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INTRODUZIONE ALLE LEZIONI DI GEMMOLOGIA

DIAMANTE

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Rubino grezzo

Argomenti del corso di gemmologia

1. Cosa intendiamo per gemme e pietre preziose

2. Origine delle gemme naturali e principali metodi di sintesi

3. Proprietà fisiche ed ottiche delle gemme

4. Identificazione delle gemme

5. Tecniche di analisi gemmologica non-standard (IR, RAMAN)

6. Inclusioni nelle gemme

7. Caratteristiche, proprietà e trattamenti delle più comuni gemme.

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Un esempio di trattamento…

IRRADIAZIONE O IRRAGGIAMENTO DI GEMME

Topazi incolori (r.i. 1,609) trattati con cobalto 60 o cesio 137 (r.i. 1,620):

sul mercato sono indicati come London blue, super blue, max blue e sky blue

Ad esempio…

Osservando la fotografia è praticamente impossibile dire che tipo di gemma si tratti. Potrebbe essere ad esempio un rubino, uno spinello, una tormalina, un berillo rosso?

Solo attraverso un’analisi attraverso i seguenti strumenti potremmo stabilire che si tratti in realtà di un berillo raro chiamato bixbite o spesso smeraldo rosso.

4

La gemmologia non si occupa solo dello studio dei materiali gemmiferi (perle comprese) e della corretta terminologia di questi ultimi, ma anche dei metodi d’analisi gemmologica del taglio e della lucidatura, della gemma creata sinteticamente, dei metalli preziosi e delle loro leghe e infine delle procedure di valutazione.

I corsi di corrispondenza GIA sono il risultato di lezioni tenute da R. Shipley tra il 1930-1931.

GEMMOLOGIA Fu insegnata per la prima volta come corso di specializzazione della geologia tra il 1909-1913. Nel 1916 corso semestrale di Edward Kraus.

SESTO SAN GIOVANNI

MILANO

Cavalese

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Cosa intendiamo per “GEMMA?

Le tre virtù cardinali sono quindi:

BELLEZZA

RARITA’

DUREVOLEZZA

Cosa intendiamo per “GEMMA NATURALE?

Secondo le disposizioni dell’UNI (Ente

Nazionale Italiano di Unificazione- Norme

10245) per GEMMA NATURALE intendiamo un

materiale di origine naturale, inorganico o

organico. Si comprendono minerali, rocce,

parti e secrezioni di animali e vegetali. Esempi:

corindone (tutte le varietà); berillo (tutte le

varietà); corallo; perla; ambra.

Per GEMMA intendiamo un materiale desiderabile

per la sua BELLEZZA, di grande valore per la sua

RARITA’, e che sia dotato di DUREVOLEZZA in

modo da mantenere la sua lucentezza nel tempo

Secondo le disposizioni dell’UNI (Ente

Nazionale Italiano di Unificazione- Norme

10245) le sostanze organiche e/o

inorganiche prodotte mediante

procedimenti tecnologici sono

genericamente definite materiale

gemmologico artificiale.

In questa categoria distinguiamo:

Le gemme sintetiche (o minerali sintetici) sono materiali prodotti

artificialmente con procedimenti tecnologici. Hanno sempre i

corrispondenti naturali.

Hanno la stessa composizione chimica, lo stesso sistema cristallino,

e le stesse caratteristiche ottiche e fisiche della loro controparte

naturale. Esempi: corindone sintetico (tutte le varietà); berillo

sintetico (tutte le varietà);

Cosa si intende per materiale gemmologico artificiale?

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Cosa si intende per materiale

gemmologico artificiale?

Secondo le disposizioni dell’UNI (Ente

Nazionale Italiano di Unificazione-

Norme 10245) sono materiali

gemmologici artificiali anche:

Prodotti sintetici: sostanze cristalline ottenute con procedimenti di sintesi (es. CZ,

GGG, YAG, il linobate) non hanno il corrispondente naturale Vetri artificiali: sostanze amorfe ottenute per raffreddamento di un fuso di qualunque

composizione chimica;

Materiali compositi: materiali ottenuti da due o più parti assemblate, naturali o

artificiali; Plastiche

Perle imitazioni

Materiali agglomerati: materiali costituiti da frammenti naturali o artificiali, fusi e

pressati. Es. ambra ricostituita.

niobato di litio

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Cosa si intende per

simulante?

I simulanti invece sono tutti quei materiali che

assomigliano come aspetto estetico alla gemma

che imitano.

Molto spesso vetri colorati (detti

paste) sono usate come simulanti di

gemme. E’ evidente che in questo

caso la composizione, le proprietà

dei simulanti sono molto diverse

dalle gemme naturali che vogliono

imitare. The Timur Ruby

Ad esempio spesso si usano gemme

naturali colorate poco preziose per

simularne altre più preziose.

Altre imitazioni

zircone Topazio azzurro

Spinello blu

Zaffiro

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Simulazioni: Trattamenti non dichiarati

Yeuda

Le migliori imitazioni del diamante

CZ: zirconia cubica ZrO2

• Disponibile sul mercato dal 1976 ma sintetizzata dal 1969.

• Nota anche come materiale ceramico resistente ad alte T (2500°C fusione)

• Non ha equivalenti in natura: esiste la baddeleyite, rombica.

• Stabilizzata con elementi di transizione (es:ossido di ittrio, Cu, Co, Mn, Cr) che a volte le conferiscono colorazioni; a volte con terre rare (praseodimio, neodimio, olmio, cerio che producono spettri di assorbimento caratteristici).

