22
Gemology -Crystallography- 1 ผลึกวิทยาเบื้องต้น ( Crystallography ) เนื ่องจากคุณสมบัติต่าง ๆ เช่น ความแข็ง ความเหนียว ความถ่วงจําเพาะของอัญมณีจะสัมพันธ์กับโครงสร้าง ภายในและพันธะระหว่างอะตอมในอัญมณี ดังนั้นจึงจะกล่าวถึงเคมีของผลึกและโครงสร้างของผลึกก่อนที ่จะกล่าวถึง คุณสมบัติทางกายภาพต่าง ๆ ของอัญมณี Chemistry of Crystal อัญมณีเป็นของแข็งและส่วนใหญ่จะเป็นแร่ มีโครงสร้างเป็นผลึกหรือเป็นอสัณฐานก็ได้ โดยอัญมณีผลึก (crystalline gems) ประกอบด้วยอะตอม โมเลกุล หรือ ไอออน จัดเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบ มีรูปแบบผลึกที ่มี ลักษณะเฉพาะสําหรับอัญมณีแต่ละชนิดทําให้ผลึกมีรูปทรงเรขาคณิตที ่แน่นอน มีสมบัติ เช่น จุดหลอมเหลวคงตัวและ แน่นอน อัญมณีประเภทนี ้ได้แก่ Quartz Diamond Corundum Tourmaline Topaz เป็นต้น ส่วนอัญมณีอสัณฐาน (amorphous gems) มีการจัดเรียงตัวของอนุภาคไม่เป็นระเบียบ แรงดึงดูดระหว่างอะตอมในส่วนต่าง ๆ แตกต่างกัน ทําให้มีรูปร่างไม่สมํ ่าเสมอ มีผลให้สมบัติต่าง ๆ ไม่คงที ่แน่นอน เช่น พลาสติก และแก้ว ภาพแสดงการเปรียบเทียบ โครงสร้างของผลึกควอตซ์ (SiO 2 ) กับแก้วควอตซ์ (SiO 2 ) ดังรูป Crystalline SiO 2 (Quartz) Amorphous SiO 2 (Glass) Crystalline matter Amorphous matter

Gemology - kaelearning.mahidol.ac.thkaelearning.mahidol.ac.th/moodledata_/19/Chapter_1/Crystallography.pdf · Gemology -Crystallography-2 . 1. Chemical bonding . การที่อะตอมต่าง

Embed Size (px)

Citation preview

  • Gemology -Crystallography-

    1

    ( Crystallography )

    Chemistry of Crystal

    (crystalline gems)

    Quartz Diamond Corundum Tourmaline Topaz

    (amorphous gems)

    (SiO2) (SiO2)

    Crystalline SiO2 (Quartz)

    Amorphous SiO2 (Glass)

    Crystalline matter Amorphous matter

  • Gemology -Crystallography-

    2

    1. Chemical bonding

    (chemical bonding) 2

    (Ionic bond) (covalent bond)

    (cation) IA IIA IIIA (Mg)

    2 Mg2+ (anion)

    VA VIA VIIA (O) 2

    O2-

    (Na : Z=11) (Cl : Z=17) I

    (valence electron) 1

    VII 7 1

    NaCl Na+ Cl- 1

    NaCl

  • Gemology -Crystallography-

    3

    2

    ()

    IV Periodic 4

    4

    4 3

    (SiO2)

    3

    (Van der waals force)

  • Gemology -Crystallography-

    4

    3

    ( )

    4 Beryllium Be2+ 0.35 5 Boron B3+ 0.23 6 Carbon C4+ 0.15 8 Oxygen O2- 1.40 9 Fluorine F- 1.36

    12 Magnesium Mg2+ 0.66 13 Aluminium Al3+ 0.51 14 Silicon Si4+ 0.40 19 Potassium K+ 1.33 20 Calcium Ca2+ 0.99 22 Titanium Ti4+ 0.68 23 Vanadium V2+ 0.74 24 Chromium Cr3+ 0.63 25 Manganese Mn2+ , Mn3+ 0.80 , 0.66 26 Iron Fe2+ , Fe3+ 0.74 , 0.64 28 Nickel Ni2+ 0.69 29 Copper Cu+ 0.96 40 Zirconium Zr4+ 0.79

