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El Color de las piedras preciosas. Seminario de Química 2011. 1 Química de las piedras preciosas Chemistry of Gemston
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El Color de las piedras preciosas. Seminario de Química 2011.
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Química de las piedras preciosas
Chemistry of Gemstone
Gálvez D.,J. Estudiante De Licenciatura En Educación Básica Con énfasis En Ciencias Naturales y Educación Ambiental
Resumen. El diamante, el rubí, el zafiro y la esmeralda, entre otros, se han considerado piedras preciosas por excelencia desde tiempos remotos, esto debido a que poseen unos criterios como una dureza mínima de 7 en la escala de Mohs o propiedades ópticas como transparencia, brillo y un alto grado de refracción. De la misma manera la interacción de iones de metales de transición en la formación de los cristales permite la diversidad de estructuras y colores en sus diferentes formaciones, debido a reasignaciones energéticas en los orbitales d de dichos elementos.
Palabras clave: Piedras preciosas, Teoría de campo cristalino, color, reasignación energética.
Abstract. Diamonds, Ruby, Sapphire and Emerald, among others, have been considered gemstones for excellence since ancient times, because they have criteria as a minimum hardness of 7 on Mohs’s scale or optical properties such as transparency, brightness and a high degree of refraction. In the same way the interaction of transition-metal ions in crystals structures, allows the diversity of structures and colors in their different formations, due to energy reallocations in the d-orbitals of such elements.
Keywords: Gemstones, crystal field theory, color, energetic arrangement.
El color o colores que uno observa en las piedras preciosas, es en primera medida la respuesta del ojo, debido a que la luz visible al interaccionar con la gema, puede ser reflejada, transmitida, dispersada o absorbida. Cuando determinados componentes de la luz visible son absorbidas por el mineral, este es coloreado y el color resultante es la combinación de las
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longitudes de onda que no han sido absorbidas. Otra de las causas principales del color es la absorción selectiva, esta se da por la acción de los primeros elementos atómicos de la serie de transición y en algunas tierras raras, de allí que se denominen elementos cromóforos
Estos metales de transición que se presentan en las piedras preciosas, poseen un juego incompleto de electrones 3d, los cambios en la energía de los electrones corresponden a la energía de la luz visible. Cuando la luz visible atraviesa una piedra preciosa, una parte es absorbida y causa un cambio de energía en los electrones 3d, dando origen a un color en particular, color que representa la transición de dichos electrones. Para explicar este fenómeno debemos conocer la teoría del campo cristalino.
Teoría de campo cristalino Aunque la capacidad de formar iones complejos es común en todos los iones metálicos, los complejos más numerosos son formados por los elementos de transición, los científicos reconocen que las propiedades magnéticas y los colores de los complejos de los metales de transición están relacionados con la presencia de electrones d en los orbitales del metal. Los orbitales d poseen la misma energía en un átomo o ion aislado, pero difieren en sus orientaciones espaciales. Uno de ellos dz2 está dirigido a lo largo del eje z, otro el dx2-y2, tienes los lóbulos en las direcciones de los ejes x e y. Los tres restantes tienen extendidos los lóbulos en las regiones entre los ejes perpendiculares x, y, z. Debido a la repulsión entre los electrones de los ligandos y los electrones d los niveles de energía de estos orbitales en el ion metálico central aumentan, pero no todos de la misma manera.
Figura 1: Orbitales d
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Los orbitales dz2 y dx2-y2, en presencia de los ligandos adquiere una energía mayor que la media de los orbitales d, para los demás orbitales, los ligandos se aproximan entre los lóbulos de los orbitales y hay una mayor estabilidad que en la aproximación frontal. Esta diferencia de energía entre los dos grupos de orbitales d se denomina desplazamiento del campo cristalino (Δ).