• Durezza 8.5

• Arrotondamento degli spigoli

• Scarsa fuorescenza agli UV sul giallo (il diamante invece è blu).

• Sfaldatura assente (il diamante ha sfaldatura perfetta parallele all’ottaedro)

• Opaca ai RX

• Riconoscimento mediante il metodo della riga o del punto.

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IL DIAMANTE

Proprietà chimiche, fisiche e mineralogiche:

Caratteristiche cristallografiche: sistema cubico

Durezza: 10 scala di Mohs

Tenacità: non buona, presenta 4 direzioni di sfaldatura evidente

secondo le facce dell’ottaedro

Composizione chimica: C

• il cosiddetto GGG, granato di gadolinio e

gallio (gadolinium, gallium garnet);

• lo YAG, ossia granato di ittrio e alluminio

(yttrium aluminum garnet),

• il niobato di litio, noto in commercio come

linobate. E’ incolore, giallo, bruno, verde

• il titanato di stronzio (simile al rutilo, un

minerale del titanio. In commercio si trova

come fabulite).

Hanno durezza bassa, tra 6 e 8

Non hanno il fuoco, poiché la dispersione è

bassa.

Le migliori imitazioni del diamante

Prodotti artificiali

GGG- $0.40/carat

YAG - $.20/carat

fabulite

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Le migliori imitazioni del

diamante

MOISSANITE SINTETICA

(una delle migliori imitazioni del diamante)

La storia della Moissanite ebbe inizio migliaia e migliaia di anni fa, quando una meteorite

si schiantò sulla superficie terrestre creando un enorme cratere ancora oggi esistente, il

Diablo Canyon, in Arizona. Solo nel 1904 il premio Nobel per la chimica Henri Moissan,

analizzando i frammenti venuti dallo spazio, identificò la presenza di una nuova

sostanza: il carburo di silicio naturale, e proprio in onore del suo scopritore prese più

tardi il nome di Moissanite

CSi: 70%sabbia, 30%carbone coke

Questo prodotto ha la sostanziale differenza di

essere birifrangente;

mentre, dal punto di vista fisico, è una buona

imitazione del diamante, in quanto ha durezza pari

a 9.25 della scala di Mohs e conducibilità termica

simile a quella del diamante, Solitario corrispondente ad un diamante di Ct.1 (€ 7.000,00 ca.)

PREZZO AL PUBBLICO € 790,00

Tavola superiore (o principale). Faccetta larga e piatta alla

sommità della corona, parallelamente al piano della cintura

Faccette di

stella

Apice (o Tavola inf.) :faccetta dove si incontrano le faccette del padiglione

Parti principali del taglio

Faccette

fondamenta

li inferiori

Corona:parte pietra

sopra cintura

Padiglione:area inclinata tra

cintura e apice

Cintura:sezione

perimetrale

N.B.:Faccette= superfici planari polite.

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Sono considerate simulazioni anche le pietre

assemblate o composite: ad esempio…

Doppiette in senso stretto: due parti di forma appropriata, ricavate da materiale della

stessa specie e dello stesso colore incollate tra loro, di cui una costituisce la corona e

l’altra il padiglione. (es. due pezzi di diamante, di rubino, di zaffiro, ecc.).

Doppiette in senso lato: due parti di forma appropriata, ricavate da materiale di diversa

specie e incollate tra loro, di cui una di minerale naturale costituisce la corona e l’altra di

scarso valore il padiglione. (es. doppietta di diamante, in cui la corona è diamante e il

padiglione è costituito da qualsiasi pietra incolore).

Triplette: sono costituite da tre porzioni: la corona in materiale naturale, la parte sup. del

padiglione, ricavata da un materiale simile, e la parte centrale, solitamente di vetro

colorato.

Sono considerate simulazioni anche le pietre

assemblate: ad esempio…

- doppiette granato - vetro

- strass (VETRO INCOLORE BRILLANTE SUSCETTIBILE DI OPPORTUNA

COLORAZIONE. Composizione media: 35% silice, 50% ossido di piombo

(minio), 12% ossido di K, tracce di B, ossido di Al e As.

- doppiette e triplette opale

- triplette spinello sintetico (spinello incolore - lamina vetro colorato - spinello

incolore)

- spinello sintetico (per imitare tormalina, acquamarina, peridoto)

ingannevoli

- doppiette corindone naturale e sintetico, doppiette diamante - mat. varie

- ambra in plastica

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La tabella seguente mette in luce alcuni materiali di interesse gemmologico che

possono essere ricreati in laboratorio, oltre ai tipi di imitazioni che si possono

incontrare.

Pietra Possibilità di sintesi Imitazioni

Vetro, Plastica Si Ametista

Plastica, Fosfato di Calcio No Corallo

Vetro, Zircone incolore, Zirconia

Cubica, Moissanite, GGG (granato di

gadolino di gallio), YAG (granato di

ittrio e alluminio)

Si Diamante

Vetro, Spinello sintetico, YAG,

GGG, Zirconia Cubica verde,

Quarzo verde

Si Smeraldo

Quarzo

Si

Vetro

Rubino

Si

Zirconia Cubica rossa, Spinello sintetico

colorato,Vetro, Plastica

Zaffiro

Si

Zirconia Cubica blu, Spinello sintetico

colorato,Vetro, Plastica

Perle di imitazione

• Dalle Majorca alle perle di Parigi, i prodotti inventati

dall'uomo per competere con la natura

Perle di Parigi: essenza d’oriente

Perle di Majorca: vetro ricoperto di essenza d’oriente

Perle di Boemia: protuberanze di madreperla

Perle di Roma: alabastro ricoperto di iridescenze

Perle di rose di Turchia: PETALI DI ROSA

Perle di vasca: sfere di madreperla con pellicola di nylon

Perle di Venezia: vetro con aggiunta di materiale madreperlaceo

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Cosa intendiamo per “GEMMA?