    2. Closet packing

    (closet packing) 2

    1. Hexagonal closet packing : hcp

    1 6 A

    2 B 3 1

    AB AB AB

  • Gemology -Crystallography-

    5

    2. Cubic closet packing : ccp

    1 4 ABC

    ABC

    2 12

    6 3 3

    (coordination number)

    12

    3. Phenomena

    ( )

    1. Isomorphism

    (NaCl) (MgO)

    Periclase NaCl

    MgO

  • Gemology -Crystallography-

    6

    X2Y3(SiO4)3 X2

    Y3

    2. Polymorphism

    (CaCO3) 2 Calcite

    Aragonite Calcite

    Hexagonal Trigonal Aragonite Orthorhombic

    Diamond Graphite

    NaCl MgO

    Calcite Aragonite

  • Gemology -Crystallography-

    7

    3. Ionic substitution and solid solution

    (coloring agents)

    Chromium Corundum, Vanadium Emerald, Iron Aquamarine

    ( Cr3+ , V2+ , Fe2+ , Fe3+ )

    Corundum (Al2O3) Al3+ Cr3+

    Cr2O3 1% Corundum Pyrope

    (Mg3Al2Si3O12) Almandine (Fe3Al2Si3O12)

    Pyrope

    Pyrope

    (solid solution)

    4. Exsolution

    (solute atom)

    (Exsolution)

    Corundum Titanium Oxide (Ti2O3)

    Ti3+ Al3+

    (TiO2 : rutile needle) Corundum

    (host crystal) Corundum

    Hexagonal 60/120

    Corundum

    Corundum

  • Gemology -Crystallography-

    8

    Crystallography

    (Crystallography)

    Gemology

    1. Type of crystal 2

    1. Single crystal

    Quartz Diamond Corundum

    2. Aggregate Polycrystalline

    2

    1) Microcrystalline material

    Nephrite

    2) Cryptocrystalline material

    microcrystalline Quartz

    Chalcedony

  • Gemology -Crystallography-

    9

    2. Bravais lattice

    (space lattices)

    space lattices Unit cell

    a, b c X, Y Z ,

    b c, a c a b a , b , c , (lattice constants)

    .. 1849 Auguste Bravais

    14 14 unit cell Bravais lattice

    Bravais lattice 14 unit cell 4

    1) Simple Primitive

    unit cell unit cell

    2) Body-centered

    unit cell unit cell 1 unit cell

    3) Face-centered

    unit cell unit cell unit cell

    4) End-centered

    unit cell unit cell 2

    unit cell

  • Gemology -Crystallography-

    10

    3. Crystal face

    unit cell unit cell

    unit cell ()

    unit cell

    n2 unit cell ( n = 5 n3 = 125 )

    unit cell

    unit cell

    (tabular) () () 3 6

    unit cell

    (octahedron) () (dodecahedron) ()

  • Gemology -Crystallography-

    11

    Peridot unit cell Olivine unit

    cell () unit cell ()

    h unit cell () k

    Peridot

    Peridot

  • Gemology -Crystallography-

    12

    (Striations) Tourmaline, Quartz

    unit cell lattice

    Nicolas Steno

    Stenos law

    Goniometer

    4. Crystal symmetry

    (crystal symmetry)

    3

    1) Planar symmetry

    2

    2) Axial symmetry

    2 2

    (2 fold axis) cc 4 (4 fold

    axis) AA3 A2A4 2

  • Gemology -Crystallography-

    13

    3) Central point symmetry

    C

    5. Form & Habit (Form) (outward appearance)

    (Habit) (external shape)

    2 (closed form)

    2 (dipyramid) (open form)

    (prism) (pinacoid)

  • Gemology -Crystallography-

    14

    1) Pinacoid form

    1 () ()

    2) Prism form

    3

    3, 4, 6, 8 12

    3) Pyramid form

    3, 4, 6, 8 12

  • Gemology -Crystallography-

    15

    4) Bipyramid form

    2 6, 8, 12, 16

    24

    (shape)

    (cube) (octahedron) (prism)

    Ruby

    Aggregate

    (acicular) (bladed) (tabular) (stubby)

    (columnar) Aggregate Cryptocrytalline

    (granular massive) (fibrous)

    6. Crystal system (crystal system) 6 a, b c a

    - b - c -

    a1, a2 a3 , ,

  • Gemology -Crystallography-

    16

    1) Isometric or Cubic System : 3

    : a1 = a2 = a3

    : = = = 90

    Diamond, Garnet, Spinel, Synthetic Spinel, YAG, Synthetic Cubic

    Zirconia CZ, Strontium Titanate

    a. Cube 6 Diamond, Fluorite, Pyrite, Cuprite

    b. Octahedron 2 8 Diamond, Spinel, Fluorite, Cuprite,

    Lazurite

    c. Dodecahedron 12 Diamond, Garnet, Cuprite, Sodalite, Polluzite, Lazurite,

    Pyrite

  • Gemology -Crystallography-

    17

    d. Trapesohedron 24 Diamond, Garnet

    2) Tetragonal System : 3

    : 2 1 a = b c

    : = = = 90

    Zircon, Synthetic Rutile

    a. Square prism Diamond, Zircon, Synthetic Rutile, Cassiterite

    b. Acicular Rutile

    3) Hexagonal System : 4

    : 3 a1 = a2 = a3

    1 a = b c

    : 3 60

    4 = = 90 , = 120

  • Gemology -Crystallography-

    18

    Beryl, Apatite, Beniotite

    a. Hexagonal prism Beryl, Apatite, Quartz

    Beryl Apatite Quartz

    b. Tabular Beryl, Apatite, Beniotite

    4) Trigonal or Rhombohedral Subsystem

    Trigonal Hexagonal system

    Hexagonal 6 Trigonal

    3

    Corundum, Quartz, Tourmaline, Calcite, Rhodochrosite, Dioptase

    a. Prism Corundum, Quartz, Tourmaline

  • Gemology -Crystallography-

    19

    b. Dipyramid Quartz, Corundum

    c. Rhombohedron Calcite, Rhodochrosite, Dioptase

    d. Tabular Corundum, Calcite

    e. Barrel-Shaped Corundum

    f. Acicular Tourmaline, Penakyte

    g. Botryoidal- Smithsonite

    h. Granular massive Quartz, Calcite

  • Gemology -Crystallography-

    20

    5) Orthorhombic System : 3

    : 3 a b c

    : 90 , = = = 90

    Peridot, Topaz, Iolite, Chrysoberyl, Zoisite, Andalusite

    a. Prism Topaz, Andalusite, Zoisite

    b. Blocky- Peridot, Topaz, Chrysoberyl, Barite

    c. Granular massive Topaz Prehnite, Aragonite, Zoisite

    d. Pseudo-hexagonal twin Chrysoberyl

  • Gemology -Crystallography-

    21

    6) Monoclicnic System : 3

    : 3 a b c

    : 2 90 1 2

    = = 90 , 90

    Spodumene, Nephrite, Jadite, Orthoclase, Actinolite, Malachite,

    Diopside

    a. Prism Spodumene, Orthoclase, Actinolite

    b. Blocky- Orthoclase, Datolite

    c. Botryoidal- Malachite, Azurite

    d. Granular massive Jadite, Nephrite, Actinolite

    e. Fibrous Actinolite, Nephrite

  • Gemology -Crystallography-

    22

    7) Triclinic System : 3

    : 3 a b c

    : , 90

    Turquoise, Labradorite, Rhodonite, Microcline, Amazonite, Kyanite

    a. Prism Turquoise, Amazonite, Albite

    b. Tabular or Blocky Rhodonite, Axinite

    Axinite Rhodonite c. Bladed Kyanite

    d. Granular massive Turquoise