www.srebrnykruk.pl

strzalka

Właściwości kamieni szlachetnych i ozdobnych


Znajomość podstawowych własności kamieni szlachetnych i ozdobnych bywa niezwykle przydatna nie tylko dla szlifierzy kamieni, ale także dla jubilerów, kolekcjonerów oraz osób noszących biżuterię.


25.2.1. Ciężar właściwy - gęstość

25.2.2. Twardość

25.2.3. Łupliwość i przełam

25.2.4. Własności optyczne kamieni szlachetnych

25.2.4.1. Barwa, blask i połysk

25.2.4.2. Efekty świetlne

25.2.4.3. Współczynnik załamania światła

25.2.4.4. Podwójne załamanie światła


25.2.1. Ciężar właściwy – gęstość


Ciężar właściwy kamieni szlachetnych zastępowany jest według nowego nazewnictwa gęstością. Określa się ją metodami analogicznymi jak dla innych ciał, np. używając wagi hydrostatycznej, piknometru bądź za pomocą zanurzania w cieczach ciężkich. Jednym z prostszych sposobów jest ten trzeci polegający na zanurzeniu kamienia w cieczy, która najpierw go unosi. Następnie rozcieńczając i staranie mieszając roztwór dąży się do uzyskania takiej gęstości, w której kamień może pływać na każdym poziomie roztworu. Ciężar właściwy kamienia szlachetnego jest wówczas równy ciężarowi właściwemu cieczy.

Do wyznaczania ciężaru właściwego roztworu używa się wagi Westphala. Jednakże by wyeliminować konieczność jej stosowania przygotowuje się cztery ciecze o precyzyjnie ustalonym ciężarze właściwym, umożliwiającym zadawalającą dokładność pomiaru ciężaru kamieni szlachetnych. Ciecze te zazwyczaj sporządzane są z substancji wymienionych poniżej.

  1. Jodku metylenu z jodem i jodoformem o ciężarze właściwym 3,60.
  2. Czystego jodku metylenu o ciężarze właściwym 3,30.
  3. Jodku metylenu rozcieńczonego benzenem o ciężarze właściwym 3,00.
  4. Jodku metylenu rozcieńczonego benzenem o ciężarze właściwym 2,65.
Rysunek nr 25-1
Rysunek nr 25-1. Waga hydrostatyczna,
 A – obciążnik, B – zlewka, C – ławeczka.

Ciecze te dają się przygotować samodzielnie albo można je zakupić. By zapobiegać ich zagęszczaniu, przetrzymywane powinny być w szczelnie zamykanych pojemnikach.

Zdjęcie nr 25-1
Zdjęcie nr 25-1. Piknometr.

Oznaczenie ciężaru właściwego kamienia szlachetnego wykonuje się zanurzając go w cieczy nr 1. Jeśli kamień opadnie na dno świadczy to, że jego ciężar właściwy jest większy od ciężaru właściwego cieczy tj. ponad 3,60. Jeśli kamień pływa na powierzchni cieczy to usuwa się go z niej, płucze w benzenie, suszy i zanurza w cieczy nr 2. Gdy w niej opada na dno to ciężar właściwy kamienia mieści się w przedziale od 3,30 do 3,60. Gdy unosi się na powierzchni wyjmuje, płucze w benzenie, suszy i zanurza w cieczy nr 3 i tak dalej. Opierając się o badanie realizowane w wyżej wymienionych czterech cieczach kamienie szlachetne można pogrupować w pięć grup jak w tabeli nr 25–2.

Tabela nr 25-2
Tabela nr 25-2. Podział kamieni szlachetnych na grupy w/g. ich gęstości.

Poza cieczami omówionym powyżej stosuje się także ciecze takie jak te wymienione poniżej.

Rysunek nr 25-2
Rysunek nr 25-2. Seryjne rozdzielanie cieczami ciężkimi.

