Čeština 
English 
Español 
Português 
Deutsch 
Italiano 
Français 
العربية 
Русский 
Bahasa Indonesia 
日本語 
한국어 
Suomi 
Svenska 
Polski 
Română 
Ελληνικά 
Türkçe 
Magyar 
Norsk bokmål 
Jednou se dozvědět vše o drahých kamenech krystalografie
Komplexní průvodce o formách, typech, klasifikacích a rozdílech v krystalografii
Země se skládá z bezpočtu molekul a atomů. Moderní vědecký výzkum zjistil, že pevné materiály v přírodě se skládají z různých chemických prvků. Výsledky rentgenové analýzy ukazují, že atomy v prvcích některých pevných materiálů jsou uspořádány úhledně a pravidelně vedle sebe. Tyto materiály jsou klasifikovány jako krystalické nebo označovány jako krystaly a jejich uspořádaná atomová mřížka se nazývá krystalová struktura (obrázek 2-1-1).
Většina drahých kamenů, které rostou v přírodě i v laboratořích, je krystalická. V této kapitole se budeme zabývat pojmem krystaly, jejich klasifikací, vztahem mezi krystaly a základní terminologií v gemologii.
Obsah
Oddíl ⅠPojmy a popis krystalů
Když se zmíníme o drahokamech, často si vybavíme jejich třpytivé a průsvitné vlastnosti (obrázek 2-1-2). Z pohledu geologů a gemologů patří většina oblíbených drahokamů ke geometrické formě pevných krystalů. Podstatou krásy krystalů je ve skutečnosti krása geometrie.
1. Pojem krystaly
Krystaly jsou nejsnáze asociovatelné a nejčastěji se vyskytují v přírodě. Krystaly se vyskytují na všech sedmi kontinentech Země, a pokud je v přírodě najdeme, mají často podobu geometrických mnohostěnů (obrázek 2-1-3). Běžně se označují jako krystaly. Později byl tento termín rozšířen na označení v přírodě se vyskytujících pevných látek s geometrickými mnohostěny, jako jsou krystaly diamantu a akvamarínu (obrázek 2-1-4). Krystaly lze také označit pevné materiály s nepravidelným, nerovným, opotřebovaným, porušeným nebo uměle opracovaným povrchem, ale s uspořádáním atomů, které stále dodržuje pravidelný vzorec. Krystalografové se domnívají, že všechny krystaly mají šest základních charakteristik: sebeomezení, stejnoměrnost, anizotropii, symetrii, stabilitu a pevný bod tání.
① Samoomezující se odkazuje na vlastnost chemických prvků spontánně vytvářet geometrické mnohostěny. Touto vlastností lze vysvětlit, proč mají různé prvky různé geometrické tvary krystalů.
② Uniformita znamená vlastnost, že fyzikální a chemické vlastnosti všech částí krystalu jsou stejné. Tato vlastnost nám může pomoci rozlišit a identifikovat různé krystaly minerálů.
③ Anizotropie označuje vlastnost, kdy se uspořádání prvků mění v různých směrech, což vede k mírným rozdílům ve fyzikálních vlastnostech v závislosti na směru. Touto vlastností lze vysvětlit, proč lze diamanty s nejvyšší tvrdostí brousit a leštit.
④ Symetrie označuje vlastnost, kdy se shodné části nebo vlastnosti krystalu opakují v pravidelném vzoru. Tato vlastnost je pro krystaly nesmírně důležitá a zvláštní a bude podrobněji popsána ve druhé části této kapitoly.
⑤ Stabilitou se rozumí stabilita krystalu vyplývající z jeho minimální vnitřní energie. Pokud je vnitřní energie krystalu vysoká a nerovnoměrná, je náchylný k samovolnému praskání. Tato vlastnost může vysvětlovat, proč se krystaly rubínu syntetizované technikou plamenné syntézy jeví vždy spíše jako poloviční než úplné.
⑥ Pevný bod tání označuje vlastnost, že krystal má pevný bod tání.
Obrázek 2-1-3 Granát (vlevo je krystal, vpravo leštěný granát)
Obrázek 2-1-4 Akvamarínový krystal
2. Ideální forma krystalů
Krystaly, o kterých se v krystalografii mluví, jsou většinou ideální monokrystaly. Ideální monokrystal je definován jako krystal, jehož vnitřní struktura se striktně řídí pravidly prostorových mřížek a jehož tvar je pravidelnou geometrickou kombinovanou formou. Tvary ideálních monokrystalů se dělí na dva typy: jednoduché tvary a kombinované tvary.
(1) Jednoduchý formulář
Jednoduchou formou se rozumí kombinace skupiny krystalových ploch spojených prvky symetrie, kterou lze chápat jako geometrické těleso složené z krystalových ploch stejného tvaru a velikosti v ideálním stavu (obrázek 2-1-5). V krystalech existuje 47 typů jednoduchých forem.
Klíčové body pro identifikaci jednoduchých forem jsou: všechny krystalové plochy v krystalu mají stejný tvar a velikost a krystalové plochy mohou být různě orientovány.
(2) Kombinace Formulář
Souhrn jednoduchých forem se nazývá kombinovaná forma, složená ze dvou nebo více různých jednoduchých forem. Ne všechny jednoduché formy lze volně kombinovat do kombinované formy; agregovat lze pouze jednoduché formy se stejnou skupinou bodů (obrázky 2-1-6 až 2-1-8).
Obrázek 2-1-6 Kombinace tetragonálních hranolů a tetragonálních dipyramidálů
Obrázek 2-1-7 Kombinace z krychle a kosočtverečného dvanáctistěnu
Klíčovým bodem identifikace kombinované formy je přítomnost dvou nebo více různě tvarovaných krystalových ploch v krystalu.
Pokud se v přírodě vyskytují monokrystaly, vždy se výrazně liší od ideální morfologie monokrystalů (obrázek 2-1-9), například jedna stěna nemusí mít stejný tvar a velikost a dochází k zániku krystalových stěn, což se popisuje jako deformované krystaly.
Deformované krystaly lze také popsat jako skutečné krystaly vznikající v přírodě, ovlivněné růstovým prostředím. Více krystalových ploch, které se v ideálních krystalech opakují pod pevnými úhly, nemusí mít nutně stejný tvar a velikost. Přesto však u stejného typu krystalu musí mít krystalové plochy stejného monomorfního tvaru stejný vzor a fyzikální vlastnosti. Úhly mezi odpovídajícími krystalovými plochami zůstávají nezměněny, což odráží vrozenou symetrii samotného krystalu. Krystaly vyskytující se ve skutečnosti jsou v různé míře deformované.
Dvojité krystaly lze také popsat jako skutečné krystaly vznikající v přírodě pod vlivem růstového prostředí. Vícenásobné krystalové plochy, které se v ideálních krystalech opakují pod pevnými úhly, nemusí mít nutně stejný tvar a velikost. Přesto však u stejného typu krystalu musí mít plochy stejného tvaru stejné vzory a fyzikální vlastnosti. Úhly mezi odpovídajícími krystalovými plochami zůstávají nezměněny, což odráží vrozenou symetrii samotného krystalu. Všechny krystaly, které se vyskytují ve skutečnosti, jsou v různé míře dvojčatové.
