宝玉石的成分

1按组成元素分

宝玉石按组成元素,可以分为以下两种:①由同一种元素组成,如金刚石,为单质型;②由两种或多种元素组成,如红宝石,为化合物型。

2按组成矿物分

各种元素有规律的集合在一起就形成了矿物,由此可将宝玉石分为两个类型:

1)单晶体型,是一个独立的矿物晶体,如金刚石;

2)集合体型,由多个独立的矿物晶体或晶粒组成,有两种形式:

单矿物集合型 由同一种矿物组成,如孔雀石;

多矿物集合型 由两种或更多种矿物晶体组成,如独玉。

刚玉：名称源于印度，系矿物学名称。刚玉Al2O3的同质异像主要有三种变体，分别为α-Al2O3、β-Al2O3、γ-Al2O3。刚玉硬度仅次于金刚石。

刚玉主要用于高级研磨材料，手表和精密机械的轴承材料。作为激光发射材料的红宝石系人造晶体。红宝石和蓝宝石都属于刚玉矿物，除星光效应外，只有半透明-透明且色彩鲜艳的刚玉才能做宝石。红色的称为红宝石，而其他色调的刚玉在商业上统称蓝宝石。

玛瑙：主要成分为二氧化硅，由于与水化二氧化硅（硅酸）交替而常重复成层。因其夹杂氧化金属，颜色可从极淡色以至暗色。用铁、钴、镍等盐类，任它们自然渗透于硅酸凝胶中，能人工制成"玛瑙"，天然玛瑙可能亦是在相似情形下生成的。

分子筛：一种水合硅铝酸盐或天然沸石，自然界中存在一种天然硅铝酸盐，它们具有筛分分子、吸附、离子交换和催化作用。这种天然物质称为沸石，人工合成的沸石也称为分子筛。

图1 A型分子筛的主要结构

分子筛的化学组成通式为：(M)2/nO· Al2O3·xSiO2·pH2O，M代表金属离子(人工合成时通常为Na)，n代表金属离子价数， x代表SiO2的摩尔数，也称为硅铝比，p代表水的摩尔数。分子筛骨架的最基本结构是 SiO4和AlO4四面体，通过共有的氧原子结合而形成三维网状结构的结晶。

一、宝石与地壳中的化学元素

1 地壳中的化学元素

宝石矿物是由不同元素组成的，地壳中的化学元素有 100 多种，各种元素在地壳中的平均含量 (即元素在地壳中的丰度) 有很大的差异。O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg 8种元素就占了地壳总质量的 98 59%，其中 O 几乎占了地壳质量的一半，Si 占了四分之一强。表 1 -1 -1 列出了地壳中 20 种丰度最高的元素，同时也列出了一些常出现在宝石矿物中的稀有元素或宝石学家比较感兴趣的元素。

表 1 -1 -1 地壳中元素的丰度

(据 Hurlbu，1991)

从表 1 -1 -1 中可以看到 O 占地壳体积的 93% 以上，从原子的角度来看，地壳基本上是由氧的阴离子堆积而成，Si 和金属离子 (如 Al、K、Na、Ca 等) 充填在其空隙之中。

宝石矿物的形成不仅与元素的相对数量有关，还决定于元素的地球化学性质，有些元素的丰度虽然很低，但趋向于集中，可以形成独立的矿物种，并可以富集成矿床，如 Sb、Bi、Hg、Ag 和 Au 等，称为聚集元素; 有些元素的丰度虽然远比上述元素高，但趋向于分散，不易聚集成矿床，甚至很少能形成独立的矿物种，而是常常作为微量的混入物赋存于主要由其他元素组成的矿物中，如 Rb、Cs、Ga、In、Se 等，称为分散元素。