Do szybkiego określania ciężaru właściwego kamieni szlachetny stosuje się baterie kilku cylindrów szklanych pojemnych na około 25 ml, wypełnianych cieczami ciężkimi o wiadomym ciężarze właściwym. Cylindry należy wyposażyć w szczelne zamknięcia i przechowywać je bez dostępu do światła, chroniąc przed rozkładem. Gdy niedostępna jest waga Westphala, ciężar właściwy cieczy w cylindrach określa się za pomocą tzw. indykatorów25-1 tj. kamieni szlachetnych naturalnych albo syntetycznych o wiadomym ciężarze właściwym. Do czystych cieczy ciężkich o znanym i niezmieniającym się ciężarze właściwym jak np. jodek metylu albo bromoform, nie potrzeba indykatorów.


25.2.2. Twardość


Twardość kamieni szlachetnych jest bardzo ważną własnością i zdefiniować ją można jako opór stawiany przez ciało czynnikom zmierzającym do podzielenia jego cząsteczek. Twardość nie powinna być mylona z łupliwością, czyli skłonnością do rozłupywania w płaszczyznach gładkich. Jako przykład można tu podać diament będący jednym z najtwardszych ciał a dający się bez problemów rozłupywać wzdłuż płaszczyzny łupliwości.

Tabela nr 25-3 Tabela nr 25-3 Tabela nr 25-3 Tabela nr 25-3 Tabela nr 25-3 Tabela nr 25-3 Tabela nr 25-3 Tabela nr 25-3 Tabela nr 25-3 Tabela nr 25-3 Tabela nr 25-3
Tabela nr 25-3. Skala twardości Mohsa.

Poza opalem i turkusem wszystkie kamienie szlachetne i ozdobne cechują się twardością większą niż kwarc.

Powszechnie do mierzenia twardości w jubilerstwie stosuje się skale Mohsa. Polega ona na oznaczaniu względnej twardości, przez próbę wzajemnego zarysowaniu narożami powierzchni badanego minerału i okazu wzorcowego. Minerały są uszeregowane od najmiększego do najtwardszego. Każdy minerał może zarysować wcześniej występujący na skali – bardziej miękki i daje się zarysować przez następny po nim – twardszy. Klasyfikacja ta jest skalą orientacyjną i zasadza się na tym, że gdy badany minerał jest zdolny zarysować powierzchnię minerału wzorcowego, to klasyfikuje się go do jego twardości. Na przykład, gdy minerał badany rysuje powierzchnię kwarcu i równocześnie jest rysowany przez niego to będzie miał taką samą twardość. Gdy minerał badany rysuje np. kwarc, a ten nie może zarysować materiału badanego, to twardość próbki jest uznawana za co najmniej 7,5 i po porównaniu jej z topazem daje się określić czy nie jest większa.

W skali Mohsa różnice twardości pomiędzy minerałami wzorcowymi mają wartość względną i na początku skali są one nieznaczne, ale bardzo szybko zwiększają się w raz ze zbliżaniem do jej końca. Przykładowo gips o twardość 2,jest tylko około 5 razy miększy od apatytu o twardość 5, natomiast diament o twardość 10, jest około 140 razy twardszy od korundu o twardość 9 oraz około 1170 razy od kwarcu o twardość 7. Trzeba także mieć świadomość faktu, iż nierzadko twardość krawędzi oraz naroży kryształu jest większa niż powierzchni ich ścian i może być również różna w zależności od kierunku rysowania. Szlifierze kamieni szlachetnych ze względu na to, iż twardość jest własnością kierunkową zależną od ścian a także kierunku szlifowania, posługują się pojęciem twardości bezwzględnej. Przyrost twardości wewnątrz skali określany jest za pomocą absolutnej skali twardości. Skala twardości Mohsa jest skalą umożliwiającą określenie, który kamień szlachetny jest twardszy do innego, co ułatwia szybką klasyfikacje najbardziej rozpowszechnionych minerałów i dlatego jest szeroko stosowana.

Do badania kamieni szlachetnych w praktyce cały zakres skali jest nieprzydatny. Wystarcza kawałek szkła o twardości około 5, ortoklazu o twardości 6, kwarcu o twardości 7 oraz topazu o twardości 8. Kamienie o twardości mniejszej od szkła stosowane są sporadycznie a o twardości większej niż 8 takie jak; diament, szafir, rubin, czy chryzoberyl, mają charakterystyczny wygląd umożliwiający ich rozpoznanie bez badania twardości.

Tabela nr 25-4
Tabela nr 25-4. Twardość w skali Mohsa kamieni
 najczęściej używanych w jubilerstwie.

