и других естественных наук. Так, минералогическое изучение метеоритов и образцов с других планет позволило узнать много нового об истории Солнечной Системы и процессах формирования планет.

В рамках минералогии  сформировались, а затем выделились в самостоятельные науки кристаллография, петрография, учение о полезных ископаемых, геохимия и кристаллохимия.

Геммоло́гия (от лат. gemma — самоцвет, драгоценный камень, и греч. logos — наука) — наука о самоцветах (драгоценных и поделочных камнях).

Геммология —  это совокупность сведений о драгоценных и поделочных камнях, главным образом о физических свойствах, особенностях химического состава, декоративно — художественных достоинствах минералов и минеральных агрегатов, использующихся в ювелирном и камнерезном производстве. Изучает геологию месторождений, а также технологию обработки драгоценных и поделочных камней. Важное прикладное назначение геммологии — определение минерального вида драгоценного камня и его происхождения (нередко осуществляемое по ограненному образцу, заметное воздействие на который недопустимо), а также установление отличий природных драгоценных камней от их синтетических аналогов и имитаций. Кроме того, геммология включает разработку методов облагораживания драгоценных и поделочных камней.

Геммология тесно связана с минералогией, петрографией и кристаллографией, кроме методов этих наук она использует методы физики, химии, петрологии, геологии и биологии. Тесная связь с минералогией определяется тем, что подавляющее большинство драгоценных и поделочных камней представляют собой минералы. В 1902 году французский химик М. А. Вернейль впервые получил и начал поставлять на мировой рынок синтетические рубины, а чуть позже синтетические сапфиры и синтетическую шпинель. Появление большого количества синтетических камней не снизило, а, наоборот, повысило значение и стоимость натуральных природных самоцветов.

Основные  направления геммологии:

• диагностическое
• описательное
• эстетическое
• генетическое
• прикладное и технико-экономическое
• экспериментальное
• региональное

Перспективные направления геммологических исследований:

• накопление диагностических данных о ювелирных камнях для повышения надежности их идентификации экспрессными неразрушающими методами
• исследование свойств синтетических камней и критериев их отличия от природных аналогов
• изучение современных методов облагораживания и поиск методов распознавания следов облагораживания
• исследование оптических свойств алмазов и оптимизация огранки бриллиантов
• исследование окраски драгоценных камней с применением компьютерного моделирования

ррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррррр 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Природа драгоценных камней

   Большинство драгоценных камней представляют собой  минералы, т.е. однородные природные  химические соединения, имеющие определенный состав и кристаллическую структуру, от которой зависят форма кристаллов и их свойства. Среди почти 4000 минеральных видов к драгоценным камням относится только около 100. В качестве ювелирно-поделочных камней используются природные вулканические стекла (например, обсидиан), относящиеся к горным породам. Четыре ювелирных камня – жемчуг, коралл, янтарь и гагат³ – имеют органическое происхождение, они образованы живыми организмами – растениями или животными. Наконец, ювелирные камни могут быть искусственными, созданными человеком. Деление ювелирных камней на драгоценные и полудрагоценные ныне устарело и вышло из употребления. В соответствии с кристаллической структурой и химическим составом ювелирные камни группируются в несколько семейств. Такое свойство минералов, как окраска, часто зависит от примесей элементов-хромофоров (Cr, Fe, Ti, V, Mn и др.), поэтому даже незначительное изменение химического состава приводит к появлению разных окрасок у минералов одного и того же вида. Например, к разновидностям корунда относят и рубин (Пр. № 3), и сапфир, которые идентичны по всем свойствам, кроме цвета. Рубин густо-красный, а классический сапфир васильково-синий. Сегодня, к сапфирам, помимо синих, относят прозрачные корунды любого цвета, кроме красного. Весьма обширна группа кварца, включающая прозрачные кристаллические разновидности (горный хрусталь, аметист, цитрин⁴ (Пр. № 7), розовый и дымчатый кварц) и тонкокристаллические (халцедон, сердолик, хризопраз, агат и оникс), а также такие необычайные разновидности кварца с включениями посторонних минералов (авантюрин, тигровый глаз, волосатик и др.)⁵                                                           Ювелирные камни классифицируются по химическому составу, от которого в сочетании с кристаллической структурой зависят их свойства. За небольшим исключением все ювелирные камни – кристаллические вещества, в которых атомы образуют регулярную кристаллическую решетку. Кристаллы минералов часто настолько индивидуальны и четко выражены, что их можно быстро определить, имея элементарные знания в области кристаллографии. У некристаллических, или аморфных, ювелирных камней, таких, например, как янтарь или гагат, атомы слагающих их элементов располагаются беспорядочно. Ювелирные камни диагностируются по цвету, форме кристаллов, плотности, твердости, оптическим и другим физическим свойствам и по химическому составу. Для облегчения диагностики и сокращения времени используют справочники, содержащие перечни ювелирных камней с характеристикой их свойств и наглядные таблицы. Одни свойства, например цвет, устанавливаются легко, для определения других – требуются специальные физические приборы, при помощи которых измеряются оптические характеристики камней. Свойства некоторых ювелирных камней наиболее ярко проявляются лишь после их огранки (Пр. № 11).⁶

