Thành phần hóa học của đá quý

Như trong những phần trước, khi chúng ta tìm hiểu về những khái niệm cơ bản của đá quý, đa số đá quý đều là các khoáng vật. Đó là hợp chất hóa học tự nhiên, tạo thành trong vỏ trái đất, có thành phần hóa học, cấu trúc tinh thể và các tính chất vật lý xác định, khác với các khoáng vật khác.

Các khoáng vật là các hợp chất từ một hoặc một số nguyên tố hóa học.

Chúng ta biết rằng các nguyên tố hóa học là các chất đồng nhất, tạo nên hoàn toàn từ một loại nguyên tử và mỗi nguyên tử là một đơn vị nhỏ nhất của nguyên tố đó mà vẫn giữ đầy đủ các tính chất của nguyên tố. Cho đến nay trên trái đất người ta đã phát hiện ra được 92 nguyên tố hóa học (không kể các nguyên tố do các nhà vật lý tạo ra) có tính chất thay đổi có quy luật như trong Bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học.

Nguyên tử có cấu trúc giống như hệ mặt trời gồm hạt nhân nguyên tử ở bên trong và các điện tử quay xung quanh (đám mây điện tử). Hạt nhân nguyên tử chiếm hầu hết khối lượng của nguyên tử được tạo nên bởi các hạt proton (có điện tích dương) và các hạt nơtron (không mang điện tích). Điện tích dương của proton đã làm cho hạt nhân nguyên tử hút quanh nó các hạt mang điện tích âm – electron. Các electron này chuyển động xung quanh hạt nhân theo các quỹ đạo ứng với các mức năng lượng xác định, được ký hiệu là K,L,M,N.

Bình thường, các nguyên tử phải trung hòa về điện tích, vì vậy số proton và electron phải bằng nhau. Nếu nguyên tử cho đi hoặc nhận thêm điện tử (electron) chúng trở thành các ion, trong đó cation (mang điện tích dương) tạo thành khi nguyên tử cho đi điện tử và anion (điện tích âm), khi nguyên tử nhận thêm điện tử.

Khi các nguyên tử kết hợp với nhau, chúng tạo nên các phân tử. Phân tử là phần nhỏ nhất của một chất có thể tồn tại bền vững độc lập. Khi các phân tử tạo nên do sự kết hợp nguyên tử của các nguyên tố hóa học khác nhau thì gọi là hợp chất. Ngay các nguyên tử của cùng một nguyên tố cũng chỉ bền vững khi chúng liên kết với nhau thành phần tử. Ví dụ như oxy hoặc hydro thường liên kết thành cặp (O2, H2) và chúng được gọi là các nguyên tố hai nguyên tử. Trong khi đó lại có nhiều nguyên tố khác như He chẳng hạn, hoàn toàn bền vững ở trạng thái một nguyên tử, nghĩa là chúng vừa là nguyên tử vừa là phân tử. Những nguyên tố này được gọi là nguyên tố đơn nguyên tử.

Các chất trong tự nhiên có thể được tạo thành theo hai phương thức:

1. Trộn lẫn một cách cơ học hai hay nhiều nguyên tố với nhau. Lúc này chúng được gọi là một hỗn hợp chất (khác với hợp chất). Các chất tạo thành theo cách này thường có tỷ lệ các nguyên tố rất khác nhau, có thành phần không ổn định và không có cấu trúc rõ ràng. Chúng thường là các chất vô định hình.
2. Kết hợp theo các liên kết hóa học khác nhau, tạo nên các hợp chất hóa học. Các chất này (khoáng vật) có cấu trúc không gian ba chiều (cấu trúc tinh thể) rõ ràng, có thành phần hóa học xác định. Chúng là các chất kết tinh.

Các liên kết hóa học, hóa trị

Các nguyên tử được gắn kết với nhau để tạo thành hợp chất bằng các liên kết hóa học. Liên kết hóa học là kết quả của sự tương tác giữa các điện tử nằm cạnh nhau và gồm các dạng sau:

Liên kết ion: xảy ra khi có sự cho nhận điện tử trong các nguyên tử để tạo thành các ion. Các ion trái dấu nhau sẽ hút nhau và tạo nên các hợp chất. Các hợp chất tạo thành theo liên kết hóa học này đặc biệt phổ biến trong tự nhiên. Ví dụ là hợp chất clorua natri- muối ăn.