Le tre virtù cardinali sono quindi:

BELLEZZA

RARITA’

DUREVOLEZZA

Cosa intendiamo per “GEMMA NATURALE?

Secondo le disposizioni dell’UNI (Ente

Nazionale Italiano di Unificazione- Norme

10245) per GEMMA NATURALE intendiamo un

materiale di origine naturale, inorganico o

organico. Si comprendono minerali, rocce,

parti e secrezioni di animali e vegetali. Esempi:

corindone (tutte le varietà); berillo (tutte le

varietà); corallo; perla; ambra.

Per GEMMA intendiamo un materiale desiderabile

per la sua BELLEZZA, di grande valore per la sua

RARITA’, e che sia dotato di DUREVOLEZZA in

modo da mantenere la sua lucentezza nel tempo

Secondo le disposizioni dell’UNI (Ente

Nazionale Italiano di Unificazione- Norme

10245) le sostanze organiche e/o

inorganiche prodotte mediante

procedimenti tecnologici sono

genericamente definite materiale

gemmologico artificiale.

In questa categoria distinguiamo:

Le gemme sintetiche (o minerali sintetici) sono materiali prodotti

artificialmente con procedimenti tecnologici. Hanno sempre i

corrispondenti naturali.

Hanno la stessa composizione chimica, lo stesso sistema cristallino,

e le stesse caratteristiche ottiche e fisiche della loro controparte

naturale. Esempi: corindone sintetico (tutte le varietà); berillo

sintetico (tutte le varietà);

Cosa si intende per materiale gemmologico artificiale?

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Cosa si intende per materiale

gemmologico artificiale?

Secondo le disposizioni dell’UNI (Ente

Nazionale Italiano di Unificazione-

Norme 10245) sono materiali

gemmologici artificiali anche:

Prodotti sintetici: sostanze cristalline ottenute con procedimenti di sintesi (es. CZ,

GGG, YAG, il linobate) non hanno il corrispondente naturale Vetri artificiali: sostanze amorfe ottenute per raffreddamento di un fuso di qualunque

composizione chimica;

Materiali compositi: materiali ottenuti da due o più parti assemblate, naturali o

artificiali; Plastiche

Perle imitazioni

Materiali agglomerati: materiali costituiti da frammenti naturali o artificiali, fusi e

pressati. Es. ambra ricostituita.

BELLEZZA

berillo

Potrà essere dovuta ad esempio:

1. Splendore: perché le gemme tagliate sono brillanti?

2. Trasparenza e Intensità del colore (es. rubino e smeraldo)

3. Colore (es. turchese)

Lucentezza:quanta luce è riflessa?

4. Scomposizione della luce bianca nei colori dello spettro (es. il “fuoco” dei diamanti o l’interferenza dell’opale)

La gemma deve essere attraente, altrimenti non è considerata pietra preziosa.

La bellezza delle gemme è soggettiva, non è una proprietà tangibile e quindi non QUANTIFICABILE.

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Bellezza

Colore

Trasparenza

Brillantezza

Fenomeni Ottici

Lucentezza

Origine del colore nelle

gemme

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Colore dei minerali

A seconda delle colorazioni, i minerali si suddividono in: idiocromatici, che presentano sempre il medesimo colore, dovuto a uno specifico elemento che costituisce una parte essenziale del loro chimismo; allocromatici, che possono presentare colori differenti perchè non possiedono un loro colore caratteristico (es. i minerali che troviamo sia incolori che colorati, quali diamante, corindone, berillo, topazio, lo spinello, lo zircone, il quarzo.

Minerali idiocromatici La costanza del colore nei minerali idiocromatici è dovuta alla presenza di elementi cromofori come Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu che entrano costantemente nella loro composizione (es: spessartite, uvarovite, almandino, olivina, turchese).

Minerali allocromatici

In questi minerali, la colorazione può essere determinata da più fattori fra i quali:

•la presenza dei medesimi elementi cromofori nella struttura del minerali, stavolta però come ioni estranei, in tracce •la presenza di difetti strutturali nel reticolo (centri di colore) •la presenza di inclusioni di altri minerali colorati

La corrispondenza tra un certo colore (per esempio il verde dello smeraldo, una varietà del berillo) ed un dato elemento chimico (il Cromo) è oggi assodata. Questo ci fa capire che UNA DELLE CAUSE DEL COLORE E’ LA PRESENZA DI IMPURITA’ METALLICHE.

Quale e’ dunque la causa del colore nelle gemme?

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Il Cromo

Il cromo generalmente conferisce una colorazione intensa rossa o verde alla gemme.