2 元素的离子类型

元素在宝石矿物中的结合，主要取决于元素本身与原子外电子层有关的性质。各种元素的原子得到电子的能力 (电负性) 和失去电子的能力 (电离势) 以及它们成为离子后的性质，包括离子的电子层结构 (离子类型) 、离子半径等，都是支配元素之间能否结合形成化合物的重要因素。元素之间化合时，离子的外电子层以 2、8 或18 个电子的结构最稳定，各种元素都有力图使自己达到这种结构的趋势。一些元素之所以结合形成矿物，正是通过彼此间得失电子的方式来满足各自的要求。根据离子的最外电子层结构，可将离子分为 3 种基本类型 (表 1 -1 -2) 。

表 1 -1 -2 元素的离子类型

注: ① TR 与 Ac 分别为镧系及锕系元素。

1—惰性气体型原子; 2—惰性气体型离子; 3—过渡型离子: 3a—亲氧性强，3b—亲硫性强; 4—铜型离子。

(1) 惰性气体型离子

元素周期表左边的碱金属和碱土金属以及一些非金属元素的原子，失去或得到一定数目的电子成为离子时，其最外电子层结构与惰性气体原子的最外电子层结构相似，具有 8个 (s2p6) 或 2 个 (s2) 电子，称为惰性气体型离子。碱金属和碱土金属原子的电离势较低，容易失去电子变成阳离子，而非金属元素 (主要是氧和卤素元素) 的电负性较高，容易接受电子而变成阴离子，氧是地壳中含量最多、分布最广的元素，极易接受两个电子变成 O2-而达到稳定的外电子壳层。所以它们极易与氧结合生成氧化物和含氧盐 (主要是硅酸盐) ，形成大部分造岩矿物。因此，地质上常将这部分元素称为造岩元素，也称亲石元素或亲氧元素。碱金属和碱土金属元素的离子半径较大，极化性能较低，与氧和卤素元素形成以离子键为主的化合物。

(2)铜型离子

元素周期表上右半部分的有色金属和重金属元素，失去电子成为阳离子时，其最外电子层具有18(或18+2)个电子，与一价铜离子(s2p6d10)相似，称为铜型离子。本类离子的离子半径较小，外层电子又多，极化性能很强，易与半径较大、又易被极化的S2-结合生成以共价键为主的化合物，形成主要的金属矿物。因此将这部分元素称为造矿元素，也称为亲硫元素或亲铜元素。

(3)过渡型离子

元素周期表上Ⅲ—Ⅷ族的副族元素，失去电子成为阳离子时，其最外电子层为具有8到18个电子的过渡型结构，所以称为过渡型离子，其在元素周期表上也居于惰性气体型离子与铜型离子之间的过渡位置，它们的离子半径和极化性质也介于惰性气体型离子与铜型离子之间。外电子层的电子数愈近于8者亲氧性愈强(表1-1-2中3a)，易形成氧化物和含氧盐;愈近于18者亲硫性愈强(表1-1-2中3b)，易形成硫化物;居于中间位置的Mn和Fe，则与氧和硫均能结合。

3有色宝石矿物的化学成分

有色宝石矿物与其他物质一样，都是化学元素组成的。每一种宝石矿物都有其特定的化学成分及一定的变化范围，并决定着宝石的各种特征和性质。按照有色宝石矿物成分组成类别可划分为以下几类:

1)单质:即组成元素只有一种，如钻石由单一的碳(C)元素组成。

2)化合物:由一种以上元素按一定比例组成，有色宝石中常见4种类型:

●简单氧化物:成分中阳离子为一种元素，阴离子为氧元素。如石英(SiO2)和刚玉(Al2O3)，阳离子分别为硅(Si)和铝(Al)，两者阴离子都为氧(O)。

●复杂氧化物:组成中阳离子为一种以上的元素，如尖晶石(MgAl2O4)的阳离子为镁(Mg)和铝(Al)，金绿宝石(BeAl2O4)的阳离子为铍(Be)和铝(Al)，两种宝石的阴离子都为氧(O)。

