اخبار

مقاله ای از حمید رقمی: رنگ سنگ های قیمتی ست که چشمان شما را خیره می کند!/ این رنگ ها حاصل فیزیک هستند یا شیمی؟

بسپار/ایران پلیمر “رنگ”در سنگ های قیمتی می تواند (اصولاً) از دوکانال بروزکند، از کانال فیزیکی (مانند رنگ در اوپال) و از کانال شیمیائی. رنگ  اکثر قریب به اتفاق سنگ های قیمتی از مسیرشیمیائی ایجاد می شود، به عبارت دیگر، در به وجود آمدن رنگ درگروه اول، فیزیک و درگروه دوم، شیمی نقش آفرینی دارد.

اوپال ، سنگ بهاداری که رنگ خود را “مدیون ” فیزیک است!
اوپال (یا اُپال )که درفارسی  بعضاً به” سنگ چشم گربه” نیز معروف است ، رنگ، درخشندگی  و تلأ لو  خود را  مدیون پدیده های فیزیکیِ تابش(نور)، شکست ، بازتاب و اینترفرنس بوده و شیمی (عملاً) درآن نقشی ندارد ویا به بیان دیگر، ساختارآن فاقد هر نوع ترکیب “رنگ دهنده” یا به وجود آورنده رنگ، می باشد.

ساختار اوپال
اوپال یکی از نادرترین سنگ های قیمتی است که ساختار آن- برخلاف معمول دراین سنگ ها-فاقد هرگونه کریستال های متراکم و به هم فشرده است. اجزاء تشکیل دهنده اوپال، یکی سیلیسیم دی اکسیدِ  آمورف (SiO2) و دیگری آب است و لذا از این جهت دارای وضعیت ویژه ای در میان مواد معدنی است.(” معدنی” دراینجا یقیناً به مفهوم “مواد از معدن آمده می باشد” ونه غیر آلی !).در ساختاراوپال، میلیون ها ذرات (کولوئیدی) سیلیسیم دی اکسید (آمورف) در لایه های موازی قرار گرفته اند. حد فاصل این لایه ها را ملکول های آب پرکرده اند. میزان این آب در کل ساختار، می تواند بعضاً تا 10% کل ماده (اوپال) باشد.
پرتو های نور به هنگام عبور از این لایه ها، پدیده هائی ازنوع تابش ، بازتاب ، شکست و اینترفرنس را پشت سر می گذارند. نتیجه این پدیده ها- همانند رنگ هائی در بال بسیاری از پروانه ها  مشاهده می شود- رنگ، درخشندگی  و تلأ لو منحصر به فرد دراوپال است. قابل اشاره اینکه باتوجه به ریزی یا درشتی ذرات سیلیسیم دی اکسید، مسیر و زاویه تابش و بازتاب ، نیز متفاوت خواهد بود. البته نقش ملکول های آب در میان لایه ها نیز تعیین کننده است ، بطوریکه هرگاه به کمک حرارت یا پروسه های شیمیائی این آب از اوپال خارج گردد ، تغییرات قابل توجه ای در رنگ و درخشش آن رخ خواهد داد.