Rubino Spinello

Solo 1-2% di Cr sostituisce Al

Piropo

Quando esposti ai raggi UV o X i minerali contenenti Cr assumono una fluorescenza rossa. I minerali contenenti Cr mostrano generalmente una trasparenza nel rosso intenso

Ma il Cromo conferisce anche colorazione verde….e una estrema

trasparenza nel rosso intenso (es. smeraldo, alessandrite)

GRANATO

DEMANTOIDE: varietà

dell’andradite

SMERALDO:

BERILLO

CROMODIOPSIDE;PIROSSENO

TSAVORITE:

VARIETÀ DI

GROSSULARIA

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Demantoide

Granato verde, il suo nome che viene dall'Olandese, significa più o meno "simile al diamante" per la sua unica brillantezza e luminosità. Il demantoide ha una relativamente elevata rifrazione della luce (1.888). Notevole dispersione, ovvero la sua capacità di riflettere la luce proveniente attraverso le sfaccettature e di scomporla nei colori dell'arcobaleno. Durezza inferiore di poco al grado 7 della scala Mohs Molto prezioso è quello di profondo verde smeraldo, che tuttavia è veramente molto raro. Esso, non soltanto è una pietra rara e raffinata, ma di solito è anche piuttosto piccola, solo poche pietre possono raggiungere più di due carati dopo il taglio, molte pesano circa un carato. Ritrovato in Namibia (non incluso, generalmente) e Russia, negli Urali.

GRANATO DEMANTOIDE: varietà dell’andradite, con inclusioni a coda di cavallo di bissolite (anfibolo)

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Colore

-TONALITÀ CROMATICA (o TINTA o TONO CROMATICO O Più SEMPLICEMTE

COLORE IN S.S.) - colore percepito a colpo d'occhio. (Il sistema del G.I.A.

distingue 31 tinte differenti, es. verde, rosso, ecc).

- LUMINOSITÀ -descrive la luminosità relativa di una tinta.

(La scala di tonalità del G.I.A. distingue fra 11 gradi, in cui il bianco o l'incolore

vengono indicati con 0 ed il nero con il 10. Es. grigio neutro con estremi dal

bianco al nero).

-SATURAZIONE CROMATICA O CROMA- concentrazione o purezza di una tinta.

(La scala del G.I.A. comprende 7 categorie). Per tinte molto sature si usa

l'appellativo "forte"; per tinte estremamente sature si usa l'appellativo"vivido".

Il sistema di classificazione

delle gemme di colore si

avvale di 3 parametri:

TONALITÀ CROMATICA,

LUMINOSITÀ E

SATURAZIONE CROMATICA.

Il colore è la risposta dell’occhio alla parte visibile dello spettro

elettromagnetico

350nm 750nm

1nm =10-9

m =10Å

I LIMITI DELLA REGIONE DEL VISIBILE NON SONO NETTI, ma

dipendono dall’osservatore e dalle condizioni in cui la luce

arriva al suo occhio: percio’ diventa conveniente considerare

che LA REGIONE DEL VISIBILE SI ESTENDA da 700 A 400 nm.

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QUALE E’ LA CAUSA DEL COLORE NELLE GEMME?

Come sappiamo, la luce che interagisce con una gemma può essere

trasmessa, assorbita, riflessa, rifratta, o diffusa. L’assorbimento

della luce è la causa principale del colore. Esso dipende dal

comportamento degli elettroni all’interno delle strutture del

cristallo.

Luce emessa (fluorescenza)

Luce incidente

Luce riflessa

Luce trasmessa

Rifrazione

Luce diffusa

I processi di diffusione e riflessione fanno parte delle proprietà

percepite come lucentezza di un materiale.

Minerali colorati:

certe l sono assorbite

Tutte le gemme colorate

operano nei confronti della

luce un assorbimento

selettivo, sono cioè in grado di

trattenere alcune lunghezze

d'onda (ovvero alcuni colori)

dello spettro del visibile.

Minerali incolori:

la luce non è assorbita

Assorbimento e riflessione

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Esistono degli strumenti chiamati spettroscopi, che essendo dotati al

loro interno di elementi disperdenti (prismi o particolari reticoli),

permettono la visione dello spettro di assorbimento di una gemma.

Spettro di assorbimento dello zircone Zr(SiO4)

Spettro di assorbimento del granato almandino Fe3Al2(SiO4)3

Come mi appare uno

spettro di

assorbimento e come

lo interpreto?

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Spettroscopia infrarossa

ASSORBIMENTO DELL’ENERGIA INFRAROSSA

• In condizioni di equilibrio a temperatura ambiente i legami di

un composto vibrano per effetto dello scambio energetico

con le molecole che si trovano nelle immediate vicinanze.

• L’assorbimento di energia proveniente da una sorgente di

radiazioni IR fa aumentare l’ampiezza di queste vibrazioni ;

rimossa la sorgente di eccitazione l’energia viene

rapidamente dispersa

• Solitamente le molecole che non subiscono eccitazione

sono in numero molto maggiore rispetto a quelle che

interagiscono con la radiazione.

• Ogni modificazione dello stato vibrazionale è quantizzata,

cioè l’assorbimento non è continuo ma apparirà come una

serie di picchi di assorbimento

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1. modi di stretching o di stiramento (simmetrico o asimmetrico) dei legami; COMPORTANO UNO SPOSTAMENTO LINEARE DELLA MOLECOLA (O DEL GRUPPO DI ATOMI) E UN ALLUNGAMENTO, PROVOCANDO VARIAZIONI NEL LORO MOMENTO DIPOLARE;

M1 M2 Modi vibrazionali

2. modi di bending o di piegamento. I LEGAMI MODIFICANO IL LORO ASSETTO LINEARE IN MODO CHE SUBISCA VARIAZIONI L’ANGOLO FORMATO DA TRE ANGOLI SUCCESSIVI.

O

H H O

H H

O

H H

L’assorbimento della radiazione infrarossa comporta una variazione

degli stati vibrazionali molecolari. Lo studio degli spettri di

assorbimento infrarosso (IR) permette di trarre informazioni sulla

flessibilità delle molecole,cioè sulla facilità con cui le lunghezze e

gli angoli di legame possono variare rispetto ai valori che essi

posseggono all’equilibrio.