   жд.лрдюролпопрвпарпоргщдшдлорбпьоарекрваопмрлп

3. Свойства  драгоценных камней

   Химический  состав. Большинство ювелирных камней представлено минералами, которые классифицируются главным образом в соответствии с входящими в их состав химическими элементами или их соединениями, например, алмаз состоит из одного элемента – углерода, а турмалин представлен сложным соединением многих элементов. Главный химический элемент драгоценных камней – кислород, на следующем месте по распространенности стоят кремний, алюминий и кальций. Самую многочисленную группу образуют силикаты, включающие топаз, циркон⁷, гранат, берилл, полевые шпаты, турмалин⁸, жад⁹, оливин¹⁰ (хризолит) и многие другие минералы. Некоторые ювелирные камни, такие, как корунд и кварц, являются простыми оксидами; шпинель и хризоберилл – сложные оксиды. Пирит¹¹ относится к сульфидам, бирюза – к фосфатам, флюорит – к галогенидам, смитсонит¹², кальцит и арагонит¹³ – к карбонатам. Жемчуг и коралл сложены также в основном карбонатами; гагат и янтарь состоят из углеводородов или смол (Пр. № 8).                                                          Цвет многих драгоценных камней обусловлен химическими примесями (Пр. № 12) – незначительными количествами некоторых металлов-хромофоров, которые не находят отражения в химических формулах, но тем не менее определяют ценность и красоту драгоценных камней в бóльшей мере, чем другие факторы. Элементы-примеси, окрашивающие минералы, лучше всего определяются оптическими методами.                         Химические методы для проверки ограненных драгоценных камней применяются редко, они используются только для диагностики необработанных камней и их обломков. Капля соляной кислоты, от которой вскипает и шипит природный карбонат, позволяет распознать обычный кальцит, проданный под торговым названием «мексиканский оникс». Бирюза может быть идентифицирована смачиванием соляной кислотой нижней поверхности камня: если кислота оставляет тусклое пятно, которое становится ярко-синим при добавлении нашатырного спирта, то испытуемый образец представляет собой настоящую бирюзу, а не ее имитацию.                                            Содержание химических элементов в драгоценных камнях одной и той же группы может варьировать, вследствие чего между ними часто существуют постепенные переходы без изменения кристаллической структуры. Например, отдельные минеральные виды группы граната связаны взаимными переходами. Различие в содержании и природе агента, отвечающего за окраску, обусловливает отнесение драгоценного камня к той или иной его разновидности. Например, рубин может постепенно переходить в розовый сапфир. Некоторые драгоценные камни, такие, как благородные корунды и шпинель, ювелирный топаз и хризолит, связаны переходами с их недрагоценными разновидностями. При полном замещении первоначального природного вещества новообразованным возникает псевдоморфоза и происходит полное изменение состава при сохранении первоначальной внешней формы. Ярким примером псевдоморфозы служит окаменелое дерево, в котором халцедон (разновидность кварца) или опал замещают древесину с сохранением ее волокнистого строения и даже годичных колец.                                                         Физические свойства обусловлены кристаллической структурой и химическим составом драгоценных камней. Наиболее важное значение имеют оптические свойства драгоценных камней. Ощущение. При прикосновении некоторые минералы создают определенное «ощущение». Например, очень мягкий агрегат талька – стеатит (мыльный камень) кажется на ощупь мыльным, поверхность полированного топаза – скользкой.             Плотность. Различия в плотности драгоценных камней обусловлены разными атомными массами слагающих их элементов, величиной частиц (атомов, ионов) и различной плотностью их упаковки. Например, циркон тяжелее равновеликого алмаза, т.е. имеет бóльшую плотность. Один из самых тяжелых ювелирных минералов – оксид олова касситерит (7,0–6,8), а самый легкий – янтарь (1,05–1,09). Плотность минералов определяется их взвешиванием сначала в воздухе, а затем в воде; масса в воздухе, деленная на потерю массы в воде, представляет собой плотность.                                       