3. Krystalizační zvyklosti krystalů
Krystaly vzniklé v přírodě nemohou nikdy dosáhnout dokonalého tvaru. Pokud rostou v mezerách horninových vrstev, obklopených horninou, přirozený tvar krystalu se zkreslí. Dokonce i krystaly vypěstované v laboratoři se vlivem gravitace deformují. Pouze v podmínkách nulové gravitace na Mezinárodní vesmírné stanici mohou vědci kultivovat krystaly dokonalého tvaru, které hledají.
Přestože tvary krystalů jsou nedokonalé, každý typ krystalu minerálu má tendenci růst nebo se shlukovat různými způsoby nebo zvyky.
Každý minerál má tendenci vznikat za specifických podmínek a jeho zvyklosti odrážejí podmínky jeho vzniku. Některé minerály, například křemen, mají složité a proměnlivé podmínky vzniku. Proto má křemen také více habitusů.
Obecně se krystalové habity vztahují k vlastnostem určitého krystalu, který má za určitých vnějších podmínek tendenci vytvářet určitý tvar. Někdy odkazuje na běžné typy jednoduchého tvaru daného krystalu.
Podle stupně vývoje krystalů v trojrozměrném prostoru se krystalové habity dělí na tři základní typy.
(1) Uni-směrové rozšíření
Krystaly se rozšiřují v jednom směru a vyskytují se ve sloupcovitých, jehlicovitých, vláknitých formách atd. Tento habitus často vykazují minerály jako beryl, turmalín, rohovec a malachit (obr. 2-1-10 až obr. 2-1-11).
Obrázek 2-1-10 Sloupcovitý akvamarín (nahoře) a jeho krystalový habitus (dole)
Obrázek 2-1-11 Vláknitý malachit (nahoře) a jeho krystalový habitus (dole)
(2) Bi-směrové rozšíření
Krystaly se rozprostírají v rovině, objevují se v deskovitých, listovitých, šupinovitých apod. formách, neboť tento habitus často vykazují minerály jako wolframit, slída, plumbago a tanzanit (obr. 2-1-12).
(3) Tri-směrová izometrie
Krystaly se vyvíjejí rovnoměrně ve třech směrech a představují izometrické, zrnité formy, jako je spinel, granát, diamant, pyrit a fluorit, které často vykazují tento habitus (obrázky 2-1-13, 2-1-14).
Obrázek 2-1-12 Deskovitý krystalový habitus tanzanitu (nahoře) a jeho krystalový habitusový diagram (dole).
Obrázek 2-1-13 Oktaedrický krystalový habitus drahokamu spinel (nahoře) a jeho krystalový habitusový diagram (dole)
Kromě toho existují přechodné typy, jako jsou krátké sloupcovité, deskovité sloupcovité, pásovité a tlusté deskovité formy.
Chemické složení a struktura krystalu určují především krystalový habitus. Úzce souvisí také s vnějšími podmínkami při vzniku krystalu (jako je teplota, tlak, koncentrace, viskozita a nečistoty), například s rozdíly ve tvaru krystalů mezi diamanty a syntetickými krystaly diamantů.
4. Pravidelná agregace krystalů
V přírodě se můžeme setkat s jednotlivými krystaly (obrázek 2-1-15) a se dvěma nebo více jednotlivými krystaly, které spolu tvoří celek. Tento jev, kdy více krystalů roste dohromady, se nazývá agregace krystalů. Agregaci krystalů lze rozdělit na nepravidelné a pravidelné typy. Nepravidelnou agregaci krystalů lze chápat jako kolektivní, což bude podrobněji popsáno ve třetí kapitole. U pravidelné agregace krystalů se vyskytují čtyři běžné typy: paralelní agregace, bikrystaly, přerůstání a prorůstání (obrázky 2-1-16 až 2-1-18). Tato kapitola pojednává především o typu pravidelné agregace známé jako bikrystaly.
Obrázek 2-1-15 Monokrystal (turmalín)
Obrázek 2-1-16 Paralelní agregace (Když více krystalů stejného typu roste paralelně v prostoru, nazývá se paralelní agregace. V tomto okamžiku jsou všechny odpovídající krystalové plochy a hrany vyrostlých krystalů navzájem rovnoběžné.)
Obrázek 2-1-17 Dvojitý krystal (spinel)
Obrázek 2-1-18 Přerůstání (určitý typ krystalu roste na povrchu jiného krystalu v určitém krystalografickém směru, známé také jako epitaxní růst)
Bikrystaly jsou pravidelné seskupení dvou nebo více stejných krystalů podle určitých symetrických pravidel. (Dvojitá osa, dvojitá rovina) Příslušné stěny, hrany a úhly dvou sousedních jedinců nejsou zcela rovnoběžné. Přesto se mohou vzájemně odrážet prostřednictvím symetrických operací, jako je rotace a inverze rotace, což umožňuje, aby se obě individua shodovala nebo vyrovnávala.
4.1 Klíčové body pro identifikaci bikrystalů
① Konkávní úhly viditelné u dvojčatných krystalů (obrázek 2-1-19).
② Stylolit: Mikromorfologie a další charakteristiky krystalových ploch na obou stranách stylolitu jsou nespojité (obrázek 2-1-20).
Obrázek 2 - 1-19 Konkávní úhel dvojčete
Obrázek 2-1-20 Stylolit (různé barvy na obrázku představují různé krystaly; červené čáry označují dvojčata stylolitu)
③ Dvojité pruhování: Krystalové plochy nebo štěpné roviny vykazují jemné dvojčatné proužky (obrázek 2-1-21).
④ Leptaná figurka: Vzhled leptacího obrázku indikuje přítomnost dvojčat (obrázek 2-1-22).
Obrázek 2-1-21 Schéma polysyntetických dvojčat
Obrázek 2-1-22 Povrch spinelu s obrácenými trojúhelníkovými jamkami.
⑤ Vznik pseudosymetrie: vznik symetrických vztahů, které neodpovídají vlastní bodové skupině krystalového monokrystalu (obr. 2-1-23 až obr. 2-1-24).
Obrázek 2-1-23 Monokrystal chryzoberylu
Obrázek 2-1-24 Kolenovité dvojče chryzoberylu
Dvojčata se dělí na pět typů podle jejich stohovacích vlastností: kontaktní dvojčata (obrázky 2-1-25 až 2-1-26), polysyntetická dvojčata (obrázek 2-1-27), prolínající se dvojčata (obrázek 2-1-28), tripletové krystaly (obrázek 2-1-29) a komplexní dvojčata, mezi nimiž jsou první čtyři typy běžné.
Obrázek 2-1-26 Kontaktní dvojčata spinelu (nahoře) a jejich schéma (dole)
Obrázek 2-1-27 Polysyntetické dvojče labradoritu (nahoře) a jeho schéma (dole)
Obrázek 2-1-28 Dvojité krystaly živce (nahoře) a schéma prolínajících se dvojkrystalů jiných typů (dole)
Obrázek 2-1-29 Trigonální dvojčata chryzoberylu (nahoře) a jejich schéma (dole)
4.2 Vznik bikrystalů
① Vzniká během růstu krystalu, může se vyvinout z dvojčat krystalových zárodků nebo malých krystalů rostoucích v závislosti na poloze dvojčat.