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I picchi corrispondono a bande di assorbimento.

L’assorbimento nella regione del visibile (da 0.1 a 0.8mm) è

causato dai cromofori Fe e Cr; l’assorbimento nella regione da

0.8 a 6.5mm è il risultato di vibrazioni molecolari;

l’assorbimento sopra i 4.5 mm è il risultato di vibrazioni

reticolari.

Spettro di assorbimento nel visibile e nell’infrarosso del berillo.

visibile infrarosso

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CAUSE DEL COLORE: 1. Transizioni del campo cristallino

Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu sono elementi con gli orbitali 3d parzialmente riempiti. Luce

nello spettro visibile può eccitare gli elettroni degli orbitali d promuovendo transizioni

elettroniche che sono alla base della formazione dei colori.

Teoria del campo cristallino

CFT (Crystal Field Theory)

1s2 2s2 2p6 3s2 3d10-n 4s1-2

Teoria del campo cristallino CFT (Crystal Field Theory)

Le cariche negative degli anioni coordinati al

metallo di transizione creano un campo

elettrico chiamato Campo Cristallino, che ha

una specifica simmetria e forma e dipende dal

numero di anioni, dalle loro distanze dal

catione e dalle loro cariche.

Tipo eg: massima densità

elettronica lungo gli assi x, y,z

Tipo t2g

: massima densità

elettronica in direzioni comprese fra

gli assi x, y,z

In assenza di ioni vicini, i 5 orbitali 3d di un catione di un metallo di

transizione hanno la stessa energia e hanno distribuzioni di probabilità

distinte per gli elettroni

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In una distribuzione ottaedrica , la repulsione elettronica fra gli orbitali

degli anioni e gli orbitali posizionali centralmente al catione farà

innalzare i livelli di energia degli orbitali eg . Questo fenomeno si

chiama Separazione del Campo Cristallino. Sono ora possibili

transizioni energetiche per assorbimenti di luce nel visibile.

Ione libero, senza primi

vicini, come in un gas

En

erg

ia

Campo sferico

Ione di un metallo di

transizione circondato da

un campo ottaedrico di

cariche negative (anioni)

Separazione del campo cristallino,

ossia separazione delle energie

degli orbitali eg e t

2g.

L’entità della separazione degli orbitali eg

e t2g

viene indicata dalla

quantità 10Dq o Do (10Dq è una definizione).

La quantità Dq dipende

1) dalla natura dello ione che porta l’elettrone d

2) dall’entità della carica

3) dalle distanze dal centro (cioè dalla struttura dell’ospite)

Viene generalmente usata come parametro empirico nella

razionalizzazione dei risultati spettroscopici che hanno confermato

questo tipo di teoria in maniiera molto soddisfacente.

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Teoria del campo cristallino CFT (Crystal Field Theory)

Poiché i minerali hanno diversi poliedri di coordinazione, ci

saranno differenti separazioni del livelli di energia degli orbitali 3d

dei metalli di transizione. Inoltre, qualsiasi distorsione del poliedro

anionico di coordinazione attorno all’elemento di transizione

centrale produrrà ulteriori livelli di separazione degli orbitali 3d.

Splitting degli orbitali d in un campo creato dagli anioni in

coordinazione quadrata causate da distorsioni locali. E’ evidente

il cambiamento di simmetria associato

t2g

eg

xz, yz

xy

z2

x2- y2

x2- y2

z2

xy

xz, yz eg

a1g

b2g

b1g

29

IL BERILLO

Caratteristiche cristallografiche: gruppo dimetrico, sistema

Esagonale.

Strati paralleli di anelli Si6O

18,

fra i quali si hanno strati di ioni

Be e Al. Il Be con

coordinazione 4 e l’Al in

coordinazione 6 collegano gli

anelli sia orizzontalmente sia

verticalmente.

Gli anelli sono posizionati l’uno

sopra l’altro negli strati basali

in maniera tale che le cavità

centrali corrispondano,

formando ampi canali paralleli

all’asse c.

In questi canali possono essere ospitati una notevole varietà di ioni,

atomi neutri, molecole (es. (OH), H2O, F, He, Rb, Cs, Na e K).

Composizione chimica: Be3Al

2Si

6O

18 con tracce di Cr e V nello

Smeraldo.

Be

Al

Si

Rubino

• E' una delle più pregiate varietà

del Corindone Al2O

3

• durezza 9.0 Mohs

Smeraldo

Composizione: Be3Al

2Si

6O

18

Sistema cristallino: esagonale

Durezza: 7,5/8

Esempi di colore associato a CFT

In entrambi i casi il colore è associato alla presenza di Cr3+

che

sostituisce Al3+

in siti a coordinazione 6 distorta.

30

Corindone puro Al2O

3

Cosa lo rende un rubino?

Struttura esagonale compatta, costituita da ottaedri di ossigeni

uniti per le facce con un atomo di alluminio nel centro di due su

ogni tre ottaedri.

Il colore associato a transizioni del campo cristallino

Nello smeraldo, nel quale il campo cristallino intorno al Cr3+

è più

debole (componente covalente di legame), i picchi di assorbimento

sono spostati verso le energie inferiori, producendo trasmissione nella

zona del verde.

Nel rubino, i picchi di

assorbimento si

trovano ad energie più

elevate (legame a

carattere decisamente

più ionico),

consentendo la

trasmissione della

luce principalmente

nelle regioni del blu e

del rosso.

smeraldo rubino

Trasmissione nel verde.