Стандартной единицей массы на рынке драгоценных камней служит метрический карат. Первоначально он соответствовал стандартной массе семени рожкового дерева (200 мг), распространенного в Средиземноморье. Карат подразделяется на 100 долей. Масса более ценных ювелирных камней при коммерческих операциях определяется в каратах, менее ценных – в граммах, пеннивейтах (1 пеннивейт = 24 грана = 1,5552 г) и унциях (28,3 г). Некоторые ограненные камни оцениваются по величине, измеряемой в миллиметрах.                             Твердость определяется по сопротивлению минерала царапанию. Чем тверже драгоценный камень, тем выше качество его полировки и тем он красивее и долговечнее. У твердых камней электронные связи между атомами более прочные. Твердость – весьма постоянный и надежный показатель, широко используемый для диагностики минералов (но он не всегда применим к драгоценным камням, так как их грани могут быть повреждены при царапании). Обычно твердость драгоценных камней и прочих минералов оценивают по шкале Мооса¹⁴. Твердость алмаза, самого твердого из всех веществ, оценивается в 10 баллов. Каждый минерал этой шкалы царапает предыдущий минерал и в свою очередь царапается следующим. Кварц с твердостью 7 по шкале Мооса служит границей между твердыми и мягкими ювелирными камнями. Поскольку песок и частицы взвешенной в воздухе пыли состоят преимущественно из кварца, то поверхность найденных камней с меньшей твердостью, так же, как и старинных обработанных камней, с твердостью меньшей, чем у него, обычно бывает исцарапана и затерта.                                         Прочность. В отличие от твердости, вязкость минерала определяется сопротивлением раскалыванию. Сочетание твердости и вязкости обусловливает его прочность, которая зависит от сил сцепления, т.е. взаимного электрического притяжения ионов в кристаллической структуре драгоценного камня. Некоторые относительно твердые камни (например, циркон) царапаются с трудом, но очень хрупки и легко растрескиваются или крошатся. Другие, такие, как жад, который не тверже кварца, весьма прочны, и их очень трудно расколоть или разрезать из-за высокой вязкости. Долговечность камня определяется его прочностью и устойчивостью к химическому воздействию.                                                               Спайность. Способность минерала расщепляться или раскалываться вдоль одного или нескольких направлений, соответствующих наиболее слабым межатомным связям в структуре, называется спайностью. Существует несколько степеней совершенства спайности соответственно характеру ее проявления в кристалле. Например, алмаз и флюорит имеют совершенную спайность по октаэдру. Это означает, что раскалывание происходит параллельно граням октаэдра с образованием спайных выколков октаэдрической формы, ограниченных гладкими ровными плоскостями. Поверхность раскола, произошедшего не по спайности (т.е. не согласно с кристаллической структурой камня), называется изломом. Этот термин применяется при описании поверхности раскалывания всех аморфных драгоценных камней, хотя кристаллические минералы также могут быть охарактеризованы определенным изломом в дополнение к указанию на наличие спайности. В зависимости от внешнего вида поверхности излома различают несколько его типов: раковистый, ступенчатый, неровный, занозистый, крючковатый и др.                                                                 Электризация и полярность. Некоторые драгоценные камни проявляют электрическую полярность. Она обнаруживается по их способности притягивать или отталкивать легкие предметы (например, кусочки бумаги) после того, как эти камни нагреваются трением или на солнечном свету. Уже в 600 году до н.э. было замечено, что янтарь, если его энергично потереть, начинает притягивать тонкие волокна шерсти. Топаз и некоторые другие драгоценные камни также проявляют это свойство в процессе полировки. Турмалин при сжатии или нагревании приобретает положительный или отрицательный заряды, которые возникают одновременно на противоположных концах его кристаллов. Это явление называется прямым пьезоэлектрическим эффектом.