② Vzniká během procesu heteromorfní přeměny, například když se α křemen přemění na β křemen a vytvoří dvojčata.
③ Vzniká mechanickým působením, kdy část krystalu klouže podél určité směrové roviny a vytváří deformační dvojčata, jako jsou dvojčata kalcitu.
5.Vzory křišťálových tváří
Pokud jsou krystaly objeveny v přírodě, mají často neúplné tvary (obrázek 2-1-30) a zvláštní povrchové vzory. Někdy rostou pohromadě ve shlucích (obrázek 2-1-31), které se často výrazně liší od standardních geometrických mnohostěnů, které známe, jako jsou krychle a šestiboké hranoly. Tento jev se nazývá skutečná forma krystalů. Reálná forma krystalů má v krystalografii podrobnou klasifikaci, např. deformované krystaly, konvexní krystaly, zakřivené krystaly, plovoucí krystaly, pruhy na krystalových plochách, leptané figury, dvojčatné pruhy atd.
Obrázek 2-1-30 Rubínový krystal
Obrázek 2-1-31 Krystaly pyritu (vlevo je znázorněno několik krystalů pyritu rostoucích společně, vpravo je znázorněn jediný krystal pyritu)
Tato část se zabývá především vzory krystalových ploch v reálné podobě krystalů.
Teoreticky jsou krystalové roviny hladké a ploché. Přesto se při skutečném růstu nebo rozpouštění krystalů na jejich povrchu často objevují mírně nerovnoměrné pravidelné obrazce, kterým se běžně říká obrazce krystalových ploch. Mezi vzory krystalových ploch patří růstové pruhy, růstové vrstvy, spirálové vzory, růstové pahorky a leptané obrazce. Vzory krystalových stěn, o nichž pojednává tato kniha, se týkají především pruhů krystalových stěn a leptaných figur, které lze pozorovat pouhým okem nebo za podmínek malého zvětšení.
Pruhy na krystalové ploše označují řadu rovnoběžných přímek na povrchu krystalu, které jsou důsledkem opakovaného sbližování a střídavého růstu různých jednoduchých forem. Jsou také známé jako "kombinované pruhy" a vyskytují se pouze na povrchu krystalů, nazývaných také růstové pruhy. Například hexagonální prizmatická krystalová plocha křemene má často střídavě vyvinuté hexagonální prizmatické a rombické dodekaedrické jemné krystalové plochy do agregátních příčných pruhů (obrázek 2-1-32).
Leptací figury označují specifické tvarové důlky (tj. leptací jamky), které zůstaly na povrchu krystalu v důsledku koroze po vytvoření krystalu. Leptací figury jsou řízeny uspořádáním elementárních částic v ploše krystalu. Proto se tvary a orientace leptaných figur liší mezi různými minerály a jednotlivými formami téhož krystalu. Například leptací obrazce na různých jednoduchých formách krystalů diamantu se liší; trojúhelníkové důlky lze pozorovat na osmistěnných krystalech (obrázek 2-1-33), čtyřúhelníkové důlky na krychlových stěnách, překrývající se čtyřúhelníkové důlky vytvářejí mřížkovitý vzor a na kosočtvercových dvanáctistěnech lze pozorovat čárové vzory nebo mikroskopické diskovité vzory (obrázek 2-1-34).
Obrázek 2-1-33 Viditelné obrácené trojúhelníkové důlky na osmistěnném krystalu diamantu
Obrázek 2-1-34 Lineárně vzorovaná textura viditelná na kosočtverečných dodekaedrických krystalech
Pouze leptové figury na stejné krystalové ploše téže formy mohou být stejné, proto se leptové figury často používají k identifikaci minerálů a k určení, zda krystalové plochy patří k téže jediné formě (obr. 2-1-35 až obr. 2-1-42).
Obrázek 2-1-35 Pruhy ve stylu dřevěné podlahy vykládané krystaly fluoritu
Obrázek 2-1-36 Přirozený trojúhelníkový lept v rubínu (běžné vodorovné pruhy v rubínech, růstové linie rovnoběžné s kosočtverečným směrem, přirozené leptání ve tvaru trojúhelníku nebo šestiúhelníku)
Obrázek 2-1-37 Povrchové podélné proužky turmalínu
Obrázek 2-1-38 vodorovné pruhy na povrchu krystalu
Obrázek 2-1-39 Leptané obrazce na povrchu krystalu
Obrázek 2-1-40 Povrchové podélné proužky topazu
Obrázek 2-1-41 Topografický snímek krystalu topazu
Obrázek 2-1-42 Leptací figury spinelu
Oddíl II 47 Typy krystalových forem
V krystalografii existuje 146 různých jednoduchých forem, které lze na základě jejich samostatně existujících geometrických tvarů rozdělit do 47 geometrických forem. Tyto geometrické formy jsou pojmenovány následujícími způsoby:
① Pojmenování podle charakteristiky tvaru průřezu, např. trigonální hranol, tetragonální hranol, hexagonální hranol, kosočtvercový bipyramid atd.
② Pojmenování podle tvaru jednoduché formy, jako je válec, dvojitý kužel, krychle atd.
③ Pojmenování podle počtu geometrických stěn, např. jednoduchá stěna, osmistěn atd.
④ Pojmenování podle tvaru geometrických stěn, například kosočtverec, pětistěn atd.
V krystalografii se jednotlivé formy dělí do čtyř kategorií: obecné formy a speciální formy, uzavřené formy a otevřené formy, pravidelné formy a nepravidelné formy, levotočivé formy a pravotočivé formy. V této kapitole se budeme stručně zabývat uzavřenými formami a otevřenými formami.
Uzavřené formy se vztahují k těm, jejichž krystalové stěny mohou uzavřít uzavřený prostor, a dělí se do tří hlavních kategorií: polyedrické třídy, šikmé polyedrické třídy a bipyramidální třídy, celkem 30 typů. Každá kategorie má podrobnější klasifikaci; například polyedrická třída se dělí na tetraedrickou třídu, oktaedrickou třídu, kubickou třídu atd. (obrázky 2-1-43 až 2-1-48).
Obrázek 2-1-43 Třída tetraedrů
Obrázek 2-1-44 Třída 0ctahedral
Obrázek 2-1-45 Krychlové a dodekaedrické třídy
Obrázek 2-1-46 Další polyedrické typy
Obrázek 2-1-47 Šikmá kombinovaná forma Třída
Obrázek 2-1-48 Dvojitá pyramidová třída
Otevřené formy se vztahují k těm, jejichž krystalové stěny nemohou uzavřít uzavřený prostor, a dělí se do čtyř hlavních kategorií: jednolité, dvojité, sloupcovité a jednoduché pyramidální třídy, celkem 17 typů (obrázky 2-1-49 a 2-1-51).
Obrázek 2-1-49 Jednostranný a oboustranný tisk
Obrázek 2-1-50 Sloupce
Oddíl III Klasifikace krystalů
1. Symetrie krystalů
Symetrie je abstraktní pojem při studiu skutečných krystalů a nezpracovaných drahých kamenů. Popisuje opakování, které se projevuje, když je krystalová struktura vztažena ke směru nebo rovině, která jí prochází. Je to základ pro klasifikaci krystalů.
Symetrii krystalu lze z mikroskopického hlediska chápat jako metodu popisu opakovatelnosti krystalové struktury a z makroskopického hlediska jako opakování dvou nebo více geometrických ploch, které mají stejný tvar a velikost, ale mohou se lišit ve směru podle určitých pravidel. Tento vzorec opakování lze popsat pomocí os symetrie a rovin symetrie, přičemž každá osa symetrie nebo rovina symetrie se označuje jako prvek symetrie. Při pozorování nebo odvozování symetrie objektu se tato činnost popisuje jako provádění operací se symetrií.
2. Symetrické prvky krystalů
V krystalografii existují čtyři prvky symetrie: osa symetrie, rovina symetrie, osy rotoinverzní symetrie a symetrický střed. Toto se bude týkat dvou prvků symetrie: osy symetrie a roviny symetrie.
2.1 Osa symetrie
(1) Pojem osy souměrnosti a jejich zápis.
Osa symetrie je pomyslná přímka, která udává, kolikrát se základní úroveň (obrázky 2-2-1 až 2-2-2) objeví ve stejné poloze, když se mřížová struktura otočí o 360° kolem této pomyslné přímky. Tento počet může být ve čtyřech případech pouze 2, 3, 4 nebo 6krát. Lze jej také chápat jako pomyslnou přímku procházející středem geometrického tělesa, přičemž geometrické těleso se podél této přímky otáčí o 360°. Předpokládejme, že tvar geometrického tělesa po otočení o určitý úhel je shodný s tvarem geometrického tělesa při počátečních nulových stupních. V takovém případě se tato pomyslná přímka nazývá osa souměrnosti.
Obrázek 2-2-1 Výběr základní úrovně pro jednotný formulář.
Základní úroveň jednoduchého tvaru je nejmenší opakující se rovina, která tvoří simplex. Na obrázku vlevo nahoře je zobrazen kosočtvercový dvanáctistěn, což je uzavřený útvar složený z jednoho typu stěn. Nejmenší opakující se rovinou je kosočtverec zobrazený vpravo nahoře, takže základní úrovní pro kosočtvercový dodekaedr je kosočtverec. Vlevo dole na obrázku je zobrazen čtyřboký osmistěn, což je uzavřený útvar složený z jednoho typu stěny. Nejmenší opakující se rovinou je čtyřúhelník zobrazený vpravo dole, takže základní rovinou pro čtyřboký osmistěn je čtyřúhelník.
Obrázek 2-2-2 Výběr základní úrovně pro polytop.
Sdružením více jednoduchých forem vzniká kombinovaná forma a volba základní úrovně pro kombinovanou formu je úsudkem o jednoduché formě, která kombinovanou formu tvoří. První sloupec zleva na obrázku představuje kombinovanou formu (vzniklou agregací jednoduchých forem dodekaedru a tetraedru) a toto geometrické těleso je uzavřený útvar složený ze dvou typů stěn. Šestiúhelník představuje minimální opakující se rovinu ve druhém sloupci a kosočtverec vpravo ve třetím sloupci. Základní rovinou pro kombinovaný útvar v prvním sloupci je tedy buď šestiúhelník, nebo kosočtverec. Při výpočtu osy symetrie lze jako základní hladinu pro záznam symetrie zvolit pouze jeden tvar.
Osa symetrie se označuje velkým písmenem L, přičemž pořadí osy je následující n napsané v pravém horním rohu L, zapsané jako Lⁿ. Například 2násobná osa se označuje jako L², 3násobná osa jako L³, 4násobná osa jako L⁴ a 6násobná osa jako L⁶. L⁶, L⁴, L³ se obvykle označuje jako osa vyššího řádu.
Krystaly mohou mít osy symetrie v různých směrech a počet těchto neshodných os symetrie se obvykle zapisuje vlevo od L. Například šest sekundárních os se označuje jako 6L² (obrázek 2-2-3 až obrázek 2-2-9), tři terciární osy jako 3L³ (obrázek 2-2-10 až obrázek 2-2-14), čtyři terciární osy jako 4L³ (obrázek 2-2-15 až obrázek 2-2-18) a jedna hexagonální osa jako L⁶ (obrázek 2-2-19).
Pokud má krystal více os symetrie, zaznamenaná metoda je seřadí zleva doprava v sestupném pořadí, přičemž počet os symetrie je zapsán na levé straně příslušné osy, například L⁶6L², 3L⁴4L³6L².
Obrázek 2-2-3 Sekundární osa krychle
Na levé straně obrázku je zobrazen rozložený pohled na krychli, červené tečky označují průsečíky pomyslné přímky a hran. Pravá strana obrázku znázorňuje uzavřenou krychli, kde se sekundární osa může objevit ve středu rovnoběžných hranových přímek, ve středu rovnoběžných pravoúhlých stěn nebo v průsečících tří nebo více rovnoběžných stěn připomínajících obdélník.
Kopírování @ Sobling.Jewelry - Výrobce šperků na zakázku, továrna na šperky OEM a ODM
Obrázek 2-2-4 První sekundární osa krychle
Vyberte střed rovnoběžek, jak je znázorněno na obrázku. Představte si přímku procházející středy těchto dvou hran a otáčející krychli o 360°. Základní úrovně s různými barvami, ale stejným tvarem se budou opakovat dvakrát ve stejné poloze (červená a modrá stěna, žlutá a zelená stěna, dvě bezbarvé stěny a tři sady opakujících se stěn. Ačkoli se objeví tři sady opakujících se ploch, protože pomyslná čára nezměnila polohu ani úhel, sekundární osa je zaznamenána pouze jednou). Tato pomyslná čára je zaznamenána jako sekundární osa.
Obrázek 2-2-5 Druhá sekundární osa krychle
Vyberte střed rovnoběžek, jak je znázorněno na obrázku. Představte si přímku procházející středy těchto dvou hran a otáčející krychli o 360°. Základní úrovně s různými barvami, ale stejným tvarem se budou opakovat dvakrát ve stejné poloze (červená a zelená stěna, žlutá a modrá stěna, dvě bezbarvé stěny a tři sady opakujících se stěn). Tato pomyslná čára je zaznamenána jako druhá sekundární osa.
Obrázek 2-2-6 Třetí sekundární osa krychle.
Vyberte střed rovnoběžek, jak je znázorněno na obrázku. Představte si přímku procházející středy těchto dvou hran a otáčející krychli o 360°. Základní úrovně s různými barvami, ale stejným tvarem se budou opakovat dvakrát na stejném místě (červené a bezbarvé stěny, zelené a modré stěny, bezbarvé a žluté stěny, tři sady opakujících se stěn). Tato pomyslná čára je zaznamenána jako třetí sekundární osa
Obrázek 2-2-7 Čtvrtá sekundární osa krychle
Zvolte střed rovnoběžek, jak je znázorněno na obrázku, představte si přímku procházející středy těchto dvou hran a otočte krychli o 360°; různobarevné, ale stejně tvarované referenční roviny se budou opakovat ve stejné poloze dvakrát (červená a bezbarvá plocha, zelená a modrá plocha, bezbarvá a žlutá plocha, tři sady opakujících se ploch), tato pomyslná přímka je zaznamenána jako čtvrtá sekundární osa.
Obrázek 2-2-8 Pátá sekundární osa krychle.
Vyberte středy rovnoběžek, jak je znázorněno na obrázku, představte si přímku procházející středy těchto dvou hran, otočte krychli o 360°, různobarevné, ale stejně tvarované referenční roviny se budou opakovat ve stejné poloze dvakrát (červené a bezbarvé plochy, zelené a modré plochy, bezbarvé a žluté plochy, tři sady opakujících se ploch), tato představovaná přímka je zaznamenána jako pátá sekundární osa.
Obrázek 2-2-9 Šestá sekundární osa krychle
Vyberte střed rovnoběžek, jak je znázorněno na obrázku. Představte si přímku procházející středy těchto dvou hran a otáčející krychli o 360°. Různě zbarvené, ale stejně tvarované základní úrovněse budou opakovat ve stejné poloze dvakrát (zelené a bezbarvé stěny, červené a žluté stěny, bezbarvé a modré stěny, tři sady opakujících se stěn). Tato pomyslná čára je zaznamenána jako šestá sekundární osa.
Obrázek 2-2-10 Terciární osa krychle
Na levé straně obrázku je zobrazen rozložený pohled na krychli, přičemž červená tečka označuje průsečík pomyslné přímky s hranovou čárou. Pravá strana obrázku ukazuje uzavřenou krychli; červené body označují průsečík pomyslné přímky a hrany. Třetinová osa se může objevit ve středu stěn rovnoběžného rovnostranného trojúhelníku, v průsečíku tří nebo více rovnoběžných stěn připomínajících rovnostranný trojúhelník.
Obrázek 2-2-11 První terciární osa krychle.
Vyberte průsečíky tří stěn podle obrázku, představte si přímku procházející středy těchto dvou hran, otočte krychli o 360°, různobarevné, ale stejně tvarované referenční roviny se budou opakovat ve stejné poloze třikrát (červená, bezbarvá a modrá stěna, zelená, bezbarvá a žlutá stěna, dvě sady opakujících se stěn), tato představovaná přímka je zaznamenána jako první terciární osa.
Obrázek 2-2-12 Druhá terciární osa krychle.
Vyberte průsečíky tří ploch, jak je znázorněno na obrázku. Představte si přímku procházející středy těchto dvou hran a otáčející krychli o 360°. Různě barevné, ale stejně tvarované základní roviny se budou opakovat ve stejné poloze třikrát (červené, bezbarvé a modré stěny; zelené, bezbarvé a žluté stěny, dvě sady opakujících se stěn). Tato pomyslná čára je zaznamenána jako druhá terciární osa.
Obrázek 2-2-13 Třetí terciární osa krychle
Vyberte průsečíky tří ploch, jak je znázorněno na obrázku. Představte si přímku procházející středy těchto dvou hran a otáčející krychli o 360°. Různě barevné, ale stejně tvarované základní roviny se budou opakovat ve stejné poloze třikrát (červené, bezbarvé a zelené stěny; modré, bezbarvé a žluté stěny, dvě sady opakujících se stěn). Tato pomyslná čára je zaznamenána jako třetí terciární osa.
Obrázek 2-2-14 Čtvrtá krychlová osa krychle.
Vyberte průsečík tří stěn, jak je znázorněno na obrázku, za předpokladu, že středem obou hran prochází jedna přímka, otočte krychli o 360°, různé barvy, ale stejný tvar základní úrovně bude stejný. Polohu zopakujte třikrát (červená, bezbarvá, zelená stěna, modrá, bezbarvá a žlutá stěna, dvě sady opakujících se stěn). Tato pomyslná čára je zaznamenána jako čtvrtá osa krychle.
Obrázek 2-2-15 Čtvrtá osa kostky
Na levé straně obrázku je zobrazen rozložený pohled na krychli, přičemž červené tečky označují průsečíky pomyslné čáry a hran. Pravá strana obrázku ukazuje uzavřenou krychli, přičemž červené tečky označují průsečíky pomyslné přímky a roviny. Čtvrtá osa se může objevit ve středu rovnoběžných čtvercových ploch, v průsečíku tří nebo více rovnoběžných ploch, které připomínají čtverec.
Obrázek 2-2-16 První kvartická osa krychle
Zvolte středy rovin znázorněných na obrázku, předpokládejte, že středy obou rovin prochází přímka, a otočte krychli o 360°. Různě barevné, ale stejně tvarované plochy základní roviny se budou opakovat ve stejné poloze čtyřikrát (červená, modrá, zelená a žlutá plocha) a tato hypotetická přímka je zaznamenána jako čtyřnásobná osová.
Obrázek 2-2-17 Druhá kvartická osa krychle
Vyberte střed roviny podle obrázku, představte si přímku procházející krychlí a otočte krychlí o 360°; základní rovinná plocha různých barev, ale stejného tvaru se bude čtyřikrát opakovat ve stejné poloze (bezbarvá, modrá plocha nahoře, bezbarvá, zelená plocha dole) a tato pomyslná přímka bude zaznamenána jako druhá čtyřúhelníková osa.
Obrázek 2-2-18 Třetí kvartická osa krychle
Vyberte střed roviny podle obrázku, představte si přímku procházející krychlí a otočte krychli o 360°. Základní rovina různých barev, ale stejného tvaru se bude čtyřikrát opakovat ve stejné poloze (bezbarvá, červená plocha nahoře, bezbarvá, žlutá plocha dole) a tato pomyslná přímka bude zaznamenána jako třetí, čtvrtá osa
Obrázek 2-2-19 Šest os šestibokého hranolu
Černé čáry vlevo a vpravo nahoře představují šest os šestibokého hranolu. Vpravo dole je roztažení šestiúhelníkového hranolu. Šestihranná osa se může objevit ve středu stěn rovnoběžného šestiúhelníku nebo v průsečíku šesti stěn šestiúhelníku.
(2) Úvahy o nalezení osy symetrie.
① Existuje pět typů poloh osy symetrie.
Střed dvou rovnoběžných hran, například poloha sekundární osy krychle.
Střed dvou rovnoběžných rovin, například poloha osy krychle.
Mezi dvěma vrcholy (průsečíky více stěn), například poloha terciální osy krychle.
Střední bod mezi vrcholem a rovnoběžnou rovinou, například poloha terciální osy čtyřstěnu.
Střed hranové čáry a střed rovnoběžné roviny, například poloha vedlejší osy trojbokého hranolu.
② Výběr osy symetrie ve stejném směru se řídí principem nejmenšího čísla. Například podle principu nejnižšího čísla, pokud v jednom směru najdeme šest os souměrnosti a tři osy souměrnosti, bude nakonec zapsán jako L³. Osy souměrnosti v různých směrech by měly být zaznamenány podle nalezeného počtu.
Je třeba poznamenat, že kromě šestinásobné osy symetrie a čtyřnásobné osy symetrie, které se nemohou vyskytovat současně a může se vyskytovat pouze jedna šestinásobná osa, mohou ostatní osy symetrie existovat současně v různých formách nebo ve více případech.
③ Základní úroveň musí být vybrána jako nejmenší jednotková rovina; jako základní úroveň nelze vybrat dvě nebo více protínajících se rovin. V opačném případě to ovlivní přesnost posouzení osy symetrie.
④ Při zaznamenávání počtu os souměrnosti je nezbytné určit, kolikrát se stejný tvar a velikost roviny opakuje ve stejné poloze.
⑤ Pokud existuje vedlejší osa svislé symetrie Lⁿ(n = 3, 4 nebo 6), musí existovat n vedlejších os svislých na Lⁿ.
2.2 Rovina symetrie
(1) Koncepce a způsob záznamu roviny symetrie
Rovina symetrie je pomyslná rovina, která při řezání krystalu podél této roviny umožňuje, aby každá polovina krystalu byla zrcadlovým obrazem druhé poloviny (obrázek 2-2-20). Ve stejné krystalové struktuře se taková rovina může objevit maximálně devětkrát (obrázek 2-2-21), což znamená, že ji lze rozetnout devíti různými způsoby a obě poloviny se mohou zcela shodovat. Samozřejmě ne všechny krystalové struktury mají roviny symetrie.
Velké písmeno P představuje rovinu symetrie. Některé krystaly mají více neshodných rovin symetrie a počet těchto rovin symetrie se konvenčně píše vlevo od P; například čtyři roviny symetrie se označují jako 4P a jedna rovina symetrie se označuje jako P.
Obrázek 2-2-20 Představte si svislou rovinu papíru a rovinu táhnoucí se ve směru červené plné čáry, která dělí nůžky na horní a dolní část, přičemž horní a dolní část jsou zrcadlově souměrné. Tato představovaná rovina se nazývá rovina souměrnosti. Představte si další rovinu kolmou k povrchu papíru a táhnoucí se ve směru červené přerušované čáry, která dělí nůžky na levou a pravou část, ale tvary nůžek na levé a pravé straně nejsou souměrné.
Obrázek 2-2-21 Devět rovin souměrnosti krychle
(2) Tipy pro vyhledávání Roviny symetrie.
① Rovina symetrie je často rovnoběžná a shodná s osou symetrie.
② Rovina symetrie je pomyslná rovina, která rozděluje krystalickou geometrii a která se liší od rovnoběžné dvojroviny v geometrii.
③ Pokud rovina symetrie obsahuje osu symetrie Lⁿ, pak musí existovat n rovin symetrie, které obsahují Lⁿ.
(3) Bod Skupina.
Bodová skupina je součet všech prvků symetrie v krystalu. Pořadí zápisu bodové skupiny je osa symetrie + rovina symetrie, například 3L²3P (obrázek 2-2-22). Pokud má krystal více os symetrie, je zvykem zapisovat je zleva doprava, od osy vyššího řádu k ose nižšího řádu, a pořadí rovin symetrie, například L⁴4L²5P (obrázek 2-2-23). V krystalech existuje 32 typů symetrie.
Obrázek 2-2-22 Skupina bodů 3L²3P (obdélníkový krychle s obdélníkovým průřezem)
Obrázek 2-2-23 Skupina bodů L⁴4L²5P (pravoúhlý hranol se čtvercovým průřezem) se čtyřmi druhými osami a třemi souměrnými stěnami nahoře a jednou čtvrtou osou a dvěma souměrnými stěnami dole.
3. Klasifikace krystalů
Symetrie je součástí klasifikace krystalů. Pro popis krystalové struktury přírodních a umělých krystalů drahých kamenů v rámci klasifikace krystalů je třeba zavést další pojem - krystalovou osu. Krystalová osa je pomyslná čára procházející krystalovou strukturou, která udává směr, v němž se opakují uzly mřížky, a relativní vzdálenost, v níž se uzly podél tohoto směru opakují. Krystalová osa se shoduje s normálou osy symetrie nebo roviny symetrie. Pokud osa symetrie nebo rovina symetrie neexistuje, lze zvolit krystalovou osu rovnoběžnou se směrem hrany krystalu.
Na základě prvků symetrie a krystalových os rozděluje akademický systém krystaly do tří krystalových rodin a sedmi krystalových soustav (tabulka 1).
Tabulka 1: Klíčové body pro určení krystalových rodin a systémů
| Rodina Crystal | Crystal | Klíčové body pro určení | Běžné odrůdy drahých kamenů |
|---|---|---|---|
| Nízkoúrovňový krystalový systém | Triklinický systém | Žádná druhá osa nebo rovina symetrie | Amazonit, rodonit, tyrkys |
| Monoklinická krystalová soustava | Žádné osy vyššího řádu, maximálně jedna vedlejší osa a rovina symetrie. | Jadeit, diopsid, spodumen, epidot | |
| Orthorombická krystalová soustava | Žádné osy vyššího řádu, více než jedna sekundární osa nebo rovina symetrie | olivín, topaz, saualpit (včetně tanzanitu), cordierit, chryzoberyl, enstatit | |
| Rodina středně pokročilých krystalů | Tetragonální krystalová soustava | 1 čtyřnásobná osa (lze ji znázornit pomocí L4) | Diamond |
| Trigonální krystalová soustava | 1 trigonální osy (lze znázornit pomocí L3) | Korund, rubín, safír, turmalín , krystaly z rodiny křemene (např. křišťál, ametyst, citrín atd.), rodochrozit. | |
| Šestiboká krystalová soustava | 1 šestiúhelníková osa (lze znázornit pomocí L6) | Akvamarín, smaragd a další drahé kameny z rodiny berylitu, apatit | |
| Pokročilá rodina krystalů | Izometrický krystalový systém | 4 trigonální osy (lze znázornit pomocí 4L3) | Diamant, granát, spinel, fluorit |
4. Běžné vlastnosti drahých kamenů
Mezi běžné drahé kameny patří diamant, spinel, fluorit, granát, berylit, zirkon, korund, turmalín, křišťál, chryzoberyl, topaz atd. Každý typ drahého kamene má své pevné krystalové vlastnosti.
Drahé kameny z rodiny vysokých krystalů mají většinou zrnitý krystalový habitus a běžné odrůdy se často vyskytují v pevných krystalových formách (tabulka 2).
Krystalový habitus středních a nízkých krystalových rodin je sloupcovitý (tabulka 3).
Tabulka 2: Společné charakteristiky krystalů rodin krystalů vysoké úrovně
| Drahokamy tón Jméno | Klasifikace krystalů | Důležité vlastnosti krystalů | |||
|---|---|---|---|---|---|
| Drahokamy tón Jméno | Klasifikace krystalů | Křišťálový návyk | Běžné krystalové formy | Běžné formy dvojčat | Běžné vzory krystalových ploch |
| Diamond | Izometrický krystalový systém | zrnitý krystalový habitus (obrázek 2-2-24), běžně se vyskytuje v oktaedrických zrnech | Běžným krystalovým tvarem je osmistěn a mohou se objevit i složitější krystalové tvary, včetně kosočtverečných dvanáctistěnů, často se zaoblenými krystalovými stěnami, které mohou vykazovat trojnásobnou symetrii. | Trojúhelníková plochá dvojčata, někdy bez viditelných konkávních úhlů (obrázek 2-2-25) | Na povrchu jsou patrné obrácené trojúhelníkové leptací důlky (obrázky 2-2-26, 2-2-27) a další vzory krystalových ploch (obrázky 2-2-28, 2-2-29). |
| Spinel | zrnitý krystalický habit (obrázek 2-2-30), běžně se vyskytuje v oktaedrických granulích | Často se vyrábí v osmistěnné formě, krystalové plochy mohou být velmi ploché a vypadat jako vyleštěné (obrázek 2-2-31). | Dvojité krystaly jsou velmi ploché, připomínají trojúhelníkový tvar s uříznutými rohy (obrázek 2¬2-32). | Povrchově viditelné leptací důlky, některé připomínající diamanty ve tvaru obráceného trojúhelníku (obrázek 2-2-33). | |
| Fluorit | Zrnitý krystalový habitus (obrázek 2-2-34) | Oktaedrické a kubické krystaly (obrázek 2-2-35) | Vzájemně se prolínající dvojčata | Square step growth marks, mostly with cleavage gaps, color bands parallel to the directions of the six faces of the cube | |
| Garnet | Granular crystalline habit, commonly seen in rhombic dodecahedral grains (Figure 2-2-36) | Rhombic dodecahedron or square-trapezohedron | Vzácné | Concentric ring bands visible with the same shape as the crystal faces (Figure2-2-37) | |
Figure 2-2-24 Diamond crystal habits
Figure 2-2-25 Diamond Twin Habit
Figure 2-2-26 Inverted Triangle etch figure of Diamond Octahedral Crystal Faces
Figure 2-2-27 Inverted triangular etch figure on the surface of a diamond octahedral crystal
Figure 2-2-28 Inverted Triangle etch figure of Diamond Octahedral Crystal Faces
Figure 2-2-29 Inverted triangular etch figure on the surface of a diamond octahedral crystal
Figure 2-2-30 Spinel crystal habit
Figure 2-2-31 Common forms of spinel crystals
Figure 2-2-32 Contact twinning of spinel
Figure 2-2-33 Inverted triangular etch figure pattern on the surface of spinel
Figure 2-2-34 Fluorite crystal habits
Figure 2-2-35 Fluorite Crystal
Figure 2-2-36 Garnet crystal habit
Figure 2-2-37 Concentric ring bands on the surface of garnet crystals that have the same shape as the crystal faces
Table 3: Common Gem Crystal Characteristics of Intermediate and Low Crystal Families
| Drahokamy tón Jméno | Klasifikace krystalů | Důležité vlastnosti krystalů | |||
|---|---|---|---|---|---|
| Drahokamy tón Jméno | Klasifikace krystalů | Křišťálový návyk | Běžné krystalové formy | Běžné formy dvojčat | Běžné vzory krystalových ploch |
| Beryl | Šestiboká krystalová soustava | Columnar crystal habit (Figure 2-2-38) | Hexagonal columnar crystal form (Figures 2-2-39, 2-2-40) | Vzácné | Visible longitudinal stripes |
| Lead stone | Tetragonal crystal system | Columnar crystal habit (Figure 2-2-41) | A square column with a square cross-section, appearing together with a square double cone (Figure 2-2-42) | Visible knee-shaped twin crystals | No special patterns |
| Korund | Trigonal crystal system | Plate-like crystal habit, columnar crystal habit (Figure 2-2-43) | Rubies often present a hexagonal prism shape (Figure 2-2-44), while sapphires often exhibit a hexagonal bipyramidal barrel shaped crystal form (Figure 2-2-45) | Commonly seen bi-crystals. | Visible striations. |
| Tourmaline . | Columnar crystal habit (Figure 2-2-46) | The crystal faces at both ends are different, and the cross-section is a spherical triangle (Figure 2-2-47) | Vzácné | Visible longitudinal stripes (Figure 2-2-48) | |
| Quartz (crystal quartz) | Columnar crystal habit (Figure 2-2-49) | The cross-section is hexagonal, hexagonal bipyramids are rare (Figures 2-2-50, 2-2-51), hexagonal monopyramids are common | Common contact with bi-crystals (also known as Japanese bicrystals) | Common horizontal stripes on crystal surfaces | |
| Chrysoberyl | Trigonal crystal system | Columnar crystallization characteristics (Figure 2-¬2-52) | Monocrystalline is rare | Tri-crystalline is common (Figure 2-2-53), hexagonal and concave angles can be used as identification criteria | The stripes of tri-crystalline can be used as identification criteria |
| Topaz | Columnar crystal habit (Figure 2-2-54) | The cross-section is diamond-shaped, and the top often appears envelope-like (Figure2-2-55) | Bi-crystals are rare | Visible longitudinal stripes | |
Figure 2-2-38 Beryl crystal habit
Figure 2-2-39 Common forms of emerald crystals
Figure 2-2-40 Common forms of aquamarine crystals
Figure 2-2-41 Zircon Crystal Habits
Figure 2-2-42 Zircon Crystal
Figure 2-2-43 Corundum crystal habit
Figure 2-2-44 Ruby Crystal
Figure 2-2-45 Mechanical twin of ruby
Figure 2-2-46 Tourmaline Crystal Habits
Figure 2-2-47 Tourmaline Crystal
Figure 2-2-48 Surface Longitudinal Stripes of tourmaline Crystal
Figure 2-2-49 Crystal Crystallization Habits
Figure 2-2-50 crystal body
Figure 2-2-51 Crystal body
Figure 2-2-52 Crystal Habit of Chrysoberyl
Figure 2-2-53 Crystal of Chrysoberyl
Figure 2-2-54 Crystal habits of topaz
Figure 2-2-55 Topaz Crystal
Section IV Why do gemstone crystals grow differently
From a microscopic point of view, the gem crystal is a solid composed of elements of different sizes arranged by different rules. From a macroscopic point of view, many gems have crystal shape characteristics because of their different compositions. However, some special cases exist, such as heteromorphic. To better understand why gem crystals look different, here we will introduce five aspects: heteromorphic, isomorphism, molecular mechanical intermixing, water in gem minerals, and chemical composition of gemstones.
1. Heteromorphic
Although some minerals have the same chemical composition, they have very different crystal structures (the arrangement of elements in three-dimensional space) and exhibit significant differences in physical and chemical properties (Table 4). We refer to this phenomenon as heteromorphism, for example, diamond and graphite (Figure 2-2-56).
Common quartz has the phenomenon of heteromorphism. Sillimanite, andalusite, and kyanite are a group of heteromorphism variants.
The transformation of heteromorphism occurs under solid-state conditions. During the structural transformation process, pressure can develop within the crystal, often leading to the formation of twinning inside the crystal.