Trasmissione nel rosso.

Trasmissione nel blu

31

Il colore associato a transizioni del campo cristallino:

IL CASO DI PERIDOTO, OLIVINA E CRISOBERILLO

Gli spettri di assorbimento di due minerali contenenti Fe2+

, peridoto,

(Mg,Fe)2SiO

4, una varietà gemma dell’olivina, e l’almandino,

Fe3Al

2Si

3O

12un granato. E’ raffigurato anche lo spettro di un minerale

contenente Fe3+

, il crisoberillo, Al2BeO

4.

Fe2+

in coordinazione 6: peridoto;

Fe2+

in coordinazione 8: almandino;

Fe3+

in coordinazione 6:crisoberillo

La caratteristica più sensazionale di questa pietra, è la sua sorprendente capacità di cambiare

colore. Verde alla luce naturale, l'alessandrite diventa di una delicata sfumatura di rosso, di

rosso violaceo o di grigio violaceo alla luce di una candela o alla luce artificiale. L'alessandrite

BeAl2O4 è molto rara: questo a causa della sua composizione chimica. Fondamentalmente è un

crisoberillio, che si differenzia dagli altri crisoberilli in quanto non contiene solo ferro e titanio ma

anche cromo. Ed è proprio questo elemento ad essere responsabile dello spettacolare cambio

di colore.

La magia di una pietra rara

32

Abbiamo quindi detto che: GEMMA: specie di minerali o sostanze organiche usate come ornamento personale che posseggono i requisiti di BELLEZZA

RARITA’ DUREVOLEZZA

Bellezza

Colore

Trasparenza

Brillantezza

Fenomeni Ottici

Lucentezza

33

Per riassumere:

La CFT spiega il colore trasmesso nei minerali sulla base di:

1) natura dello ione di transizione che porta l’elettrone d

2) carica, cioè stato di ossidazione, che determina il numero di

elettroni negli orbitali 3d;

3) dalle distanze dal centro (cioè geometria del sito nel quale è

ospitato il metallo di transizione);

4) Forza del campo cristallino (cariche sugli anioni, distorsione dei

poliedri di coordinazione, tipo di legame, ecc.);

5) Modalità con cui l’occhio interpreta le lunghezze d’onda

trasmesse.

---imperfezioni nel cristallo generano i cosiddetti

“centri di colore”

I “difetti” dell’arrangiamento cristallino, siano essi atomi mancanti

(lacune) o atomi addizionali (interstiziali), generano splendidi colori dopo

l’irradiazione della gemma. Questi difetti costituiscono uno “pseudo-

atomo”, il quale causa un assorbimento della luce (anche nella parte

visibile dello spettro); lo si denomina “centro di colore” o centri F.

I difetti possono essere indotti da radiazioni (raggi X, emanazioni di radio

o altre sostanze radioattive) o da calore.

Ad esempio, esposto a radio si provoca lo

spostamento degli atomi di carbonio, e il

diamante diventa verde.

34

Colore causato da riscaldamento o radiazioni ionizzanti: il caso

del diamante.

47K 53K

29K 68K

35

Tipo I: con N

Tipo Ia(98% diamanti-1000-3000ppm): N in aggregati, si dividono in:

Tipo A, con N in coppie;

Tipo A

Tipo N3, aggregati di tre

atomi di N e una lacuna Tipo N3

Tipo B Tipo B aggregati di quattro

atomi di N e una lacuna

Tipo Ib: sostituzione random di C con N (mediamente 25-50 ppm)

Tipo II: senza N (inferiore a 20

ppm

Tipo IIa: C purissimo, senza

difetti reticolari. Potrebbe

essere il “cristallo

dimdiamante ideale”, privo di

difetti reticolari. Non

conducono elettricità

Tipo IIb: con B

Tipo IIa

Tipo IIb

36

a) b)

e-

Struttura della fluorite, CaF2, (AX2-reticolo cfc nella cella elementare cubica) nella quale un elettrone riempie una lacuna creata dalla rimozione di uno ione fluoro.

In questo caso si ha un centro di colore determinato dalla presenza dell’elettrone intrappolato nella lacuna.

Centro di Colore

Un centro di colore nella fluorite può essere dovuto a:

1) Radiazioni ad alta energia;

2) Crescita da una soluzione con calcio in eccesso

3) Rimozione di fluoro per applicazione di un campo elettrico.

Centro di Colore nella Fluorite

e-

37

O2-

O2-

O2-

O2-

Si4+

Si4+

O2-

O2-

Si4+

O2-

O2-

O2-

O2-

Al3

+

Si4+

O2-

O2-

Si4+

H+

radiazione

a)

Struttura del quarzo in cui le parziali sostituzioni ioniche di Al3+ per Si4+ si accoppiano all’ingresso nella struttura di H+ per mantenere la neutralità elettrostatica. La radiazione X o gamma espelle uno degli elettroni della coppia presente in O2- e lascia un centro di colore tipico del quarzo affumicato.

b)

---sostituzioni nel cristallo generano i “centri di colore” nel

quarzo affumicato

quarzo affumicato

Altri esempi di minerali in cui la colorazione è dovuta a

“centri di colore”

Minerale Colore

Ametista, fluorite Porpora

Quarzo affumicato Da marrone a nero

Diamante irraggiato Verde, giallo, bruno,

blu, rosa

Topazio naturale e

irraggiato

Blu

salgemma Blu e giallo

I centri di colori possono essere eliminati attraverso il

riscaldamento a circa 100°C, o in alcuni casi anche

attraverso l’esposizine agli UV.

