คุณสมบัติของแร่ที่เป็นอัญมณี – คุณสมบัติทางเคมี

โดย ผศ.ดร. กาญจนา   ชูครุวงศ์

การจำแนกชนิดของอัญมณีจะอาศัยความแตกต่างทางด้านกายภาพ ทางเคมี และทางแสง  ของอัญมณีแต่ละชนิด ซึ่งในครั้งที่ผ่านมาเราได้เรียนรู้ถึง คุณสมบัติทางกายภาพ (Physical properties) กันไปแล้ว สำหรับในครั้งนี้จะเป็นส่วนของคุณสมบัติทางเคมี
คุณสมบัติทางเคมี (Chemical properties)

การที่แร่ชนิดต่าง ๆ มีสารประกอบทางเคมีและโครงสร้างผลึกแตกต่างกัน ทำให้แร่แต่ละชนิดมีสมบัติทางกายภาพและทางแสงที่คงที่เป็นเอกลักษณ์เฉพาะตัว ซึ่งในสาขาวิชาวิทยาแร่จะจำแนกประเภทลักษณะที่เหมือนกันของแร่ไว้เป็นกลุ่มเดียวกัน เช่นเดียวกับนักชีววิทยาที่จำแนกพืชและสัตว์ออกเป็น genera, species และ varieties นักอัญมณี ศาสตร์และนักวิทยาแร่จำแนกแร่เป็น ตระกูล (group) , ประเภท (species) และชนิด (varieties)  ซึ่งในทางวิทยาแร่จะมีแร่มากกว่า 2000 ชนิด (varieties) ซึ่งจำแนกเป็นตระกูล (group) และประเภท (species)ต่าง ๆ

แร่อัญมณีส่วนใหญ่จะมีส่วนของสารประกอบเคมีอยู่ในกลุ่ม silicates ซึ่งได้แก่ beryl, topaz, quartz, tourmaline, zircon, garnets ทั้งหมด และ feldspars
กลุ่ม oxides ได้แก่ corundum อันได้แก่ ทับทิมและไพลิน chrysoberyl และ spinel
กลุ่ม phosphates ได้แก่ turquoise และ apatite
กลุ่ม corbonates ได้แก่ malachite, azurite, rhodochrosite และ calcite
ทั้งนี้กลุ่มของสาร ประกอบทางเคมี 4 กลุ่มนี้จะรวมอัญมณีเกือบทั้งหมดที่มีในวงการอุตสาหกรรมอัญมณีและเครื่องประดับ ยกเว้นเพชรซึ่งประกอบ ด้วยธาตุเพียงชนิดเดียว คือคาร์บอน

ตระกูล (Group)
แร่อัญมณีสองกลุ่มหรือมากกว่ามีโครงสร้างและคุณสมบัติตล้ายคลึงกัน แต่จะมีสมบัติทางเคมีที่แตกต่างกันเพียงเล็กน้อย สมาชิกในตระกูลเดียวกันจะเรียกว่าประเภท (species) และชนิด(variety) ในอัญมณีชนิดเดียวกันจะมีโครงสร้างผลึกและสารประกอบทางเคมีเหมือนกัน จะแตกต่างกันที่สีของอัญมณี ซึ่งสีที่แตกต่างกันนี้เนื่องมาจากธาตุผ่านหรือสารเจือปน เช่นทับทิม และไพลินเป็น varieties ที่มีสีแตกต่างกันของอัญมณีประเภท (species) corundum

นอกจากชนิด (varieties) ของอัญมณีจะแตกต่างกันที่สีแล้ว ยังจำแนกตามลักษณะของการกระจายสี (color distribution) การยอมให้แสงผ่าน (transparency) และปรากฏการณ์ทางแสง (optical phenomena)

ตระกูล (group) ของแร่จะประกอบด้วย แร่ประเภท (species) ต่าง ๆ ที่มีสมบัติใกล้เคียงกัน เช่น ตระกูล garnet เป็นตระกูลของแร่ที่มีแร่ประเภทต่าง ๆ เป็นจำนวนมาก tourmaline อยู่ในตระกูล tourmaline และ spinel ก็เป็นแร่ ประเภทหนึ่งใน spinel group แร่ประเภทต่าง ๆ ในตระกูล garnet, tourmaline และ spinel จะมีโครงสร้างผลึกเหมือนกันแต่มีสารประกอบทางเคมีที่แตกต่างกันเพียงเล็กน้อย แต่ในตระกูล feldspar แร่ประเภท (species) จะมีสูตรทางเคมีเหมือนกันแต่มีความแตกต่างกันเล็กน้อยในผลึกโครงสร้าง

