第二节　宝玉石的化学成分和显微结构

一、化学成分

宝玉石的品种不同，化学成分也不同。有的即使品种一样，但如果产地不一样，化学成分也会存在差别。有时候，通过鉴别化学成分的差异，就可以判断出宝玉石的产地。

宝玉石的化学成分分为主要成分和次要成分两类，主要成分指含量较多的成分，次要成分指含量较少的成分。

1.主要成分

宝玉石的主要成分一般包括下面几类。

（1）单质　即有的宝石只由一种单质元素组成，比如钻石，它的化学成分中基本只包括碳元素。

（2）氧化物　有的宝玉石由氧化物组成，比如红宝石和蓝宝石的成分主要是Al2O3，水晶和玛瑙的成分主要是SiO2。

（3）盐　有的宝玉石的化学成分是盐类化合物，如祖母绿的主要成分是硅酸盐Be3Al2（SiO3）6，翡翠的主要成分是硅酸盐NaAl（SiO3）2，软玉的主要成分是硅酸盐CaMg5（OH）2（Si4O11）2，珍珠和珊瑚的主要成分都是碳酸盐CaCO3，象牙的主要成分是磷酸盐CaPO4。

（4）有机物　有的宝玉石的成分以有机物为主，比如琥珀的成分是树脂，是由C、H、O三种元素组成的高分子化合物；犀角的成分主要是角蛋白，属于一种蛋白质，是由C、H、O、N四种元素组成的高分子化合物。

2.次要成分

除了主要成分外，宝玉石里还经常含有一些次要成分，比如微量元素。由于含量较少，所以很多时候这些次要成分对宝玉石的作用都不大，但是有的时候，这些次要成分却对宝玉石的性质具有重要影响，从而对它们的质量、价格也会起很大作用。

典型的例子包括钻石中的氮和硼元素：钻石如果完全由碳元素组成，那它就是无色透明的，如果其中含有氮元素，钻石会发黄，这种钻石在珠宝界被认为品质较低，所以价值会降低；但如果钻石中含有硼，这种钻石会发蓝，人们一般公认这种钻石的品质较高，价格也比较高。另外，红宝石呈红色是因为其中含有少量铬元素，蓝宝石呈蓝色是因为其中含有铁和钛，翡翠的绿色是由其中的铬元素引起的。

3.水分

有的宝玉石中还含有一定量的水分，比如很多玉石和有机宝石。这些水分可以使宝玉石具有温润的光泽，如果失去这些水分，宝玉石的光泽就会减弱甚至消失，表面显得发干，另外，如果失水严重，宝玉石的表面还会出现裂纹，严重影响产品的质量和价格。大家去商场或珠宝市场时，经常会发现一种现象：珠宝柜台里隔1～2m远就会摆放一个水杯，它们的作用就是使柜台里的空气保持湿润，从而保持宝玉石里的水分。如图1-7。

4.内含物

有的资料中称为包裹体，指宝玉石内部包含的一些物质，比如动植物遗体、杂质、气泡、裂纹等。

内含物对宝玉石的影响有两方面：有的内含物会降低宝玉石的质量和价格，比如杂质、气泡、裂纹、斑点等。而有的内含物会提高宝玉石的质量和价格，比如大家都熟悉的琥珀中的虫子。另外，有一种玛瑙叫水胆玛瑙，就是玛瑙的内部是空的，里面有一些水，由于这种玛瑙很少见，所以价格比普通的实心玛瑙贵得多；和这类似，还有一种玛瑙叫血胆玛瑙，就是里面的水是红色的，这种更少见，所以价格更贵。此外，水晶有一个品种叫发晶，它的内部好像有很多根头发、小草或树枝，这也属于内含物，由于比较少见，所以价格也比普通水晶高，如图1-8。

