3. Свойства драгоценных камней
3.1. Твёрдость
Твёрдость – это сопротивление, которое оказывает поверхность камня при попытке поцарапать её другим камнем или иным предметом. Твёрдость представляет собой меру связности атомной структуры вещества. Применительно к минералам и драгоценным камням под твёрдостью понимают твёрдость при шлифовании.
Твёрдость царапания прежде, когда оптические методы исследования еще не были развиты, как сейчас, играла большую роль при определении драгоценных камней. Сегодня проверка твёрдости путём царапания проводится лишь у менее ценных камней и в основном коллекционерами. Для профессионального испытания точность такого определения твёрдости слишком низка. Кроме того, слишком велика опасность повреждения камня. Основное преимущество метода царапания в том, что он позволяет простыми средствами определять драгоценные камни в первом приближении. В минералогии этот способ по-прежнему широко применяется.
Метод определения твёрдости путём царапания принадлежит венскому минералогу Фридриху Моосу (1773–1839). Моос определил твёрдость царапания как сопротивление, оказываемое минералом при царапании его поверхности острым контрольным предметом.
Значения твёрдости по относительной и абсолютной шкалам твёрдости представлены в табл. 3.1.
Камни, имеющие твёрдость по Моосу выше 7, считаются твёрдыми. О минералах с твёрдостью от 8 до 10 говорят, что они имеют твёрдость драгоценных камней. Драгоценные камни с твёрдостью ниже 7 по Моосу нестойки против вездесущей пыли, которая всегда содержит мельчайшие зёрна кварца (его твёрдость по Моосу равна 7), а поэтому повреждает полировку и ухудшает блеск мелких камней.
При определении твёрдости царапания необходимо следить за тем, чтобы оно производилось только острым краем образца и только на ровных и свежих поверхностях. У ребристых образований, листоватых кристаллов или выветренных с поверхности штуфов значения твёрдости царапания получаются заниженными.
Таблица 3.1
Относительная и абсолютная шкала твёрдости
Твёрдость царапания (по Моосу) |
Эталонный минерал |
Простейший способ определения твёрдости |
Твёрдость шлифования в воде (по Розивалю) |
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 |
Тальк Гипс Кальцит Флюорит Апатит Ортоклаз Кварц Топаз Корунд Алмаз |
Скоблится ногтем Царапается ногтем Царапается медной монетой Легко царапается ножом С трудом царапается ножом Царапается стальным напильником Царапает оконное стекло Легко царапает кварц Легко царапает топаз Не царапается ничем |
0,03 1,25 4,5 5,0 6,5 37 120 175 1000 140000 |
С помощью эталонных образцов и наборов принадлежностей для царапания твёрдость минералов можно легко определить в полевых условиях. Для практических целей можно запомнить, что ноготь царапает минерал с твёрдостью до 2-х, прочный нож – с твёрдостью до 5–6, стекло без труда царапается кварцем. Для профессиональной диагностики минералов или драгоценных камней определение твёрдости по Моосу слишком неточно. Кроме того, драгоценные камни при царапании можно повредить. Поэтому в подобных случаях прибегают к определению так называемой твёрдости шлифования, которая измеряется количеством минерала, сошлифовываемого с поверхности образца при определённых условиях.
Шкала Мооса – относительная шкала. С её помощью может быть только установлено, какой минерал твёрже. О том, насколько увеличивается в количественном выражении твёрдость от ступени к ступени, сказать нельзя. В табл. 3.1 шкала Мооса сопоставлена с абсолютными значениями твёрдости – это твёрдость шлифования в воде по Розивалю. Сопоставление показывает, как скачкообразно возрастает абсолютная твёрдость. Для неспециалиста определение абсолютной твёрдости, требующее сложной аппаратуры, практически невозможно.
Вследствие особенностей правильной атомной структуры, характерной для всех кристаллических веществ, твёрдость одного и того же камня может быть неодинаковой в разных направлениях. Наибольшим отличием твёрдости в различных направлениях среди других минералов выделяется кианит: твёрдость изменяется у него от 5 до 7. В одних направлениях образец царапается ножом, а в других нет. Однако для большинства минералов этот интервал настолько мал, что обычными способами обнаружить различие не удаётся.
Образцы одних и тех же минералов, полученные из разных мест, отличаются друг от друга по сложности процесса огранки и полировки. Так, например, алмазы с Калимантана и из Нового Южного Уэльса существенно твёрже алмазов из Южной Африки, и при их огранке возникают определённые трудности. Хотя твёрдость, как и другие физические характеристики, может меняться от кристалла к кристаллу даже одного минерального вида (благодаря изменению химического состава вследствие изоморфного замещения одного элемента другим), это не объясняет различий при обработке. Здесь накладывается вязкость, возникающая в результате двойникования или в результате других нарушений внутренней структуры.
Для измерения твёрдости минералов делались попытки применить различные методы, основанные на сопротивлении камней царапанию, истиранию, сверлению, прокалыванию и деформации поверхности. Главная особенность этих попыток – очень плохое совпадение результатов. Это свидетельствует, что результаты разных методов несопоставимы и что сцепление в минералах является очень сложным свойством.
Испытание на твёрдость нельзя рассматривать для общего применения, так как существует очевидный риск повредить камень. Если камень заключён в оправу, желательно его вынуть оттуда и провести испытание на рундисте камня. В этом случае поцарапанное место можно полностью закрыть, снова вставив камень в оправу. Все пятна необходимо стереть, чтобы убедиться, что они не связаны с попаданием абразива, так как если два вещества имеют примерно одинаковую твёрдость, может возникнуть путаница. Если по той или иной причине требуется определить твёрдость огранённого камня, лучше попытаться поцарапать углом этого камня какую-нибудь пластинку, а не царапать камень остриём. Поскольку в первом случае опасность повредить камень менее вероятна.
Для удобства испытания минералов на твёрдость применяют так называемые эталонные острия, в которых кусочки материала с известной твёрдостью вставлены в небольшие державки (рис. 3.1).
Игла твердости
Рис. 3.1. Эталонные острия для определения твёрдости царапания по Моосу
Твёрдости некоторых самоцветов по шкале Мооса приведены в Приложении 1.