Liên kết cộng hóa trị: khi không có sự cho- nhận điện tử mà là sự góp chung các điện tử.

Liên kết kim loại: trong các kim loại, các nguyên tử gắn kết với nhau nhờ sự góp chung các điện tử ở vành ngoài cùng, nhưng các điện tử này lại chuyển động tự do từ nguyên tử này sang nguyên tử khác.

Liên kết hydro: là một liên kết yếu, xuất hiện khi có sự phân cực của các nguyên tử hoặc phân tử.

Trong các liên kết trên, liên kết ion và đồng hóa trị có vai trò quan trọng nhất đối với sự hình thành các khoáng vật đá quý.

Ví dụ về các loại đá quý tạo thành theo liên kết ion là corindon, spinel, hematit… những đá quý điển hình nguyên tử liên kết với nhau bằng liên kết đồng hóa trị là kim cương (C) và thạch anh (SiO2).

Các nguyên tử có thể tham gia vào liên kết hóa học là các điện tử vành ngoài của nguyên tử. Chúng được gọi là điện tử hóa trị. Chúng đóng vai trò chủ đạo trong việc quyết định các tính chất hóa lý của nguyên tử. Số điện tử có thể cho, nhận hoặc cùng tham gia để tạo nên các hợp chất được gọi là hóa trị.

Thành phần của một hợp chất (khoáng vật quý) được thể hiện bằng công thức hóa học. Ví dụ: 2 cation nhôm Al3+ liên kết hóa học với 3 anion oxy O2- tạo nên hợp chất có công thức hóa học là Al2O3. Ở trạng thái tinh khiết Al2O3 không màu và có tên gọi là corindon, nếu lẫn một phần rất nhỏ (từ 0,0n-0,n%) các nguyên tố tạo màu như (Cr,Fe,Ti…) nó sẽ có các màu khác nhau. Nếu có màu đỏ thì gọi là ruby, có màu xanh thì gọi là sapphire.

Chỉ có các nguyên tố hóa học chính (còn gọi là nguyên tố cấu trúc) mới ghi trong công thức hóa học. Các nguyên tố tạp chất không ghi trong công thức. Ví dụ, công thức hóa học của cả ruby và sapphire đều là Al2O3, mặc dù trong chúng có thể chứa nhiều nguyên tố tạp chất khác nhau như Cr, Ti, Fe, V…

Đa số đá quý đều là các hợp chất silicat (do sự liên kết của các axit silic với các kim loại) và các oxit (hợp chất của các kim loại với oxy). Chỉ một lượng nhỏ các đá quý thuộc các dạng hợp chất khác:

• Carbonat: là các muối tạo thành do phản ứng giữa axit carbonic với các kim loại
• Phosphat: các muối tạo thành do phản ứng giữa axit phosphoric với các kim loại.
• Các đơn chất: kim cương, lưu huỳnh.

Thành phần hóa học của đá quý có thể được xác định bằng nhiều phương pháp khác nhau như phân tích hóa, phân tích quang phổ, phân tích microsond…

Thành phần hóa học có ảnh hưởng nhất định đến các tính chất vật lý của đá quý, trong đó có thể hiện rõ nhất là độ bền của chúng. Dưới góc độ này, Peter G Read đã chia đá quý thành bốn nhóm chính:

1. Các oxyt: thường là các chất bền vững và có khả năng chống lại các tác động hóa học. Như spinel, corindon, chrysoberyl, ,thạch anh…
2. Các carbonat: thường mềm và dễ bị các axit tác dụng. ví dụ như Rhodochrosit, malachit
3. Các phosphat: mềm và ít chống lại các tác dụng của axit, như apatit, bizura..
4. Các silicat: rất cứng và bền vững. những ví dụ điển hình về các đá quý trong nhóm silicat là jadeit, topaz, zircon, peridot…

Tuy nhiên , tính chất của các khoáng vật đá quý phụ thuộc nhiều vào sự sắp xếp của các nguyên tử trong cấu trúc tinh thể hơn là vào bản chất hóa học của hợp chất. Về phần mình, sự sắp xếp này lại phụ thuộc nhiều vào kích thước tương đối (bán kính hiệu dụng) của các nguyên tử.

Thành phần hóa học giúp ta hiểu biết về đá quý nhưng lại rất ít khi được sử dụng để giám định đá quý, vì hầu hết các phương pháp xác định thành phần hóa đều gây ra phá hủy mẫu và khá đắt tiền.