Figura 2: Representación energética orbitales d Tabla 1: Principales piedras preciosas, composición química y origen de su color. GEMA
FORMULA
COLOR
ORIGEN
DEL
COLOR RUBY
Al2O3
Rojo
Cr+3 reemplaza Al+3 en sitios octaédricos
ESMERALDA
Be3Al2(SiO3)6
Verde
Cr+3 reemplaza Al+3 en sitios octaédricos
ALEXANDRITA Al2BeO4
Rojo/Verde
Cr+3 reemplaza Al+3 en sitios octaédricos
GRANATE
Mg3Al2(SiO4)3
Rojo
Fe+2 reemplaza Mg+2 en 8 sitios coordinados
TURMALINA
Na3Li3Al6(BO3)3(SiO3)6F4
Rosado
Mn+2 reemplaza Li+
y
Al+3 en sitios octaédricos TURQUESA
Al6(PO4)4(OH)8*4H2O
Azul-Verde
Cu+2 coordinando con 4 OH- y 2 H2O
SAFIRO
Al2O3
Azul
Transición entre Fe+2 y Ti+4 reemplazando Al+3
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en sitios adyacentes a sitios octaédricos AGUAMARINA
Transición entre Fe+2 y
Azul
Be3Al2(SiO3)6
Fe+3 reemplazando Al+3 en sitios adyacentes a sitios octaédricos DIAMANTE
Sin
C
color, Centro
de
color
de
azul pálido átomos de N atrapados o amarillo
en el cristal
RUBÍ De color rosa fucsia, este mineral pertenece al grupo IV (óxidos), según la clasificación de Strunz, una dureza tipo 9 en la escala de Mohs pertenece a la familia del corindón junto con el zafiro y posee una estructura cristalina de tipo trigonal. Sus principales yacimientos en Sri Lanka, India, Tailandia, China y Rusia.
El rubí es un cristal de oxido de aluminio (Al2O3) que contiene unas trazas de iones de cromo (Cr+3), que reemplazan los iones de aluminio. En el rubí cada ion Al+3 y Cr+3 es sometido por seis iones oxigeno en una reasignación octaédrica, este arreglo se da en los 5 orbitales 3d del Cr+3 en dos juegos, los orbitales dxy, dxz, dyz y los orbitales dx2-y2 y dz2, estos orbitales se encuentran con energías diferentes así pertenezcan al mismo subnivel, esta diferencia de energía corresponde a la energía de la luz visible. Al entrar en contacto con la luz, el rubí absorbe la energía correspondiente a la transición de un electrón de un orbital 3d de baja energía a uno de alta energía, entonces el rubí refleja la luz sobrante, ya que esta es deficiente en algunas energías, las que fueron absorbidas, la luz aparece coloreada.
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Figura 3: a. Estructura cristalina del rubí
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b. Absorción y emisión de luz en un rubí
(http://staff.aist.go.jp/nomura-k/english/itscgallary-e.htm)
Para que el rubí muestre su color continuamente, el mecanismo debe ser tal que los electrones del Cr+3 puedan volver a sus estados excitados a sus estados fundamentales, esto se da en dos etapas. Primero los electrones caen de los estados de energía mas altos a los mas bajo, un estado intermedio algo superior al estado fundamental, estas energías se encuentran en la región infrarroja del espectro, aparecen como calor no son visibles, pero estimulan las vibraciones de los iones del cristal, la transición al estado final produce una luz roja, esta emisión seguida de la absorción de luz de mayor energía se llama fluorescencia. En el rubí esta emisión roja se añade al color rojo de la luz transmitida y en la esmeralda esta es la longitud necesaria para aumentar el carácter rojo verde. (figura 3b.)
ESMERALDA La esmeralda es una variedad del mineral berilo Be3Al2(SiO3)6, del grupo de los ciclosilicatos con una dureza de 8 en la escala de Mohs
y una composición
cristalina de tipo hexagonal. Sus principales yacimientos se encuentran en Colombia y Brasil. El origen de su color es similar al de los rubíes, pero en este caso la interacción
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del berilo, se da con iones Cr+3, de la misma manera, los orbitales 3d con la energía presentan una diferencia a la analizada en los rubíes, debido a la interacción de los iones oxigeno
Figura 4: Estructura cristalina de la esmeralda (http://staff.aist.go.jp/nomura-k/english/itscgallary-e.htm)
ALEXANDRITA
La Alejandrita es una de las piedras más exóticas, debido a la propiedad que posee de “adoptar” dos colores, el verde similar al de las esmeraldas de día y en las noches un color rojo similar al de los rubíes.