¹⁵ Обратным пьезоэлектрическим эффектом называют изменение объема кристалла под воздействием электрического поля. Кристаллы некоторых минералов, например турмалина и кварца, настолько чувствительны к изменению электрического напряжения, что в электрическом поле начинают вибрировать с высокой и постоянной частотой. На этом основано их использование в радиоэлектронике и в кварцевых часах. Оптические свойства. ¹⁶ Цвет. Исследование оптических свойств самоцветов – один из важнейших аспектов геммологии, поскольку эффект воздействия света на драгоценный камень определяет его красоту. Из всех оптических свойств цвет, пожалуй, имеет наибольшее значение, особенно для непрозрачных камней, а привлекательность прозрачных камней зависит от их «игры», цвета и блеска. Цвет служит важным диагностическим признаком, позволяющим различать драгоценные камни. Однако иногда два совершенно разных минерала имеют одинаковую окраску. До возникновения науки геммологии драгоценные камни распознавали только по цвету – все красные камни считали карбункулами или рубинами, а зеленые обычно относили к изумрудам, невзирая на их происхождение и состав. Непрозрачные минералы часто можно различить по цвету черты, т.е. следа, который они оставляют, если провести камнем по неглазурованной фарфоровой пластинке (бисквиту). Например, гематит оставляет яркую красновато-коричневую (вишневую) черту, а пирит – черную с зеленоватым или коричневым оттенком. Природа окраски минералов окончательно не выяснена. Известно, что в ряде случаев цвет обусловлен химическим составом самоцвета или примесями некоторых химических элементов-хромофоров (Cr, Fe, Mn, V, Ti и др.). В последнем случае механизм появления той или иной окраски не всегда ясен, поскольку один и тот же химический элемент окрашивает разные драгоценные камни в различные цвета. Например, примесь хрома делает рубин красным, а изумруд зеленым. На окраску также влияет нарушение (дефекты) атомной структуры минерала под воздействием радиоактивного облучения.                                      Блеск обусловлен отражением света от поверхности минерала. Доля отраженного света зависит от природы камня и от направления падения света. Если свет падает перпендикулярно, отражается лишь его небольшая часть, при малых углах падения отражается значительно бóльшая доля света. Твердые, хорошо отполированные драгоценные камни имеют более яркий блеск по сравнению с мягкими. У необработанных камней блеск слабее. Смачивание поверхности или полировка усиливают блеск камня и выявляют его истинный цвет, так как при этом отражается больше света. В минералогии и геммологии различают следующие типы блеска: алмазный (у алмаза, циркона, сфалерита), алмазовидный (слабее алмазного, но сильнее стеклянного – у корундов), стеклянный (у берилла, топаза (Пр. № 4), гранатов и многих других ювелирных камней), восковой (у бирюзы), шелковистый (у минералов с волокнистым строением, например, у селенита), перламутровый (у жемчуга), металлический (у непрозрачных ювелирных камней металловидного облика, например, пирита и гематита), смоляной (у янтаря), жирный (у стеатита). Светопреломление. Луч, входящий внутрь прозрачного минерала, преломляется, так как скорость его распространения становится меньше, чем в воздухе, причем она уменьшается тем сильнее, чем больше оптическая плотность камня. Показатель преломления минерала (степень отклонения луча света от перпендикулярного направления) измеряется при помощи рефрактометра¹⁷ и математически выражается отношением скоростей распространения света в минерале и в пустоте. Алмаз имеет весьма высокий показатель преломления. Свет, выходящий из камня, тоже преломляется, ведь он покидает оптически более плотную среду и вновь попадает в воздух. Величина показателя преломления является специфическим признаком каждого минерала (в том числе и драгоценного камня) и способствует его надежной диагностике. При вхождении белого света в драгоценный камень происходит не только его преломление, но и разложение на различные цвета спектра, так как каждый