رنگ در سایر سنگ های قیمتی
ازگروه “رنگ های فیزیکی” خانواده اوپال که بگذریم ، با توجه به این اصل که  سنگ های قیمتی  همگی در گروه مواد غیر آلی قرار دارند، لذا باید (الزاماً) علت وجود رنگ درآن ها را نیز در شیمی غیر آلی جستجو کرد.
درشيمي غيرآلي ، ما درچهارگروه (اصلي) با “رنگ”مواجه مي شويم که عبارتند از:
1- رنگ در اثر تحریک یا برانگیختگی الکترون هائی ازنوع اوربیتال های(3d) در پريود سه، وگروه فلزات حد واسط  در جدول تناوبی عناصر.
2- رنگ در اثرانتقال بار يا Charge-Transfer با چهارزیرگروه ، نمونه ها : سرنج ، میلوری بلو و…
3- رنگ در اثر “راديكال”- يون ها ، (در اولترامارين يا لاجورد)
4- رنگ دراثر انتقال (الكترون) از باند والنس يا ظرفيت(VB) به باند هدايت (LB) در مواد جامد با حفره باند كوچك
( نيمه هادي ها )
جزئیات مفصل این موارد را می توان درکتاب پیگمنت ها ومواد پرکننده از همین نگارنده مطالعه کرد.
چگونگی به وجود آمدن “رنگ”
گروههائي از مواد رنگي غير آلي وجود دارند كه ساختار(كلي) آنها متشكل از يك شبكه (كريستالي) “كاملاً بي رنگ” مانند آلومينيوم اكسيد (Corundum) است . اين” بي رنگي” در برخي از موارد با اضافه شدن مقادير بسيار اندكي از يون هاي مختلف فلزي، به رنگ ها و سنگهاي  بسيار زيبا و گران قيمتي تبديل مي شود كه به خاطر بدست آوردن آنها بعضاً چه “فداكاري ها”  و”جانفشانی هائی” كه نشده است !!
عامل این “رنگي شدن ها”، دراکثر موارد الکترون ها هستند، الکترون هائی کاملاً مشخص- دراکثرموارد- با اوربیتال هائی از نوع سری 3-d که انرژی لازم جهت تحریک و “صعود”آن ها به یک باند انرژی بالاتر، حدود 40تا 70 کیلوکالری برمول است که این میزان خود  با طول موج های حدود 400 تا 700 نانومتر مطابقت می کند، یعنی طول موج های نور در منطقه قابل رویت برای چشم انسان. بنابراین  در اکثر موارد در سنگ هاي قیمتی، پرش هاي الكترونيd-d* و یا به بيان ديگر،تحريك یا برانگیختگیِ الكترون هائي از نوع d-اوربيتال، عامل وجود “رنگ” است.
رنگ ناشی ازتحریک اوربیتال هایd (d→d*) در فلزات حد واسط
ما دراین بخش ازشیمی غیرآلی با بیشترین و متنوع ترین رنگ ها مواجه  هستیم .
(رنگ ترکیبات عناصر موسوم به لانتانیدها چون در گروه عناصر “روزمره” نیستند، دراینجا موردبحث ما نیز نمی باشد)
جهت تشریح موضوع ابتدا به اوربیتال ها و میزان انرژی آن ها و سپس  به وضعیت الکترونی فلزات حدواسط سری(3d) در جدول تناوبی عناصر (periodic table of elements)  نظری می افکنیم.
میزان انرژی اوربیتال ها
از انواع اوربیتال ها ، میزان انرژی اوربیتال ها سری (3d) دقیقاً همانجائی قراردارد که ما به آن منطقه مرئی برای چشم انسان می گوئیم ، یعنی 40 تا 70 کیلو کالری بر مول ( 40-70 kcal/mol) (تصویر)

یک توضیح  درخصوص  تصویر اوربیتال ها و میزان انرژی
ترم الکترونی4s به لحاظ انرژی ازترم 3d پائین تراست ولذا به هنگام اشغال  ابتدا اوربیتال های 4s وسپس درصورت وجود الکترون، اوربیتال های3d اشغال می‌گردد.
جدول تناوبی عناصر وموقعیت فلزات حدواسطِ دارای اوربیتال ها 3-d (تصویر)

ساختار سنگ های قیمتی
ساختار سنگ های قیمتی عمدتاً از دو گروه می باشد، شبكه ای ازنوع آلومينيوم اكسيد به صورت خالص مانند كورندوم  (Corundum) که بی رنگ است و یا شبکه ای ازنوع بریل (Beryll )( با فرمول  Be3Al2(SiO3)6 )   که یک آلومینیم – بریلیم سیلیکات است، و این نیز بی رنگ است.  اکنون ودر صورتیکه درهریک ازاین دونوع ساختار ، اتم هائی از نوع فلزات حد واسط که شرح آن رفت، (حتی) در صورت فقط ” ناخالصی” اضافه شده باشد ، ” رنگ ها” ظهور می کنند.
توضیح اصطلاح بریل ((Beryll ) :
این اصطلاح که به زبان لاتین است درقرون وسطی واژه ای عمومی برای تمام ” کریستال های شفاف” بوده است . اصطلاح (آلمانی )” بریله (Brille) برای (شیشه) عینک نیز از همین واژه آمده است ، زیرا اولین شیشه های عینک با سایش انواع کریستال های (طبیعی) شفاف ، تهیه شده اند.
یاقوت سرخ یا روبی(Ruby)
( واژه یاقوت، عربي شده واژه فارسي ياکَند است، روبين به معني قرمز در زبان لاتين است)
هرگاه به  شبكه بي رنگ بریل که از جنس آلومينيوم اكسيداست، اتم هاي فلز كروم اضافه شوند،  یاقوت سرخ یا روبی (Ruby)” دردسترس” خواهد بود ! (البته منظور، دردسترس از ما بهتران است!)