อัญมณีในตระกูลเดียวกัน มีสารประกอบทางเคมีที่ผสมกันในระหว่างอัญมณีประเภทต่าง ๆ ของตระกูลนั้น สารประกอบทางเคมีที่แตกต่างกันอาจแทนที่กันในโครงสร้างผลึกโดยยังคงรักษาลักษณะภายนอกไว้ได้ กล่าวคือมีการเปลี่ยนแปลงอะตอมภายในโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง ทำให้ยังคงมีรูปผลึกเหมือนกัน แต่ส่วนประกอบต่างกันเล็กน้อย การแทนที่ในลักษณะเช่นนี้เรียกว่า isomorphous replacement หรือ isomorphous substitution ผลที่เกิดขึ้นจะได้ผลึกผสม mixed crystal หรือ solid solution การจำแนกอัญมณีในรูปแบบเช่นนี้ จึงเป็นไปได้ยากมากทำให้ในบางกรณีจึงจำเป็นต้องจำแนกลำดับของสารประกอบทางเคมีต่าง ๆ เป็น series

ตัวอย่างเช่น

ตระกูล garnet มี 2 series คือ Pyrope-almandite-spessartite series และ Grossular-andradite-uvarovite series

ภาพจาก Khulsey.com

Pyrope
Mg3Al2(SiO4)3
Almandite
Fe3Al2 (SiO4)3
Spessartite
Mn3Al2(SiO4)3

Grossularite
Ca3Al2(SiO4)3
Andradite
Ca3Fe2(Sio4)3
Uvarovite
Ca3Cr2(Sio4)3

Pyrope, Almandite และ Spessartite จะอยู่ใน series เดียวกัน ในขณะที่ Grossulsrite, Andradradite และ Uvarovite อยู่ใน series เดียวกัน

ประเภท (Species)
สารประกอบทางเคมีและโครงสร้างผลึกจะเป็นเครื่องชี้ลักษณะเฉพาะของแร่ และเป็นลักษณะเฉพาะของประเภทแร่ (Species) นั้น ๆ ด้วย แต่ละประเภทของแร่จะมีชื่อเรียก เช่น Quartz เป็นต้น หากมีการเปลี่ยนแปลงไม่ว่าจะเป็นสารประกอบทางเคมีหรือโครงสร้างผลึก ก็จะได้ Species ของแร่ใหม่ ๆ ซึ่งมีชื่อเรียกแตกต่างกัน เช่น

ความแตกต่างแม้เพียงสารเคมีหรือธาตุเพียงตัวเดียวก็จะให้แร่ต่างประเภทกัน เช่น สูตรทางเคมี Al2O3 คือ species Corundum แต่หากมีสูตรทางเคมี Fe2O3 ก็จะได้ specie  Hematite เป็นต้น

ความแตกต่างในสัดส่วนของสารประกอบทางเคมีและมีโครงสร้างผลึกเหมือนกันให้แร่ต่างประเภทกัน เช่น สูตรทางเคมี Cu2(CO3)(OH)2 ได้ species Malachite หากสูตรทางเคมีเป็น Cu3(CO3)2(OH)2 จะได้ species Azurite เป็นต้น

ความแตกต่างของโครงสร้างผลึกแต่มีสารประกอบและสูตรทางเคมีเหมือนกัน เช่น สูตรทางเคมี C มีเพชร และ graphite ที่ต่างกัน

ตัวอย่างของ group แร่ต่าง ๆ ที่เป็นแร่อัญมณีและ species ใน group ต่าง ๆ เหล่านี้ได้แก่

ภาพจาก Khulsey.com

-Garnet group:
Almandine, Andradite, Grossulsr, Hydrogrossulsr, Kimzeyite, Goldmanite, Pyrope, Schorlomite, Spessartine,Uvarovite, Knorringite และ Yamatoite

 ภาพจาก Khulsey.com

– Spinel group :
Chromite, Franklinite, Gahnite, Galaxite, Hercynite, Magesiochromite, Magnetite และ Spinel

ภาพจาก Khulsey.com

– Tourmaline group :
Buergerite, Dravite, Uvite, Elbaite, Schorl, Liddicoatite, Ferridravite, Chromdravite และ Tsilaisite