●单盐:阳离子为一种元素，但阴离子不是单一元素，而是由阴离子与阳离子组合的阴离子团，也称酸根。如方解石化学成分为碳酸钙Ca［CO3］，方括号中为阴离子团，由碳(C)与氧(O)组合而成。又如锆石的化学成分为硅酸锆Zr［SiO4］，阳离子为锆，酸根为硅酸根。

●复盐:由一种以上的阳离子组成的盐类，如白云石CaMg［CO3］2，阳离子有钙(Ca)和镁(Mg)两种。又如绿柱石就是铍和铝的硅酸盐，其化学式为Be3Al2［Si6O18］。

●卤化物:组成中阳离子为一种或以上的元素，阴离子为氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)和碘(I)的化合物，有色宝石中最常见的是萤石(CaF2)。

二、宝石化学成分的变化———类质同像

无论是单质还是化合物，宝石矿物的化学成分都不是绝对固定不变的，通常都会在一定的范围内有所变化。引起矿物化学成分变化的原因，对晶质矿物而言，主要是元素的类质同像代替。通常说某种矿物成分中含有某些混入物，除因类质同像代替和吸附而存在的成分外，还包括一些以显微(及超显微)包裹体形式存在的机械混入物。

1类质同像的概念

晶体结构中某种质点(原子、离子或分子)为他种类似的质点所代替，仅使晶格常数发生不大的变化，而结构形式并不改变，这种现象称为类质同像。

类质同像可根据代换的多少分为两种类型，一种为完全的类质同像，其相互代换离子的量不受限制，它们可以形成一个连续的类质同像系列，如橄榄石;另一种为不完全的类质同像，其代换量不能超过一定限度，它们不能形成连续的系列，如红宝石铬离子代换铝离子最多不过百分之几就能使刚玉呈现红色。

根据相互取代的质点的电价是否相同，分别称为等价的类质同像和异价的类质同像，前者如Mg2+与Fe2+之间的代替，后者如在钠长石Na［AlSi3O8］与钙长石Ca［Al2Si2O8］系列中Na+和Ca2+之间的代替以及Si4+和Al3+之间的代替都是异价的，但由于这两种代替同时进行，代替前后总电价是平衡的。

2类质同像形成的条件

形成类质同像的原因一方面取决于代替质点本身的性质，如原子和离子半径大小、电价、离子类型和化学键性等，另一方面也取决于外部条件，如形成代替时的温度、压力、介质条件等。

(1)原子和离子半径

相互取代的原子或离子，其半径应当相近。在电价和离子类型相同的情况下，类质同像的代换能力随着离子半径差别的增大而减小。当异价类质同像代换时，代换能力主要取决于电荷的平衡，离子半径的大小退居次要地位，如在斜长石中，(rAl3+-rSi4+)/rSi4+高达50%，Al3+仍可代替Si4+。

(2)总电价平衡

在类质同像的代替中，必须保持总电价的平衡。在使总电价平衡的前提下，类质同像的代替可以为同价代替或不等价离子之间的代替。如Mg［CO3］-Fe［CO3］中Mg2+和Fe2+的代替;斜长石Na［AlSi3O8］-Ca［Al2Si2O8］系列中Na++Si4+→Ca2++Al3+的代替，或磷灰石(Ca2+，Ce3+，Na+)5［PO4］3F中的Ce3++Na+→2Ca2+。

(3)离子类型和化学键

离子类型不同，化学键不同，则它们之间的类质同像代替就不易实现。如6次配位的Ca2+和Hg2+的半径分别为0100nm和0102nm，电价相同，半径相近，但由于离子类型不同，它们之间一般不出现类质同像代替。Al3+和Si4+均为惰性气体型离子，Si-O与Al-O间距分别为0161nm和0176nm，两者较为接近，且主要是共价键，从而使Al3+可代替Si4+。