El
mayor
yacimiento
de
Alejandrita se encuentra en el Brasil, Rusia posee algunos pocos, aunque fue la mayor productora hace varias décadas.
El color resulta de la integración en primera medida de la luz brillante con nuestros ojos, ya que estos son más sensibles al verde y la Alejandrita puede refleja ambos tipos de luz: la luz verde y la roja. En la luz brillante rica en luz verde, nosotros percibimos la Alejandrita de
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color verde, mientras que en la luz incandescente, que es rica en luz roja, la Alejandrita refleja este color.
Figura 5: Estructura cristalina de la Alexandrita (http://staff.aist.go.jp/nomura-k/english/itscgallary-e.htm)
ZAFIRO Se
encuentra
comúnmente
en
yacimientos de rulito (TiO2), bauxita (Al2O3, Si y FeO) y hematita (Fe2O3), su composición química es una mezcla de óxidos de aluminio, hierro y titanio, le corresponde una dureza 9 en la escala de Mohs. El zafiro corresponde a la misma familia
del
rubí,
(corindón).
Se
encuentran en estado natural en una amplia
gama
de
colores,
desde
tranparente, pasando por amarillo, azul y varias combinaciones. Los principales yacimientos están en África, Sudamérica, Sri Lanka y Cachemira.
En esta piedra preciosa el color no es causado por cambio de energía en un ion de metal de transición, sino por el cambio de electrones entre dos iones de metales de transición adyacentes en diferentes estados de oxidación. La energía necesaria para transferir un electrón
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de un ion a otro corresponde a la energía de la luz visible. La mayor cantidad del zafiro es la alúmina o corindón, como los rubíes, pero unos pares de iones Al+3, son reemplazados por un ion Fe+2 y Ti+4. Cuando la luz ataca al zafiro, la energía es absorbida y un electrón se mueve del Fe+2 a el Ti+4, esto es llamado una transición de intervalencia, esta es la responsable también el color azul de la aguamarina, en la cual lo iones adyacentes del Al+3 en el berilo son reemplazados por iones de tipo Fe+2 y Fe+3.
Figura 6: Estructura cristalina del zafiro (http://staff.aist.go.jp/nomura-k/english/itscgallary-e.htm) DIAMANTE No todos los colores son producidos por iones de metales de transición, en algunos casos la presencia de átomos foráneos con un número diferente de electrones de valencia, es llamado centro de color, porque al reemplazar átomos con un numero de valencia diferente , ellos pueden suplir o recibir un electrón de otro átomo por una transición de intervalencia, Estos centros de color son producidos por transformaciones nucleares, por ejemplo la transformación de un C14 radiactivo a un átomo de nitrógeno con emisiones de partículas beta. Esto deja un
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átomo de nitrógeno en lugar del carbono original, este átomo de nitrógeno posee una mayor valencia que el átomo de carbono, esto causa la coloración azul o amarilla en algunos diamantes. De la misma manera estos centros de color pueden ser causados artificialmente, irradiando la gema en un reactor nuclear, de esta manera se producen diamantes amarillos y azules
Figura 7: Estructura cristalina del diamante (http://staff.aist.go.jp/nomura-k/english/itscgallary-e.htm) BIBLIOGRAFÍA Gemological Institute of America. Gems & Gemology. Volume 17. Number 4 1971
Paul F. Hlava. Causes of color in minerals and Gemstones. Sandia National Laboratories
Petrucci. R. H; Harwood. S. W; Herring F. G. Química General Octava Edition
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Pauling, L., General Chemistry, W.H. Freeman, San Francisco, 1947.
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