二、显微结构

宝玉石的性质除了和化学成分有关外，还和内部的原子排列方式有关，也就是显微结构。大家最熟悉的例子就是金刚石和石墨。二者的化学成分相同，都是碳元素，但是性质却截然不同。金刚石的硬度是自然界中最高的，可是石墨却很软，颜色、透明性、导电性、导热性等差异也很明显。造成这种情况的原因大家也都知道——金刚石和石墨的显微结构不一样，金刚石的显微结构是四面体，而石墨的显微结构是层状的，如图1-9所示。

其他很多宝玉石也存在这种情况：两种宝玉石的化学成分相同，但是性质却差很多，比如水晶和玛瑙、欧泊，此外，还有一些人工合成宝石的化学成分和天然宝石相同，但是由于显微结构存在差异，所以导致一些性质也不同。所以，显微结构的测试也是宝玉石鉴定的一种重要技术。

这部分就介绍关于宝玉石的显微结构的一些内容，这些内容在宝玉石鉴定证书中经常会看到，所以，了解这部分内容，有助于看懂鉴定证书。此外，在和专业人士包括宝玉石商家交流时，这些内容也经常会用到。

1.晶体与非晶体

固体分为晶体和非晶体两种类型，在晶体中，原子按一定的顺序规则排列；而在非晶体中，原子则是混乱排列的，如图1-10所示。

由于晶体内原子规则排列，在不同的方向上，原子间的相互作用不一样，所以在不同方向上，各自的性质也不一样，这种现象叫各向异性。

有的宝玉石属于晶体，在加工时经常利用这种现象：有的方向上强度较低，容易切割，而且切面比较平滑、美观，但在有的方向上强度比较高，不容易切割，即使用了很大的力切开了，切面也比较粗糙，而且在切割过程中，宝玉石很容易破碎，最后得不到大块产品，对很多宝玉石来说，一个大块产品的价钱比好几个小块之和要贵得多。

而由于非晶体内原子混乱排列，在不同的方向上，原子间的相互作用基本相同，所以在不同方向上，各自的性质也基本相同，这种现象叫各向同性。

2.晶体的类型

晶体分为两种类型：第一种叫单晶体，就是在整块晶体中，原子都按相同的顺序或方向排列，如图1-11（a）。一些透明度高的宝石属于单晶体，比如钻石、红宝石、蓝宝石、水晶等。

第二种晶体叫多晶体，它和单晶体不同，在它的内部，原子虽然也按一定的顺序排列，但是在不同的位置，原子的排列方向不一样，如图1-11（b）。很多玉石比如翡翠、和田玉都是多晶体。

从图中可以看到，一块多晶体实际上是由若干个小单晶体组成的，这些小单晶体称为晶粒，它们之间的交界称为晶界。

有的多晶体的晶粒尺寸很小，人们把它们称为微晶结构；还有的多晶体的晶粒更小，用普通的显微镜放大几百倍都看不清楚，人们把这种多晶体称为隐晶结构。

3.晶体结构

人们为了研究宝玉石内部原子的排列规律，经常用小圆球表示原子，从而得到宝玉石的晶体模型，如图1-12（a）。

但是，晶体模型看起来很复杂，不容易看清原子排列的规律。所以人们把它进行了简化，用更小的圆球表示原子，而且用直线把原子连接起来，这样，原子排列的规律就容易被看清了，如图1-12（b）。人们把这种结构称为晶格或空间点阵。

从图中可以看到，晶格或空间点阵是由若干个基本单元叠加构成的，人们为了更方便地研究晶格的特征，就把晶格的基本单元抽出来，如图1-12（c）。人们把这种基本单元称为晶胞。所以，要想了解某种宝玉石的晶体结构，只需要研究它的晶胞的特征就可以了。

晶体学家已经证明，所有的晶体都是由14种最基本的晶胞组成的，人们把这14种晶胞称为布拉菲点阵。

4.晶体的对称轴

有的晶体（或晶胞）具有对称性：有的是关于某个平面对称，有的是关于某条直线对称，还有的是关于晶体内部的一个点对称。

在宝玉石鉴定中，人们用得比较多的是关于直线对称的情况。如果通过晶体中心有一条直线，晶体围绕它旋转一定的角度后，能够与原型重合，这种现象就称为轴对称，这条直线称为晶体的对称轴，如图1-13。