(4)温度和压力

温度增高有利于类质同像的产生，而温度降低则将限制类质同像的范围并促使离溶。如在高温下碱性长石中的K、Na可以相互替代形成(K，Na)［AlSi3O8］或(Na，K)［AlSi3O8］固溶体，温度降低则发生固溶体分离，形成由钾长石(K［AlSi3O8］)和钠长石(Na［AlSi3O8］)两个物相组成的条纹长石。

一般来说，压力的增大将限制类质同像代替的范围并促使固溶体分离。

(5)组分浓度

一种宝石矿物晶体，其组成组分间有一定的量比。当它从熔体或溶液中结晶时，介质中各组分若不能与上述量比相适应，即某种组分不足时，则将有与之类似的组分以类质同像的方式混入晶格加以补偿。例如磷灰石的化学式为Ca5［PO4］3F，从岩浆熔体中形成磷灰石要求熔体中的CaO和P2O5等的浓度符合一定的比例，若P2O5浓度较大，而CaO的浓度相对不足，则Sr、Ce等元素就可以类质同像的方式补偿，代替Ca进入磷灰石的晶格，因而磷灰石中常可聚集相当数量的稀有分散元素。

3类质同像对宝石物理性质的影响

类质同像不仅可使宝石矿物的化学成分发生一定程度的规律变化，而且也必然会导致宝石矿物的一系列物理性质的改变，主要表现在颜色、光泽、折射率、相对密度、条痕、熔点及硬度等方面。

绿柱石的化学成分为Be3Al2［Si6O18］，因类质同像的替换可呈现不同的颜色。当微量的Cr3+或V3+代替Al3+时，则称祖母绿;如果Li+代替Be2+，为保持电价平衡，Cs+会进入绿柱石的结构通道，含Cs越高，则绿柱石的折射率(No=1566～1602，Ne=1562～1594)、双折射率(0004～0009)、相对密度(260～290)也越高。一般Cs的质量分数最高可达413%，但当Cs、Li类质同像替换更多时，则物理性质会发生更大的变化，甚至被命名为新的宝石种。2003年在马达加斯加发现了一种红色宝石，经研究，它是一种含Cs、Li的绿柱石，晶体化学式是Cs(Be2Li)Al2Si6O18，折射率No=1615～1619，Ne=1607～1610，相对密度为309～311，因该宝石与绿柱石物理性质有很大差异，故以Pezzottaite命名为一种新宝石矿物。

三、宝石矿物中的水

在很多宝石矿物中含有水，根据水的存在形式以及它们在晶体结构中的作用，可以把水分为两类:一类不参加晶格，与矿物晶体结构无关，统称为吸附水;另一类参加晶格或与矿物晶体结构密切相关，包括结构水、结晶水、沸石水和层间水。

1)吸附水:以中性H2O分子的形式被机械吸附于宝石矿物集合体的颗粒表面或裂隙中，不写入化学式。吸附水在宝石矿物中的含量不定，随温度和湿度而不同，常压下110℃时全部逸出。另外，水胶凝体中含有一种特殊类型的吸附水，称为胶体水。它被微弱的联结力固着在微粒的表面，通常计入矿物的化学组成，但其含量变化很大，如蛋白石SiO2·nH2O。

2)结晶水:以中性H2O分子的形式在晶格中占有固定的位置，是矿物化学组成的一部分。结晶水的逸出温度一般不超过600℃，通常为100～200℃。当结晶水失去时，晶体的结构遭到破坏，形成新的结构，宝石矿物的一系列性质相应发生变化。如绿松石就是一种含有结晶水的磷酸盐，分子式为CuAl6［PO4］4(OH)8·4H2O，其中水(H2O)的含量可达20%左右。

3)结构水:又称化合水，是以(OH)-、H+、(H3O)+离子形式参加矿物晶格的“水”，其中(OH)-形式最常见。结构水在晶格中占有固定的位置，具确定的含量比，由于与其他质点有较强的键力联系，需要较高的温度(大约在600～1000℃之间)才能逸出，并引起结构的完全破坏。许多宝石中都含有结构水，如碧玺NaMg3Al6［Si6O18］［BO3］3(OH，F)4、黄玉Al2［SiO4］(F，OH)2、磷灰石Ca5［PO4］3(F，Cl，OH)等。在堇青石和绿柱石平行于z轴的结构通道中，常会有一定数量的水，含量有一定的变化，是一种特殊类型的结构水，它的失去需要很高的温度。