ชนิด (Varieties)
อัญมณีที่อยู่ในประเภท (species) เดียวกันมักจะต่างกันในเรื่องของรูปลักษณ์ภายนอกที่มองเห็น ตัวอย่างเช่น มีสีต่างกัน การยอมให้แสงผ่านหรือความโปร่งต่างกัน หรือมีปรากฎการณ์ต่างกันซึ่งทำให้จำแนกเป็นอัญมณีชนิดต่าง ๆ กัน นอกจากนี้พบว่า แม้กระทั่งมลทินหรือตำหนิ (inclusion) ก็อาจทำให้เกิดชนิดของอัญมณีต่าง ๆ กันด้วย เช่น quartz ที่มีตำหนิเป็นผลึก rutile ทำให้เกิดชนิดของ quartz ที่เรียกว่า rutilated quartz และชนิดของอัญมณีมีการเรียกชื่อแตกต่างกันไป บางกรณีเรียงตามสีของอัญมณี บางกรณีเรียกตามลักษณะปรากฏการณ์ หรือเรียกชื่อเฉพาะ

rutilated quartz จาก Freewebs.com
ภาพ Rutilated quartz จาก Freewebs.com

ตัวอย่าง ชนิดของ (varieties) ของอัญมณีได้แก่

Variety

species

ลักษณะ

Alexandrite chrysoberyl มีปรากฏการณ์การเปลี่ยนสี (color change)
Amethyst quartz สีม่วง
Aquamarine beryl สีฟ้าถึงฟ้าแกมเขียว
Citrine quartz สีส้มถึงสีเหลือง
Emerald beryl สีเขียว
Ruby corundum สีแดง
Sapphire corundum สีต่าง ๆ ยกเว้นสีแดง
Tiger’s-eye quartz ทึบแสง สีเหลืองถึงสีน้ำตาล มีปรากฏการณ์ตาแมว (cat’s eye effect)

อัญมณีที่ไม่มีลักษณะเด่นชัดไม่มีชื่อเรียก varieties ก็จะใช้ชื่อ species และบอกชนิดของอัญมณีโดยใช้สีหรือปรากฏการณ์ เช่น red spinel, yellow beryl, blue topaz, cat’s eye chrysoberyl และ star diopside
ในอัญมณีบางประเภทจะไม่มีชื่อของ varieties เฉพาะ แต่ใช้ชื่อเรียกตามสี เช่น spinel, topaz และ zircon
อัญมณีบางประเภทใช้เรียกลักษณะสีเปรียบเทียบ เช่น quartz ที่มีสีน้ำตาลใกล้ดำโปร่งใสว่า smoky quartz หรือ quartz ที่มีลักษณะถึงโปร่งใสถึงโปร่งแสงชมพูว่า rose quartz

Smokey Quartz จาก crystalage.com rose quartz จาก ebay.com

ภาพ Smoky quartz quartz จาก crystalage.com

ภาพ Rose quartz จาก ebay.com

อัญมณี opal ที่มีลักษณะโปร่งใสมีเนื้อสีเหลืองส้ม หรือแดงซึ่งไม่มีการ เล่นสี เรียกว่า fire opal
ในบางครั้งเราเรียกชนิดของอัญมณีด้วยสีและปรากฎการณ์เพื่อให้เห็นลักษณะเด่นชัดเช่น ruby หรือ sapphire ที่มีสาแหรก (star) ว่า star ruby หรือ star sapphire หรือเรียก aquamarine ที่มีปรากฏการณ์ตาแมวว่า cat’s eye aquamarine เป็นต้น

star ruby จาก Palagems.com
ภาพ Star ruby จาก Palagems.com

นอกจากนี้บางชื่อเรียก varieties ตามแหล่งของอัญมณีชนิดนั้น ๆ เช่น Tanzanite ซึ่งเป็นชื่อเรียก zoisite สีน้ำเงินแกมม่วงที่พบในประเทศ Tanzania เป็นต้น

ข้อมูล : วิชาปฎิบัติการวิเคราะห์อัญมณี สาขาวิชา วัสดุศาสตร์ (อัญมณีและเครื่องประดับ) คณะวิทยาศาสตร์   มหาลัยศรีนครินทรวิโรฒ

ภาพประกอบ : Khulsey.com

ขอบคุณที่มา : http://gemclub.blogspot.com/2009/03/blog-post_14.html