晶体的类型不同，围绕对称轴旋转一周的过程中，外形重复的次数也不同：有的能重复2次，有的能重复3次，还有的能重复4次、6次，它们对应的对称轴分别称为二次轴（L2）、三次轴（L3）、四次轴（L4）、六次轴（L6）。重复的次数越多，说明晶体的对称性越好。

在晶体学中，人们把三次轴（L3）、四次轴（L4）和六次轴（L6）称为高次对称轴。晶体学家已经证明：在晶体中，没有五次轴，也没有高于六次的对称轴。

5.晶体类型

（1）晶族　人们根据晶体中高次对称轴的数量，把14种晶体类型分为3个晶族。

①低级晶族　这类晶族的晶体没有高次对称轴。

②中级晶族　这类晶族的晶体只有一个高次对称轴。

③高级晶族　这类晶族的晶体有多个高次对称轴。

（2）晶系　每个晶族包含若干个晶系。

①高级晶族只包括1个晶系：等轴晶系（又称为立方晶系）。

等轴晶系的特征是晶胞的6个参数：a=b=c，α=β=γ=90°。金刚石、萤石、尖晶石都属于等轴晶系，如图1-14所示。

②中级晶族包括3个晶系：六方晶系、四方晶系和三方晶系。

六方晶系的特征是：a1=a2=a3≠c，α=β=90°，γ=120°。绿柱石和磷灰石属于这个晶系。

四方晶系的特征是：a=b≠c，α=β=γ=90°。金红石和锆石属于四方晶系。

三方晶系的特征是：a=b=c，α=β=γ<120°≠90°。刚玉、石英、电气石属于三方晶系，如图1-15所示。

③低级晶族包括三个晶系：斜方晶系、单斜晶系和三斜晶系，如图1-16。

斜方晶系的特征是：a≠b≠c，α=β=γ=90°。金绿宝石、橄榄石、托帕石属于斜方晶系。

单斜晶系的特征是：a≠b≠c，α=γ=90°，β>90°。翡翠和软玉属于单斜晶系。

三斜晶系的特征是：a≠b≠c，α≠γ≠90°，β>90°。绿松石属于三斜晶系。

6.晶形

指晶体的外形。包括单形和聚形两种类型。如图1-17。

（1）单形　指由若干个形状、面积都相同的晶面构成的晶体。常见的单形有立方体、八面体等。

（2）聚形　指由若干个单形构成的形状更复杂的晶体。

7.双晶

有时候，同一种宝石的两个或多个单晶按一定的对称性生长在一起，人们把这种晶体称为双晶，如图1-18。双晶有几种具体的类型。

（1）接触双晶　指各个单晶沿一个平面互相接触形成的双晶。

（2）穿插双晶　指两个单晶相互穿插形成的双晶。

（3）聚片双晶　指多个薄片形状的单晶互相接触形成的双晶。

8.类质同象

指在宝玉石的显微结构中，微量元素的原子溶解在主要元素的晶格中形成的结构，如图1-19。

钻石中的N、B原子在C的晶格中就形成类质同象，红宝石中的Cr原子在Al2O3的晶格中也形成类质同象，还有蓝宝石中的Fe原子在Al2O3的晶格中、翡翠中的Cr原子在NaAl（SiO3）2的晶格中都形成类质同象。

实际上，类质同象和材料科学中提到的固溶体是同一概念。可以认为，它们是固态的溶液——含量较多的元素是溶剂，含量较少的元素是溶质。溶液是液态，而类质同象或固溶体是固态。

按照溶质的溶解度的大小，类质同象可以分为两种类型。

（1）完全类质同象　指溶剂元素的原子可以完全被溶质原子取代。这种类型就相当于材料科学中的无限固溶体。

（2）不完全类质同象　指溶质原子只能取代一部分溶剂原子。这种类型相当于材料科学中的有限固溶体。