Twardości kamieni zazwyczaj sprawdza się przy pomocy iglic o końcach oprawionych najczęściej w ortoklaz o twardości 6, kwarc o twardości 7, cyrkon o twardości 7,5 lub topaz o twardości 8 bądź chryzoberyl o twardości 8,5. Iglicami oznacza się twardość rysując badany kamień przy jego brzegu w taki sposób by go nie uszkodzić.

Precyzyjne wyznaczanie twardości kamieni wykonuje się przyrządem nazywanym sklerometrem. Określa on twardość na podstawie obciążenia koniecznego do wytworzenia rysy. Wynik badania jest wartością wyrażaną w jednostkach masy, czyli w gramach.

Oznaczanie twardości kamieni przez wykonanie narysu prowadzić należy na rondyście tj. w miejscu zakrytym później przez oprawę a obserwacje prowadzi się pod lupą. Samo badanie wymaga doświadczenia, prowadzone nieumiejętnie może dać nieprawdziwe wyniki i spowodować uszkodzenie kamienia.

Powierzchnię kamieni szlachetnych i ozdobnych o twardości mniejszej niż 7, po wypolerowaniu by zachować jej lśnienie, tracone w związku ze stykaniem się ich powszechni z występującym powszechnie kurzem25-2, należy właściwie nosić oraz przechowywać.

Twardość według skali Mohsa kamieni najczęściej używanych w jubilerstwie przedstawiono w tabeli nr 25–4.


25.2.3. Łupliwość i przełam


Wśród kamieni szlachetnych łupliwość jest ważna cechą. Umożliwia ona ich rozdzielanie w jednym albo kilku kierunkach, we fragmentach oddzielonych płaskimi powierzchniami. Jest to zatem zdolność do pękania i podziałów równolegle do ustalonych kierunków, nazywanych płaszczyznami łupliwości, na wskutek uderzenia bądź nacisku. Płaszczyzny łupliwości zależne są tylko od struktury kryształu a nie od jego zewnętrznej formy.

Wyróżnia się rodzaje łupliwości takie jak niżej wymienione.

Przełamem nazwa się zdolność minerału do dzielenia się wzdłuż powierzchni nierównych, losowych, niemających związku z wewnętrzną strukturą kryształu. w minerałach o doskonalej łupliwości nie występuje bądź jest ledwo dostrzegalny. Wyróżnia się rodzaje przełamu takie jak niżej wymienione.

Do określenia przełamu używa się także dość często nazw opisowych takich jak; równy, ziarnisty, zbity, pręcikowy, płytkowy, kostkowy, blaszkowy lub łuskowy.


25.2.4. Własności optyczne kamieni szlachetnych


Pośród różnych właściwości kamieni szlachetnych i ozdobnych, własności optyczne są bardzo istotne. Pod ich pojęciem kryje się barwa, połysk, zjawisko takie jak ogień luminescencja czy też inne wrażenia świetlne. Własności optyczne są także przydatne w identyfikacji kamieni.


25.2.4.1. Barwa, blask i połysk


W badaniu kamieni szlachetnych i ozdobnych ich barwa zajmuje poczesne miejsce. Jednakże w przeważającej części przypadków nie może ona stanowić pewnej cechy identyfikacyjnej, ponieważ wiele kamieni ma taką samą barwę. Za kolor dużej części kamieni szlachetnych odpowiedzialne są defekty sieci krystalicznej i jony domieszkowane. w czystej postaci tlenek glinu, krzemionka i fluoryt, z których zbudowane są kamienie szlachetne oraz ozdobne są bezbarwne. Jaskrawe kolory powstają na wskutek wprowadzenia niewielkiej ilości obcych atomów metali do sieci krystalicznej (jony domieszkowane) lub w wyniku obecności pustych przestrzeni, które wyłapują elektrony. Zanieczyszczenia i defekty często występują w naturalnych minerałach na wskutek warunków geologicznych i środowiskowych, w których powstają.

Jeden rodzaj kamienia szlachetnego może mieć wiele różnych barw, ale daje się wyróżnić z pośród nich tzw. barwę własną, będącą właściwą dla kryształu pozbawionego wszelkich domieszek. Jest ona pomocna przy rozpoznawaniu kamieni szlachetnych. Pojawia się po mocnym zarysowaniu minerału, nieszkliwioną płytką porcelanową o twardości w skali Moscha wyższą niż 6. Wynikiem takiego działania jest wyabstrahowanie obcego zabarwienia kamienia i uzyskanie tzw. barwy rysy, właściwej danemu kamieniowi. i tak np. hematyt koloru stalowego ma barwę rysy czerwoną. Kamienie twardsze od płytki porcelanowej, zeskrobywane są stalowym pilnikiem. Odrobiny proszku z kamienia rozciera się następnie na płytce. Metoda ta stosowana jednak może być tylko w przypadku surowych kamieni szlachetnych i ozdobnych z uwagi na niebezpieczeństwo pęknięcia badanego okazu.

Barwy kamieni szlachetnych i ozdobnych ulegają czasowym zmianą pod wpływem działania światła dziennego bądź sztucznego. Zjawisko takie z upływem czasu może z rzadka mieć charakter trwały tak jak u ametystów, stających się bezbarwnymi w wyniku oddziaływania promieni słonecznych. Obecnie istnieje cały szereg metod technicznych modyfikacji barwy kamieni.

Do podstawowych cech minerałów zalicza się także blask i połysk będące rezultatem odbijania promieni światła od ich powierzchni. Czym bardziej równa i gładka powierzchnia odbijająca promienie światła, tym większa intensywność blasku. Połysk minerałów określa się na ścianach kryształu, które nie uległy wtórnym przeobrażeniom. Najlepiej zaś na świeżych powierzchniach przełamu i może on przybrać niżej wymienione rodzaje.

Czasami w mineralogii można spotkać także niżej wymienione określenia rodzaju połysku.

Pośród właściwości optycznych kamieni szlachetnych i ozdobnych można jeszcze wyodrębnić przezroczystość, będącą w dużej liczbie przypadków potwierdzeniem ich wartości. Przepuszczalność światła może być zaburzona przez wrostki substancji obcych, pęcherzyki powietrza, pęknięcia wewnętrzne, albo wynikać z silnej absorpcji kryształu. Gdy światło opuszcza kamień szlachetny mocno osłabione, określa się go jako przeświecający.


25.2.4.2. Efekty świetlne


Duża część kamieni szlachetnych i ozdobnych bez względu na ich barwę, zanieczyszczenia czy też skład chemiczny, wyróżnia się pasiastymi wrażeniami świetlnymi bądź migotliwością powierzchni. Zjawisko to powstaje w wyniku odbicia, interferencji, lub załamania światła na cienkich warstwach, niewielkich złożach, pustkach, czy też innych częściach struktury. Do efektów świetlnych zaliczyć można niżej wymienne zjawiska.

Tabela nr 25-5
Tabela nr 25-5. Barwy fluorescencji kamieni 
najczęściej używanych w jubilerstwie.

Na fluorescencję w dużym stopniu oddziałują zanieczyszczenia, które zawierają w swoim wnętrzu kamienie. Dlatego też badanie ich w świetle ultrafioletowym musi być wykonywane z uwagą, gdyż można uzyskać wprowadzające w błąd rezultaty. Przykładowo, diamenty zazwyczaj wskutek działania światła ultrafioletowego emitują intensywne niebieskie światło, jednakże niekiedy nieliczne ich odmiany mają inną barwę a z rzadka wręcz nie świecą.

Większość kamieni o żółtej barwie nie wykazuje się zdolnością do fluorescencji.

Badanie pereł metodą fluorescencji jest niezwykle efektywne z uwagi na prostotę przeprowadzania sprawdzania. Dają one niemalże całkowitą gwarancję poprawności rozpoznania kamieni, ze względu na nieznaczną odmienność w odcieniach świecenia.

W tabeli nr 25–5 podano barwy fluorescencji dla najczęściej wykorzystywanych w jubilerstwie kamieni.


25.2.4.3. Współczynnik załamania światła


Zdjęcie nr 25-12
Zdjęcie nr 25-12. Refraktometr.

Własności optyczne kamieni szlachetnych umożliwiają ich identyfikację wykonywaną w oparciu o pomiar współczynnika załamania światła. Wykorzystuje się tu zasadę, iż promienie światła trafiający na swej drodze na inny ośrodek, na powierzchni granicznej tzw. granicy dwóch ośrodków, częściowo zostają odbite, zaś ich reszta przechodzi do drugiego ośrodka jednocześnie ulegając załamaniu25-7. Kąt, pod jakim promień świetlny załamuje się, zależy od kąta jego padania na granicę ośrodków  oraz od współczynników załamania substancji przez które przechodzi światło.

Tabela nr 25-6
Tabela nr 25-6. Współczynnik załamania światła
 kamieni szlachetnych.

Określanie współczynnika załamania światła wykonuje się za pomocą przyrządu nazywanego refraktometrem. w jubilerstwie używa się ich w wersji uproszczonej, umożliwiającej szybki, prosty i zadawalająco precyzyjny pomiar.

Tabela nr 25-7
Tabela nr 25-7. Cieczek do badania współczynnika
 załamania światła kamieni szlachetnych.

Stosuje się także metodę oznaczania współczynnika załamania światła w oparciu o specjalne ciecze o znanym współczynniku załamania światła. Badanie takie polega na zanurzeniu w cieczy kamienia szlachetnego. Gdy współczynniki załamania cieczy i kamienia są takie same, to kontury kamienia rozmywają się i niekiedy wręcz całkowicie zanikają, staje się on niewidoczny. Powodowane jest to tym, że promienie świetlne przenikając przez ciecz do ciała o takiej samej gęstości optycznej nie zmieniają swojego kierunku. Ciecze wykorzystywane do badania przedstawiono w tabeli nr 25–7.

Ponieważ światło białe składa się z mieszaniny tzw. barw prostych wykazujących się niewielkimi różnicami w załamaniu, jako podstawę do wyznaczania współczynnik załamania światła przyjęto jednobarwne światło żółte uzyskiwane przez zabarwienie płomienia solami sodu.

Tabela nr 25-8
Tabela nr 25-8. Współczynnik załamania światła
diamentów  w zależności od barwy światła.

Najmocniej załamują się promienia światła czerwonego, najmniej fioletowego. Współczynniki załamania światła dla diamentu przedstawiono w tabeli nr 25–8. Znaczące różnice we współczynniku załamania światła nazywane dyspersją, występujące w diamentach są powodem bardzo efektownej gry barw, odróżniającej diament z pośród pozostałych kamieni szlachetnych.


25.2.4.4. Podwójne załamanie światła.


Ciała bezpostaciowe25-8 takie jak; szkło albo obsydian oraz ciała o układzie regularnym takie jak; diament, granat czy spinel, załamują światło pojedynczo, zaś pozostałe minerały załamują światło podwójnie (znaczy to że rozszczepiają światło na dwie wiązki). Zjawisko to nosi nazwę podwójnego załamania światła. By stwierdzić czy dany minerał podwójnie załamuje światło, wykorzystać można bardzo prosty sposób, polegający na oglądaniu przez badany kamień jednostajnego płomienia świecy. Ściany kamienia pojedynczo załamującego światło odbijać będą płomień świecy pojedynczo a gdy kamień jest dwójłomny, pojawia się podwojony obraz świecy. Przy małej dwójłomności podwojony zarys obrazu jest bardzo słabo widoczny a przy dużej dwójłomności, podwojony obraz świecy jest dobrze dostrzegalny.

Zdjęcie nr 25-13
Zdjęcie nr 25-13. Dychroskop kieszonkowy.

Dwójłomność występująca w minerałach jest wynikiem zależności prędkości światła od kierunku rozchodzenia się oraz kierunku polaryzacji25-9 światła. w kryształach jednoosiowych (kryształy dwójłomne), jeden ze załamanych promieni nazywany jest promieniem zwyczajnym i poddaje się on prawom załamania. Drugi zwany promieniem nadzwyczajnym, nie stosuje się do praw załamania. Natomiast w kryształach dwuosiowych, oba promienie nie stosują się do praw załamania.