из цветных лучей, из которых слагается белый свет (красный, оранжевый, голубой, зеленый и др.), преломляется по-разному и на выходе из кристалла луч белого цвета «расщепляется» на все цвета радуги. Это явление называется «игрой» камня, «огнем» или дисперсией. У алмаза величина дисперсии примерно такая же, как у демантоида или титанита, но его «огонь» кажется гораздо ярче, так как у бесцветных камней «игра» заметнее. Один поворот бриллианта вызывает целый сноп радужных искр. Все прозрачные минералы (за исключением минералов кубической сингонии и аморфных) разделяют свет на два по-разному отклоняющихся луча. Такое явление называется двойным лучепреломлением, или двупреломлением.                                                               Дихроизм. Эффект двуцветности (дихроизма) наблюдается у ряда ювелирных камней, характеризующихся наличием двойного лучепреломления при изменении их ориентировки относительно луча зрения. Перемена цвета становится заметной, если поворачивать кристалл либо рассматривать его то сквозь верхние, то сквозь боковые грани. Для некоторых драгоценных камней испытание на дихроизм – один из наиболее наглядных методов диагностики. Например, рубин сразу выделяется среди других красных камней по наличию двух четко выраженных оттенков красного цвета.                                                                Поляризация. Кристаллы драгоценных камней поляризуют проходящий свет, вызывая колебания его волн в направлении, перпендикулярном пути светового луча. Часть света, отражаясь от полированной поверхности камня, поляризуется в зависимости от угла падения. В камнях с двойным лучепреломлением свет поляризуется полностью (за исключением лучей, распространяющихся вдоль оптических осей, т.е. направлений в кристалле, в которых двупреломление отсутствует). Каждый из двух лучей, возникших в результате двупреломления, проходит в разных направлениях, и световые волны этих лучей колеблются почти взаимоперпендикулярно. Каждое направление колебаний характеризуется разным поглощением цвета, что и обусловливает дихроизм. Знание характера поляризации света в минерале необходимо для его квалифицированной огранки, выявляющей выигрышный цвет.                                                                Астеризм. Эффект звездчатости, свойственный лишь немногим драгоценным камням, называется астеризмом. Он обусловлен отражением (дифракцией) света от включений в камне, ориентированных вдоль определенных кристаллографических направлений. Лучшими примерами служат звездчатый сапфир и звездчатый рубин. В минералах волокнистого строения, таких, как кошачий глаз, наблюдается полоска света, меняющая свое положение при повороте камня (переливчатость). Игра света в опале или сияющие павлиньи цвета лабрадорита объясняются интерференцией света, т.е. смешением световых лучей при их отражении от слоев регулярно уложенных шариков кремнезема (опал) или от тончайших пластинчатых кристаллических вростков (лабрадорит, лунный камень).                                    Люминесценция наблюдается у ряда драгоценных камней: под воздействием ультрафиолетового излучения они начинают светиться, причем совсем другим цветом, нежели при дневном свете. Если свечение происходит только в течение того времени, когда драгоценный камень освещен ультрафиолетовыми лучами, это явление называется флуоресценцией; если же он продолжает светиться в течение некоторого времени после прекращение воздействия ультрафиолетового излучения – фосфоресценцией. Подавляющее большинство алмазов флуоресцируют. Например, алмазы из ЮАР обычно характеризуются небесно-голубым свечением. Флуоресценция жемчуга зависит от химического состава воды, в которой он вырос. Отчетливо флуоресцируют янтарь (обычно в голубовато-белых тонах) и многие опалы. Уникальная особенность жада заключается в том, что сразу после обработки он флуоресцирует значительно ярче, чем старые изделия. Рубин (особенно из Мьянмы и Шри-Ланки) и некоторые другие драгоценные камни флуоресцируют на обычном солнечном свету. Это свойство весьма усиливает привлекательность рубина и отличает его от прочих красных камней.¹⁸