38

•Lo zircone se puro è incolore, ma

se contiene Uranio, U, diventa blu e

se danneggiato dal decadimento

radioattivo diventa rosso-bruno

Altri esempi di minerali in

cui la colorazione è dovuta

a “centri di colore”: il caso

dello zircone

I topazi sono frequentemente trattati irradiati o termicamente al fine di esaltarne la colorazione. I campioni qui riportati sono stati riscaldati ad alta temperatura.

39

Colore causato da riscaldamento o radiazioni ionizzanti: il caso

del diamante.

47K 53K

29K 68K

Tourmalina bicolore per esposizione a raggi gamma a

trattamento a 47K

40

•calcite blue, radiazioni gamma e trattamento a 38K;

---ma il colore può essere dovuto ad un altro

fenomeno, detto “trasferimento di carica”

Nel caso di impurità isolate, il colore risulta dalla transizione

tra i livelli energetici di uno stesso ione. Capita tuttavia che un

elettrone lasci l’atomo di origine per occupare i livelli energetici

di uno ione vicino. In altre parole gli elettroni di valenza si

trasferiscono avanti e indietro tra ioni adiacenti.

In questo caso si

applica non la teoria

del campo cristallino,

ma quella degli

orbitali molecolari

condivisi e come tali

delocalizzati.

41

Zaffiro

Composizione = ossido di alluminio Sistema cristallino = esagonale Colore =blu in varie gradazioni, bianco, rosa, giallo

Lo zaffiro è la varietà blu/azzurra del corindone..

Il colore è dovuto ai trasferimenti di carica tra:

•Fe2+

e Ti4+

•Fe2+

e Fe3+

•O2-

e Fe3+

Il colore è dovuto ai trasferimenti di

carica tra:

•Fe2+

e Ti4+

•Fe2+

e Fe3+

•O2-

e Fe3+

La sola trasmissione

avviene nella regione del

blu-violetto

42

PROPRIETA' FISICHE

• L'Aquamarina è, insieme allo Smeraldo, una varietà del berillo, una specie minerale che cristallizza nel sistema esagonale.

• Composto Be3Al2Si6O18. Durezza 7.5 - 8.0 Mohs,

• indice di rifrazione 1.577 - 1.583, • peso specifico 2.72, • tenacità buona. • Si ritrova soprattutto in Brasile, in

Russia nella regione dei monti Urali, Afghanistan, Pakistan, India, Nigeria e Madagascar.

Acquamarina

Le colorazioni , dovute al ferro, variano dall'azzurro quasi pallido al celeste

acceso con oscillazioni tra il blu verdastro e il verde-blu, comunque sempre

con un tono molto delicato anche se la tinta è vivida alla vista. Raramente

presenta inclusioni, ma si possono trovare anche inclusioni liquide e sono

queste le acquamarine che più temono l'esposizione a fonti di calore

43

Inclusioni sotto forma di tubicini paralleli

Nell’acquamarina ad esempio

il colore blu è dato dal

trasferimento di carica tra

Fe2+

e Fe3+

.

•Fe2+

e Fe3+

•Ti3+

e Ti4+

•Mn2+

e Mn3+

e Mn4+

etc.

---esempi in cui il colore è dovuto al “trasferimento

di carica”

44

Fe2+

- Fe3+

(Mg,Fe)2Al

4Si

5O

18nH

2O

Fenomeni Ottici

dovuti alla sola riflessione della luce:

-gatteggiamento è generato dalla presenza

di microscopiche cavità isoorientate oppure di inclusioni, che concentrano la luce in una banda chiara, sottile, oscillante e iridescente. Es: crisoberillo (varietà occhio di gatto il quarzo con inclusioni di amianto (occhio di tigre), adularia ed il gesso.

-asterismoè dovuto invece alla presenza di

inclusioni aghiformi incrociate, e si manifesta come una stella luminosa a quattro o sei punte, che appare nella sua massima bellezza in seguito alla lucidatura della pietra; sono molto conosciuti ed ambiti dai collezionisti i rubini e gli zaffiri stellati, ma il fenomeno si presenta anche nel quarzo rosa, nella flogopite ed in alcuni pirosseni.

crisoberillo

rubino

45

Associazione di aghi di rutilo

formanti un nido

dovuti ad interferenza per lamina

sottile

-labradorescenza, tipica della labradorite

dalla quale deriva il nome, è dovuta ad una particolare disposizione degli smistamenti, che produce un’onda luminosa blu intenso se guardata da una particolare angolazione.

dovuti a riflessione e interferenza

Fenomeni Ottici

labradorite

-adularescenza (tipica dell’adularia, cioè

dell’ortoclasio, detto anche pietra di luna). E’

dovuta a strati, non troppo spessi, interposti di

albite ed ortoclasio.

dovuti a diffrazione

- giochi di colore

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Giochi di colore dovuti a diffrazione: L’OPALE

Composizione: SiO2·H2O (silice idrata contenente tra l’1-21 % di acqua);

Non cristallina

Varietà più usate in gioielleria: opale nobile bianca e nera (arlecchinamento); opale nera, di fuoco, d’acqua (varietà ialite).

RI: 1.44-1.46 (1.40 nell’opale di fuoco)

Peso specifico: 2.0-2.1

Durezza: 5.5-6.5

Lucentezza: vitrea

Luminescenza: LW e SW UV da bianca a verde ad azzurra.