Table 4: Comparison of Properties of Diamond and Graphite
| Mineral | Diamond | Graphite |
|---|---|---|
| Komponenty | Uhlík (C) | Uhlík (C) |
| Formation Conditions | Vysoká teplota a vysoký tlak | Vysoká teplota |
| Crystal system, habit | Isometric crystal system, octahedron, rhombic dodecahedron | Hexagonal crystal system, layered |
| Barva | Colorless, yellow, blue, pink, green, etc. | Černá |
| Luster | Adamantine luster | Metallic Luster |
| Transparentnost | Transparent to opaque | Opaque |
| Index lomu | 2.40 ~ 2.48 | 1.93 ~ -2.07 |
| Mechanical Properties | Moderate octahedral cleavage, hardness 10, density 3.52 | A set of perfect cleavage, hardness 1, density 2.10 |
| Other properties | Excellent thermal conductivity; except for natural blue diamonds which are semiconductors, diamonds of other colors are insulators. | Moderate thermal conductivity, good electrical conductivity |
2. Isomorphism
Isomorphism refers to the phenomenon where some particles in the lattice structure are replaced by other particles with similar properties, resulting in slight changes in lattice parameter and physical and chemical properties. In contrast, the crystal structure remains fundamentally unchanged. It can be understood as the elements in the gemstone crystal being replaced by other elements. In contrast, the repeating pattern of the gemstone crystal elements remains the same, with slight deviations in the distances between atoms. Still, the physical-chemical properties of the gemstone crystal undergo slight changes (Figure 2-2-57 to Figure 2-2-58).
Figure 2-2-57 Crystal structure simulation diagram (blue and black indicate element particles)
Figure 2-2-58 Crystal structure simulation diagram (black represents elemental particles, yellow represents new elemental particles that partially substitute the blue elemental particles, yellow may not completely replace all blue particles)
The concept of isomorphism can explain why gemstones from the same family can have so many colors and why there are variations in refractive index and density among gemstones of the same family.
A family can be understood as a type of gemstone where the repeating patterns of crystal elements are the same, but the physical and chemical forms are slightly different. For example, the corundum family includes two members, ruby and sapphire, while the beryl family includes emerald, aquamarine, and morganite varieties.
(1) Olivine
The chemical composition of olivine is (Mg,Fe)₂SiO₄. The complete isomorphic substitution of Fe and Mg elements occurs in its composition. As the Fe content in olivine increases, the color of olivine becomes darker, the refractive index increases, and the density also increases.
(2) Corundum
Pure corundum without any impurities (Al₂O₃) is colorless, and when Cr replaces Al, the gem presents a rose-red to red hue, known as ruby. The remaining colors are called sapphire, such as orange-yellow sapphire or colorless sapphire. The commonly referred to sapphire is specifically the blue sapphire, where Fe and Ti replace Al. The higher the content of the coloring elements in the substitute gem, the deeper the color of the gem; conversely, the lower the content, the lighter the color.
(3) Tourmaline
Tourmaline refers to the same type of gem as tourmaline, where tourmaline is its mineralogical name, and tourmaline is its gemological name. The chemical composition of beryl is (Na, Ca)R₃Al₃Si₆O₁₈(O, OH, F), where R is mainly Mg , Fe , Cr , Li, Al , Mn, and the elements in R can completely or partially substitute each other, resulting in an extremely wide variety of colors for tourmaline. For example, when R is mainly Fe, beryl presents a deep blue or even black color; when R is mainly Mg, beryl presents yellow to brown; when R is mainly Li or Mn, beryl presents rose or light blue; when R is mainly Cr, tourmaline presents a deep green.
From the above, it can be seen that substituting elements with similar properties leads to more beautiful and brilliant colors in gems.
3. Molecular Mechanical Intermixing
Sometimes, certain elements forcibly enter between the main elements of regularly arranged gemstones. However, the low proportion of the entering elements does not disrupt the repetitive pattern of the main gemstone elements, only causing deformation (Figure 2-2-59). This situation is referred to as molecular mechanical intermixing, such as the molecular mechanical intermixing of nitrogen and boron in diamonds, which produces blue, pink, and yellow diamonds, which are highly valuable.
4. Water in Gem Minerals
Some gemstones contain water, which is an important component of gem minerals and is closely related to the properties of the gemstones. Based on the form of water present in gem minerals and its role in the crystal structure, the water in gemstones can be divided into two categories: one is absorption water, which is unrelated to the crystal structure, and the other is water that participates in the mineral crystal structure, including crystallization water, zeolitic water, interlayer water, and constitution water. The water closely related to gemstones includes absorption water, crystallization water, and constitution water.
One is to absorption water, such as Opal (chemical composition is SiO₂ • nH₂O, n represents the number of H₂O, the content is variable) in the water molecule, which is a neutral water molecule mechanically adsorbed for mineral particles or fracture surfaces. When the temperature reaches 100 ~ 110°degrees under normal pressure, the water molecules can all escape and do not damage the crystal lattice structure, so to avoid the Opal in the counter in a long time of strong light exposure dry crack, should put a cup of water in the counter.
Second is the crystallization water, such as the water of crystallization in turquoise [chemical composition is CuAl₆(PO₄)₄(OH)₈•4H₂O, where the content of H₂O can reach 19.47% ]. This neutral water molecule exists in fixed positions within the lattice and serves as a structural unit, being part of the mineral’s chemical composition. The temperature at which water of crystallization escapes generally does not exceed 600℃ and usually escapes at 100 -200℃. When a gemstone loses its water of crystallization, its crystal structure is damaged, forming a new structure.
Third is constitution water, also known as combined water, which participates in the mineral lattice in the form of OH⁻, H⁺, H₃O⁺ plasma, with OH⁻ being the most common. Constitution water is part of the mineral’s chemical composition, occupying fixed positions in the lattice structure with a defined proportion in its composition. Structural water requires a higher temperature to escape and damage its structure, usually around 600 -1000℃. When a gemstone loses structural water, its crystal structure is destroyed. Many gemstones contain constitution water, such as tourmaline[chemical composition is ( Na, Ca )R₃Al₃Si₆O₁₈(O, OH, F), where R mainly includes Mg , Fe , Cr, Li, Al, Mn, etc., and the elements in R can completely or partially substitute each other], and topaz [chemical composition is Al₂SiO₄( F, OH) ₂ ].
5. The chemical composition of gemstones
Gems, like other substances, are composed of chemical elements. Each type of gem has its specific chemical composition and a certain range of variation, which determines the various characteristics and properties of the gem. Gems belong to minerals and rocks, and the classification of a gem’s chemical composition can be traced back to the chemical composition of minerals.
Currently, the main classification methods for minerals include classification by chemical composition (Dana system), geochemical classification, genetic classification, application classification, and crystal-chemical classification. The widely adopted method is the chemical classification based on chemical composition and crystal structure (Hugo Strunz system) (Table 5).
Table 5: Mineral Crystal Chemical Classification System
| Level sequence | Basis for Division | Example |
|---|---|---|
| Major Category | Compound type | Oxygen-containing Salt Major Category |
| Class | Anion or Complex Anion Types | Silicate class |
| (Subcategory) | Anionic complex structure | Framework silicate subclass |
| Skupina | Crystal structure types and ionic properties | Corundum group, beryl group, garnet group |
| (Subgroup) | Cation types | Alkaline feldspar subgroup |
| Specie | Certain crystal structure and chemical composition | Orthoclase KAlSi3O8 |
| (Subspecies) | Same crystal structure, different composition or properties, morphology | Adularia KAlSi3O8 |