4)沸石水和层间水:在宝石中很少见。

研究水在宝石矿物中存在形式的最好方法是热分析，也可用红外吸收光谱、X射线衍射、电子衍射和中子衍射配合进行。

四、宝石矿物的化学式

宝石矿物的化学成分以化学式表达。化学式是表示矿物的组成、元素的种类、比例及某些结构特征的符号，有两种形式。

1实验式

表示宝石矿物化学成分中各组分数量比的化学式称为实验式，如祖母绿为Be3Al2Si6O18，也可用氧化物表示为3BeO·Al2O3·6SiO2。

2结构式或晶体化学式

不但可以表示出元素的种类和比例，还能表达一定的结构特征。如上述祖母绿的结构式为Be3Al2［Si6O18］，说明其成分中存在阴离子团［Si6O18］，并在晶体结构中占据特定的位置。

结构式或晶体化学式的书写原则有如下规定:

1)阳离子在前，阴离子在后。如果有一种以上的阳离子，则按碱性强弱的顺序排列，如尖晶石MgAl2O4。

2)当存在阴离子团时，一定用方括号括起来，如锆石Zr［SiO4］。

3)当成分中有附加阴离子如氟、氯及羟基等时，将其排在一般阴离子后面，如黄玉(托帕石)Al2［SiO4］(F，OH)。

4)当存在类质同像代换时，应将相互代换的离子置圆括号中，前后按多少顺序排列，离子之间用逗号分开，如橄榄石(Mg，Fe)2［SiO4］表示阳离子Mg和Fe之间有代换，黄玉Al2［SiO4］(F，OH)2表示附加阴离子F和OH之间有代换。

5)如成分中含有水分子，则排在最后，中间以居中小圆点隔开，如石膏Ca［SO4］·2H2O。水分子数如果不固定，可以用n表示，如欧泊写作SiO2·nH2O。

1、衡量蓝宝石颜色品质的标准要看它的颜色品质。说到颜色，它由三个要素所组成，一是色调，它是区别不同颜色的标志，是最为重要的一个要素。二是饱和度，也叫纯度，指的是颜色的纯净程度，颜色中的含色成分越高，饱和度就越大。三是亮度，也叫明度，指的是颜色的发光强度，亮度越高，给人的感觉就越明亮。

2、评价蓝宝石的颜色品质，也需要从这三点进行着手。从色调上来看，蓝宝石的颜色涵盖了除了红色外的几乎所有色调，蓝宝石之所以颜色呈现如此的多样复杂，归根结底在于其构成的化学成分上。蓝宝石主要是由氧化铝所构成的，最为纯净不含任何杂质的蓝宝石，它应该是无色透明的，这样的蓝宝石称之为无色蓝宝石或白色蓝宝石。

3、但在实际情况下，蓝宝石在形成过程中，往往含有一些致色离子，它们在蓝宝石当中所构成的比例不同，就会对蓝宝石的颜色造成影响。例如蓝色蓝宝石，就是由于内部含有钛和铁离子所致，钛离子含量越高，蓝色的纯度就会越高，饱和度就越高。而若是铁离子含量过高，蓝色就会变深、变暗，亮度就会降低。

4、对于蓝宝石饱和度和亮度的要求，国际上的标准是饱和度越高越好，而亮度则要适中，这样的蓝宝石在颜色上才会最为符合人们的视觉审美。比如我们经常所提到的皇家蓝宝石，就是一种饱和度极高的蓝色蓝宝石，由于颜色极为纯正，成为了英国皇室最为喜欢的颜色，也因此一直以来价值连城。