Sfere di diametro

variabile di silice

amorfa intercalate

da lacune disposte

regolarmente con

geometria cubica

dovuti a diffrazione

e interferenza

-oriente

Fenomeni Ottici

47

Genesi della perla

Struttura dei molluschi perliferi

La maggior parte dei molluschi perliferi appartiene alla classe dei Bivalvi, che

presentano la conchiglia composta da due parti o valve. Tuttavia, si trovano molluschi

perliferi anche nelle classi dei Gasteropodi e dei Cefalopodi.

Le perle si formano all’interno di organismi animali appartenenti al phylum Molluschi,

invertebrati che presentano una conchiglia, per lo più esterna, contenente le parti molli.

GRANO: unità di misura della massa utilizzata solo per le perle naturali.

Corrisponde a 0,05 grammi. 1 grammo = 20 grani. 1grano metrico= 0.25 carati

1 carato= 0.2 grammi

Natura e formazione delle perle

La maggior parte dei molluschi perliferi appartiene alla classe

dei Bivalvi (Pinctada Margaritifera, Tridacna Gigas,

Unio=acqua dolce), che presentano la conchiglia composta

da due parti o valve. Tuttavia, si trovano molluschi perliferi

anche nelle classi dei Gasteropodi (Strombus Gigas e

Haliotis:perle conch) e dei Cefalopodi. Come esempio,

vediamo nel dettaglio la struttura di un Bivalve. Ai fini

gemmologici, le parti più importanti di questi animali sono il

mantello e il guscio.

Anatomia di un bivalve:Il mantello

Il mantello è un lembo cutaneo, che si trova tra il guscio e il

corpo dell’animale. Consta di tre strati: quello esterno è

costituito da uno strato di cellule epiteliali (ectoderma) che

secernono una sostanza organica, la conchiolina (O32H48O11),

una scleroproteina di tipo cheratina (polisaccaride azotato.

L’ectoderma è responsabile della formazione del guscio

del mollusco.

48

Incistamento

Le perle complete vengono formate da un altro processo, quello dell’incistamento nel

mantello (mantle pearls o cyst pearls). Il corpo estraneo penetrato accidentalmente

nella conchiglia è di solito un minuscolo parassita che con le sue contorsioni

impedisce al mollusco di fissarlo con la madreperla alla conchiglia.

Il processo può essere così schematizzato:

a) Il corpo estraneo forma una

depressione nel mantello;

b) Il mantello forma una tasca che

racchiude il corpo estraneo irritante;

c) La tasca si separa dal mantello

formando una cisti nel corpo

dell’animale. Questa sacca costituisce il

sacco perlifero e contiene il corpo

estraneo irritante

Strati Concentrici di aragonite depositati intorno ad un irritante.

Perle naturali

49

Coltivate con nucleo

Nella maggioranza dei casi la perla di coltura è costituita da un nucleo sferico di madreperla che

viene inserito dall’uomo, sul quale il mollusco deposita strati sovrapposti, idealmente concentrici, di

cristalli di carbonato di calcio (essenzialmente aragonite), ingabbiati in una “rete” tridimensionale di

conchiolina

Coltivate senza nucleo

Le perle di coltura senza nucleo o con nucleo organico non contengono un nucleo rigido di

madreperla. Esse sono costituite completamente da strati di perlagione e vengono prodotte quasi

esclusivamente da molluschi di acqua dolce. Frammenti di epitelio inserito costituiscono l’ agente

irritante e danno inizio alla formazione della sacca perlifera. Così, attorno all’impianto organico, si

depositano strati successivi di perlagione

50

Esame mediante raggi X: metodo Laue

Ricordiamo che:

Le perle naturali sono costituite da conchiolina e da cristallini di aragonite che si dispongono a

raggiera, in strati concentrici, con l’asse di allungamento "c" perpendicolare agli strati. Pertanto, le

basi pseudoesagonali risulteranno sempre parallele alla superficie sferica delle perle.

Le perle di coltura con nucleo sono costituite da un nucleo sferico di madreperla, attorno al quale

inizia la deposizione concentrica degli strati di perlagione (conchiolina e aragonite). Il concetto

fondamentale da tenere sempre presente è che i cristalli di aragonite che costituiscono il nucleo di

madreperla hanno orientazione diversa rispetto ai cristalli di aragonite dello strato esterno di

perlagione

51

Nelle perle naturali gli assi pseudoesagonali di

aragonite sono tutti a raggiera e i raggi X

viaggiano paralleli ad essi in tutte le direzioni

(lauegramma senario).

Nelle perle coltivate questo si verifica in

una sola direzione, ma nelle altre il

lauegramma è definito binario.

Esame radiografico

Si basa sulla diversa trasparenza ai raggi X tra conchiolina e carbonato di calcio. Nelle

perle naturali la conchiolina può occupare il centro della perla, come nel caso delle

cosiddette perle blu, oppure può occupare strati sottili interposti fra strati concentrici di

cristalli di aragonite.

•X-radiograph of natural pearls. Several pearls show circular

growth lines.

52

Radiografia perle naturali anni 20

Le perle di imitazione non contengono perlagione e la

superficie è omogenea e granulare, spesso con graffi.

L’interno può essere in vetro, madreperla, plastica.

Perle false e imitazioni

Le perle Mabe sono perle

composite. Secondo la recente

normativa UNI sono: “Materiale

composito costituito da uno strato

di perlagione a superficie curva e

di forma varia, riempito da

materiali diversi, con chiusura

basale di madreperla o di altro

materiale. L’interno può essere

composto esclusivamente di cera,

oppure contenere anche una

sferetta più piccola di madreperla.