Kryształy dwójłomne barwne w świetle przechodzącym, zależnie od kierunku wykazują zazwyczaj wiele barw. Minerały jednoosiowe w każdym kierunku prostopadłym do osi głównej, mają taką samą barwę, ale inną niż ta obserwowana w kierunku równoległym do osi głównej. Są więc one dwubarwne, ich przykłady to; beryl, kalcyt, kwarc, rubin, szafir, turmalin, czy cyrkon. Ciała optyczne dwuosiowe w trzech prostopadłych kierunkach, przepuszczają trzy różne rodzaje światła białego. Czyli są trójbarwne, zalicza się do nich np. topaz, oliwin czy uleksyt.

Badanie różnobarwności, czyli pleochroizmu wykonuje się przyrządem nazywanym dychroskopem. Zbudowany jest on z romboedru25-10 kalcytu, osadzonego w rurze, zakończonej na jednym końcu skierowanym do oka, otworem i słabą soczewką. Na drugim płytką mosiężna z wyciętym pośrodku małym otworem w kształcie kwadratu lub prostokąta. Wielkość tego małego otworu jest tak dobrana do grubości kryształu kalcytu, by patrząc np. w stronę nieba, wytworzone przez dwójłomność kalcytu dwa obrazy otworu, widzialne były tuż obok siebie, lub stykały się ze sobą. Gdy przed otworem umieścimy kryształy badanego minerału oraz zwrócimy przyrząd na jasną powierzchnię taką jak papier bądź w stronę nieba lub światła sztucznego i następnie obracamy sprawdzanym minerałem, kiedy zaobserwujemy jednakową barwę obrazów w jednym kierunku a w pozostałych inne barwy, to badany kamień jest jednoosiowy. Zalicza się go wówczas do układu tetragonalnego lub heksagonalnego. Przyrząd ten, zwany jest również od wynalazcy lupą Haidingera. Badanie pleochroizmu jest nieskomplikowanym i dogodnym sposobem rozpoznawania kamieni szlachetnych.



25-1Indykator od łacińskiego incicator, czyli ten który wskazuje lub indicare oznaczającym szacować.

25-2Występujący powszechnie kurz składa się z drobniutkich ziaren kwarcu o twardości 7 w skali Mohsa.

25-3Macica perłowa, mocno iryzująca warstwa wybranych gatunków muszli małżów oraz ślimaków.

25-4Aragonit CaCO3, minerał z gromady węglanów, polimorficzna odmiana węglanu wapnia, stanowi 90 % masy perłowej.

25-5Konchiolina to organiczny biopolimer, występuje w składzie zewnętrznej warstwy ochronnej muszli mięczaków, jest też składnikiem masy perłowej. Nierozpuszczalna w wodzie, alkoholu i eterze.

25-6Krystobalit to rzadki minerał należący do gromady krzemianów.

25-7Zmiana kierunku promienia na granicy dwóch ośrodków spowodowana jest tym, że światło w różnych ośrodkach rozchodzi się z różnymi szybkościami.

25-8Ciała bezpostaciowe inaczej amorficzne są to ciała stałe, tworzone przez cząsteczki ułożone w sposób dość chaotyczny, bardziej zbliżony do spotykanego w cieczach. Zazwyczaj są to substancje, które mają zdolność do krystalizacji, ale ze względu na duży rozmiar cząsteczek, zanieczyszczenia lub szybkie schłodzenie cieczy, nie mają warunków, aby w pełni skrystalizować. Najistotniejszą ich cechą jest zachowanie w procesie ogrzewania gdyż w odróżnieniu od kryształów nie mają one temperatury topnienia, lecz w sposób ciągły poprzez stan plastyczny przechodzą w stan ciekły.

25-9Polaryzacja jest to przekształcenie fali niespolaryzowanej w falę spolaryzowaną. Fala niespolaryzowana to taka, której drgania rozchodzą się w „dowolnych”, „przypadkowych” kierunkach a spolorazywana to taka,  w której drgania rozchodzą się w ściśle określony sposób.

25-10Romboedr, inaczej rombościan jest to równoległościan, którego każda ściana jest rombem, czyli bryłą ograniczoną sześcioma przystającymi rombami. Ma osiem wierzchołków i dwanaście krawędzi. Jego oś główna symetrii obrotowej, łączy te dwa wierzchołki, w których zbiegają się po trzy kąty równe.