در تشریح تصویر فوق موضوعی با عنوان ” تئوری میدان لیگاند یا بلور” (Ligand Field Theory) مطرح است که از پرداختن به جزئیات آن دراینجا صرفنظر می گردد .
لازم به ذکراست که در ياقوت (سرخ)يا روبين ، مي بايست قاعدتاً با توجه به وجود “ناخالصي” از نوع كروم (دركروندوم ) ، رنگ آن سبز باشد و نه قرمز، درحالي كه در ياقوت سرخ، يون هاي Cr(III) در جاي Al(III) كه كوچكتر مي باشد، نشسته و شكاف ايجاد شده در ميدان ليگاند بزرگتر شده است، و اين به معنی انرژي بيشتر(جذب) یا جذب در طول موج كوتاهتر، يعني آبي (تر) و ظاهر شدن رنگ مکملِ  قرمز(تر).
ياقوت كبود(Sapphire)
ياقوت كبود یا سافیر (Sapphire) در رنگهاي آبي (آسماني) تا مشكي يافت مي شود ، این سنگ قیمتی نیز ساختاری  از نوع آلومينيوم اكسيد Al2O3  دارد. عامل “رنگ” دراین ساختارِ دراصل “بی رنگ” نیز  وجود “ناخالصي هائي” از انواع یون های  فلزات تیتان و آهن ( و در برخي از موارد يون هاي فلز وانادیم ) می باشند.
دراینجا لازم به اشاره است كه وجود فقط فلز آهن و يا فقط تيتان ( هردو دارای دو ظرفیت متفاوت )در آلومينيم اكسيد، رنگ ايجاد نمي كند. (اگرچه عموماً انتقال بار از نوع فلز-فلز ، با فقط یک نوع فلز با دو ظرفیت مختلف رخ می دهد)

تعريف انتقال بار يا Charge-Transfer 
“انتقال بار”عبارت است ازقرارگرفتن ملكول هاي (همگن يا غير همگن) در كنار يكديگر و يا بعبارتي اتصال نه چندان محكم آنها از طرق “غير پيوندي” يعني بدون ايجاد اتصالات شيميائي بين آنها، با اين شرط كه يكي(يايك نوع)ازملكول ها “فقير از لحاظ الكترون” ولذا الكترون گيرنده (Elektronacceptor) و ديگري “غني از الكترون”و لذا الكترون دهنده(Elektronendonator) است. دريك‌چنين آرايش هائي از ملكول هاي -در كنار يكديگر- (عملاً ) كمپلكس هائي  ايجاد مي شود كه به آن Electron-Don(at)or-Acceptor Complex گفته مي شود . در اين نوع كمپلكس ها یا تركيبات مركب، بار الكتريكي (الكترون ها) از “دهنده” به ” گيرنده” – بصورت برگشت پذير- در تبادل يا “نقل و انتقال” است (انتقال بار).اين انتقال باركه با میزانی از انرژي بين 40تا 70 كيلوكالري بر مول – متناسب باطول موجهاي 400تا 700 نانومتر- رخ مي‌دهد، معمولاً با “رنگ” همراه است.
( جزئیات مفصل این موضوع نیز درکتاب پیگمنت ها وموادپرکننده قابل مطالعه است )
زمرد( Emerald  ، Smaragd)
نام زمرد از نام یونانی آن به اسم Smaragdos  گرفته شده است که به معنای رنگ سبز است. زمرد نام سنگی از خانواده بریل است و ساختار کریستالی آن-از نوع بریل-یعنی آلومینیم بریلیم سیلیکات  (Be3Al2Si6O18 ) می باشد.عامل رنگ درزمرد ، وجود مقادیری  اندک از دو فلز کروم و وانادیم است. دربرخی ازانواع همچنین “آثاری” از آهن نیزبه اثبات رسیده است .
آنچه که به تاریخچه کشف و استفاده از زمرد مربوط می شود ، گزارش شده است که اولین استخراج زمرد به حدود قرن دهم قبل از میلاد در مصر باستان مربوط می شود. درقرن شانزدهم که اسپانیائی ها آمریکای جنوبی را اشغال کردند، با  مناطقی(درآمریکای جنوبی) با تجارتی “روان” با سنگ ها ی معدنی از جمله زمرد برخورد نموده  و”ازآن نمد برای خود نیز کلاهی دست وپا کردند” و ازآن پس زمرد از منابع مصری کم کم به فراموشی سپرده شد.
درحال حاضر زمرد زیمبابوه به شفافیت بالا دررنگ سبز ، زمرد برزیل دررنگ سبز- زرد و زمرد ازآفریقای جنوبی به رنگ “سبز چرک” دربازار معروفند.
همچنین لازم به اشاره است که درسال 1935 در شرکت آلمانی ” ای گ فاربن ” (I.G. Farben) در بیترفلد ، اولین “زمرد مصنوعی” سنتزگردید که این محصول قابلیت خوبی به  لحاظ “سنباده خوری” و سایش ماشینی داشت .
این محصول را آلمانی ها با نام ” ایگمرالد” (Igmerald ) که متشکل از دو اصطلاح I.G و emerald بود، درهمان سال ها به بازار عرضه کردند.

وبلاک علوم و تکنولوژی رنگ

 

 

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا