Technické využití drahých kamenů

Gymnázium Christiana Dopplera

Maturitní práce z chemie

Technické využití drahých kamenů

Vypracoval:Jan Helebrant Školní rok 2001/2002 Odborný konzultant: RNDr. Vladimír Šrein CSc., Ústav struktury a mechaniky hornin AVČR

Jan Helebrant



1. Význam drahých kamenů pro člověka 2. Všeobecné charakteristiky drahých kamenů 3. Přehled nejpoužívanějších drahých kamenů, jejich vlastnosti, způsoby využití a naleziště 4. Výroba umělých drahých kamenů -Technologie a přehled některých syntetických drahých kamenů 5. Všeobecné porovnání vlastností syntetických a přírodních drahých kamenů 6. Závěr 7. Použitá literatura 8. Obrazová příloha

2

Jan Helebrant


1. Význam drahých kamenů pro člověka Drahé kameny provázejí člověka od samého počátku lidských dějin. Pro své nápadné vlastnosti, výjimečnost a vzácnost výskytu bývaly, a v některých společenských systémech dosud jsou, symbolem přepychu, bohatství a moci. Krása drahých kamenů byla zdrojem umělecké inspirace, rovněž dnešní tvůrci šperků hledají stále nové formy pro jejich zpracování. Jejich některé vlastnosti jim vyhradily významné místo nepostradatelných pomocníků v moderní technice. Poznávání a zkoumání drahých kamenů včetně jejich umělé výroby poskytly odborníkům nové poznatky o říši nerostů a vedly je současně k širšímu poznání anorganického světa vůbec. Mnohé drahé kameny nabízejí dnes velké možnosti technického využití. Jejich praktický význam spočívá především v jejich mimořádných chemických a fyzikálních vlastnostech. Mezi drahými kameny najdeme i takové, které poskytují některé vzácné prvky, které se v jiných nerostech téměř nevyskytují. V mnoha případech skutečně platí, že ty vlastnosti, které z nerostu učinily drahý kámen, umožňují právě také jeho technické využití. Význam drahých kamenů jako technických surovin v poslední době stále stoupá.Využívají se jednak jejich charakteristické fyzikálních vlastností, stejně tak jsou základem pro výrobu různých surovin v průmyslu. Rád bych vás v této práci seznámil alespoň s hlavními představiteli světa drahých kamenů, jejich výjimečnými vlastnostmi a použitím v technice.

3

Jan Helebrant


2. Všeobecné charakteristiky drahých kamenů 2.1 Členění drahých kamenů Dříve byly drahé kameny členěny na drahokamy, levnější polodrahokamy a ozdobné kameny. Ozdobné kameny jsou takové, které se dají leštit i ve větších kusech a používají se například při obkladu význačných budov zvenku, nebo zdobí jejich dvorany a sály. Avšak toto rozdělení, jež se používalo hlavně v obchodních kruzích, není příliš spolehlivé. Hranici mezi vlastním drahokamem, polodrahokamem a ozdobným kamenem není možné přesně vymezit. V určité době se přihlíželo více k vzácnosti kamene, jindy k jeho vlastnostem, zejména ke kráse zbarvení a tvrdosti. Podle toho pokládali někteří lidé za polodrahokamy jen levnější dekorační kameny, čímž mizela hranice mezi polodrahokamy a kameny ozdobnými. Jiní znalci naopak velmi přísně uznávali za drahokamy pouze diamant, rubín, safír a smaragd, i když i další nerosty měly vlastnosti zcela vyhovující a odpovídající těmto čtyřem drahokamům. S ohledem na tyto nepřesnosti se v odbornějších kruzích již toto rozdělení nepoužívá. Je zavedeno nové, jednotné označení drahý kámen. U obkladových kamenů, nejčastěji hornin (např. žul nebo mramorů) se však nadále používá označení ozdobný kámen. 2.2 Vznik a výskyt drahých kamenů v přírodě Drahé kameny netvoří ucelenou skupinu nerostů, blízkou si chemickým složením, způsobem vzniku či výskytem. Naopak je to skupina velmi různorodá. Některé jsou oxidy, jiné řadíme ke křemičitanům,uhličitanům, fosforečnanům a tak bychom mohli vyjmenovat vlastně všechny skupiny nerostů. Na většině nalezišť jsou nerosty vyvinuty pouze v obecné jakosti a s pravými drahými kameny se setkáme spíše výjimečně nebo jen na ojedinělých lokalitách, kde k jejich vzniku v té nejnádhernější podobě byly příznivé podmínky. Drahokamové nerosty i v obecné jakosti mohou být v přírodě vzácné, jako např. diamant, nebo jsou v přírodě zcela běžné. Například olivín, v drahokamové odrůdě zvaný chryzolit, se v přírodě vyskytuje vzácně, ale v obecném vývoji je základním nerostem olivínovců a tvoří průměrně celou jednu čtvrtinu hmoty čedičů. A stejně tak i křemen, granát, nebo turmalín. Protože vskutku nelze dobře oddělovat naleziště drahých kamenů od výskytu příslušných nerostů v obecné podobě, pojednávám v dalším textu o nalezištích celkově. Nerosty (a tím i drahé kameny) jsou výtvorem přírody; jsou to v podstatě chemické sloučeniny, nebo prvky, které se vytvořily v přírodě bez přímého působení člověka, spíše nezávisle na něm a jeho dílech. Naproti tomu připraví chemik v laboratoři sloučeninu, která se může i v přírodě vyskytovat jako nerost. Má sice stejné fyzikální a chemické vlastnosti, ale vznikla vědomou činností člověka, není to tedy nerost. Dnes se zabývá syntézou umělých nerostů a také drahokamů, důležitých v moderní technice, celé jedno odvětví průmyslu. Procesy, které vedou ke vzniku nerostů, můžeme velmi zhruba rozdělit na tři základní: magmatický, sedimentární a metamorfní(viz str.30obr.6).Rozeznáváme nerosty prvotní (primární), které od doby, kdy poprvé nabyly podoby nerostů až do dneška si zachovaly svou tvářnost a nebyly nijak přeměněny. K nim se řadí druhá početná skupina nerostů, vytvořených přeměnou nerostů prvotních – nerosty

4

Jan Helebrant


druhotné (sekundární). Ty jsou charakteristické pro zemský povrch. Prostě nerosty vzniklé ve velkých hloubkách za vysoké teploty a tlaku jsou někdy málo přizpůsobivé povrchovým podmínkám. Takové nerosty se pozvolna mění, zvětrávají, zejména působením atmosféry, vody a vodných roztoků, a přeměňují se v minerály, kterým podmínky zemského povrchu lépe vyhovují. Tak větráním pyritu vzniká limonit, na ložiskách měděných rud se objevují zelený malachit nebo modrý azurit atd. Jiné jsou však odolné a dostávají se do náplavů. Nejlepším příkladem je křemen. Na vzniku nerostů magmatického původu se podílí magma. Tato žhavá tavenina má chemické složení zhruba odpovídající složení zemské kůry. Hlavními součástmi magmatu je křemičitanová tavenina s těkavými složkami jako jsou chlor, vodní pára a oxid uhličitý. Při pohybech zemské kůry nebo při horotvorných procesech, mnohdy podmíněných přetlakem těkavých složek v magmatickém ohnisku, dochází k výlevu magmatu do svrchních částí zemské kůry nebo v podobě lávy přímo na povrch. Ve vyšších částech zemské kůry nebo na povrchu dochází k utuhnutí magmatu. Tuhne-li magma pod povrchem, nedojde k úniku těkavých součástí, tuhnutí a krystalizace nerostů v magmatu probíhá pomalu. Nerosty pak mají dost času k utvoření větších krystalů a vzniklá hornina je zrnitá až hrubě zrnitá. Tímto způsobem vznikají tzv. hlubinné vyvřeliny (žula, syenit, diorit, gabro atd.). Při výlevu na zemský povrch většina těkavých složek unikne do ovzduší, magma tuhne velmi rychle a vzniklé výlevné horniny (ryolity, andezity, čediče a znělce) bývají zpravidla velmi jemnozrnné. Vedle těchto dvou typů existují ještě horniny žilné, které se utvořily z odštěpenin magmatu a utuhly v puklinách zemské kůry. Nejběžnější jsou porfyry, pegmatity, a aplity. Vznik jiných hornin způsobily procesy metamorfní, při kterých vznikají horniny přeměněné. Přeměna probíhá působením zvýšeného tlaku a teploty po určitou déle trvající dobu. Podlehnout jí mohou všechny typy hornin. Horniny překrystalují, vytvoří se nové nerosty, které lépe snášejí změněné prostředí. Přeměněné horniny jsou většinou břidličnaté. Jsou to ruly, svory, fylity a různé jiné krystalické břidlice. Původně vyvřelé olivínovce mohou být přeměněny v hadce. Tlak je buď všesměrný, nebo jednostranně orientovaný. Teplota může být vysoká i nízká a může působit po dlouhou dobu, počítáno v geologickém slova smyslu. V blízkosti rudních žil či kolem horkých pramenů dochází k přeměnám okolních hornin. Horniny sedimentární, neboli usazené horniny vznikají postupným usazováním částic zvětralých hornin. Ty se dostávají do náplavů, potoků, řek a moří. Na jejich transportu se kromě vody podílejí i vítr a zemská přitažlivost (řícení zvětralých skalních bloků). V nedalekých, nebo velmi vzdálených místech síla transportu slábne a částice se ukládají, sedimentují. Vznikají horniny usazené, neboli sedimenty. Součástky usazených hornin prodělávají při transportu mechanickou přeměnu třením o sebe (vznik oblázků), jiné i chemickou. Spolupůsobit mohou i organismy. Mnohé mořské organismy si budují schránky z uhličitanu vápenatého nebo oxidu křemičitého. Po odumření těchto organismů se jejich schránky hromadí na dně. Takto postupně vznikají mnohé sedimenty – vápence, pazourky, křída. Uhlí, jiný druh usazené horniny má původ v nashromážděných rostlinných tělech. Vedle již uvedených vápenců patří mezi usazené horniny z těch nejznámějších ještě písky a jíly, z nichž vznikly zpevněním pískovce a jílovce, dále pak štěrky a další. Horninotvorné procesy se navzájem prolínají. Sedimenty mohou vznikat z nerostů vyvřelin i přeměněných hornin nebo vůbec ze starších usazenin. A podobně je tomu i se zbývajícími dvěma skupinami hornin.

5

Jan Helebrant


3. Přehled vlastnosti, způsoby využití a naleziště nejpoužívanějších drahých kamenů, jejich

3.1 Diamant 3.1.1 Vlastnosti Název diamant pochází z řeckého adamas = nezrušitelný, nepřemožitelný. Chemicky se jedná o uhlík krystalující v krychlové soustavě. Má tvrdost 10, hustotu 3,52 g / cm3 a je dokonale štěpný podle ploch osmistěnu. Za normálních teplot nepodléhá chemickým účinkům a je špatný vodič tepla. Při teplotě vyšší než 850 oC na vzduchu shoří na oxid uhličitý. Zahřívá-li se však ve vakuu na teplotu přes 1000 o C, Krystal diamantu, schéma jeho krystalové základního mění se v grafit. Má ale také vynikající struktury,kalotový model tetraedru,čtyři atomy uhlíku tvoří základní optické vlastnosti: diamantový krystal prokazuje vysoký index lomu ( n = 2,4195 ) tetraedr.(viz str.26/1) a širokou disperzi, to znamená, že bílý světelný paprsek se v krystalu rozkládá na všechny barvy duhy, které jsou odráženy pod různými úhly. Proto je vybroušený diamant známý hrou světel a vysokým leskem, který nazýváme diamantový. Jeho dokonalé štěpnosti se odedávna využívalo při broušení. Diamant je jedním z nejžádanějších drahých kamenů a díky svým mimořádným fyzikálním vlastnostem zaujímá také zcela mimořádné postavení mezi nerosty. Byl znám již v dřívějších dobách. Píše o něm již Gaius Plinius Starší ( 23 až 79 n.l.), ačkoli Římané znali jen diamanty nepatrných rozměrů. Dochovaly se různé ústní tradice a pověsti o objevech a osudech starých indických diamantů, i když většina známých velkých a historických diamantů byla nalezena teprve začátkem 17. století. Co vlastně diamant je, zůstávalo dlouho záhadou. Teprve roku 1675 vyslovil slavný anglický fyzik Isaac Newton domněnku, že diamant hoří. Přivedl ho k ní silný lom světla diamantu.V roce 1694 se rozhodli Italové Averani a Targioni pro pokus, při němž diamant spálili.Ale až anglický chemik H. Davy ( 1778 až 1829 ) dokázal, že diamant je uhlík. 3.1.2 Výskyt V přírodě se odedávna vyskytoval v podobě zrn a zaoblených drobných osmistěnů v říčních náplavech, kam byl zanesen ze svých původních matečních hornin – tmavých vyvřelin. Ve velké většině diamantových nalezišť se dosud nepodařilo tuto horninu zjistit. Diamanty zarostlé v matečné hornině známe jen z několika nalezišť, na ostatních se vyskytují pouze druhotně v náplavech. Nejstarší a nejznámější jsou proslulá naleziště v okolí Kimberley v Jihoafrické republice objevené roku 1897, kde se diamanty nacházejí v tzv. kimberlitu. V následujících

6

Jan Helebrant


desetiletích byly objeveny další kimberlitové sopouchy – roku 1897 u Pretorie v Transvaalu, r.1903 v Zimbabwe, r.1907 v Angole a potom v Tanzánii, býv. Zairu, Sierra Leone a také v Indii, která je starým nalezištěm proslulých velkých kamenů. Dalším světovým nalezištěm jsou velká ložiska v poříčí řeky Viljuji v Jakutsku v bývalém SSSR(viz str.26/3). Nejznámější diamantonosné náplavy jsou v Indii odkud přicházely až do 18. století všechny diamanty. Pocházejí odtud jedny z největších diamantů jako např. Koh-inoor, Regent, Orlov, Šach a další. Další naleziště jsou na Západním pobřeží Afriky a v Brazílii. Diamant je průhledný a většinou bezbarvý, v některých případech však má lehký barevný nádech, nejčastěji žlutavý, mírně růžový či modrý. A pouze ve vyjímečných případech byly nalezeny diamanty sytého zbarvení – modré, žluté, zelené, červené. Ovšem značná část diamantů je šedá či černá a neprůhledná a užívá se v technice. 3.1.3 Technické využití Diamant je již velmi dlouho nejvýznamnější surovinou používanou v technice pro svoji tvrdost. Pro tyto účely se zpracovává převážná část diamantové produkce, pouze 25 % je drahokamovým materiálem. Světová spotřeba diamantů se v roce 1975 pohybovala kolem 20 tun, a to jde o minerál, u něhož se hmotnost krystalů měří na karáty ( 1 karát = 0,2 g ). V technice se přirozeně nepoužívají klenotnické diamanty, a tím méně vybroušené brilianty. Zužitkovávají se řadové diamanty – drť, „bort“, ale také černé odrůdy diamantu – „karbonado“. Tvrdost diamantu umožňuje jeho využití ve vědě i v technické praxi jednak jako stěžejní součást přístrojů pro měření tvrdosti všech ostatních hmot, jednak jako součást nástrojů, jimiž můžeme opracovávat i nejtvrdší materiály na potřebný tvar s vysokou přesností.V hutích a strojírenském průmyslu určujeme v nesčetném množství případů jakost výrobků podle jejich tvrdosti. Proto byla vypracována řada metod na její měření, jež vesměs využívají diamantu. Při tzv. VICKERSOVĚ metodě vtlačujeme např.určitou silou do povrchu měřeného materiálu diamantový hrot. Při kontrole jakosti výrobků nás často zajímá hladkost obráběného povrchu, kterou měříme tzv. profilometrem. Tento přístroj je rovněž opatřen diamantovým hrotem vybroušeným s vysokou přesností. Hrot se pohybuje po měřeném povrchu. Jeho výkyvy, opisující všechny nerovnosti povrchu, jsou přenášeny v potřebném zvětšení na záznamový graf, z něhož potom jakost povrchu vyhodnotíme. Tak kontrolujeme přesnost tvaru obráběcích nástrojů, brusných kotoučů a mnoha přesných součástek různých přístrojů. Významnou složkou hutnické výroby je výroba drátů z kovových materiálů. Na některé z nich, ať už se využívají pro vědecké účely nebo v průmyslové výrobě, jsou kladeny vysoké požadavky co do přesnosti průměru, jenž musí být zachován i při velikých délkách. Při tažení drátu neodolají značnému opotřebení např. průvlaky vyrobené z kterýchkoli tvrdých materiálů, včetně slinutých karbidů. Stejně jak pokračuje opotřebení průvlaku, mění se ovšem i průměr taženého drátu. Proto je pro náročné případy nutno zhotovovat průvlaky diamantové. Dalším příkladem diamantového nástroje je diamantový nůž pro soustružení. Používáme jej na opracování barevných kovů a tvrzených plastických hmot v těch případech, kdy je nutné dosáhnout bezvadného lesklého povrchu a kde velmi záleží na nepatrné opotřebitelnosti ostří. Na zpracování tvrdých technických materiálů

7

Jan Helebrant


(např. korundu a karborunda ) se vyrábějí diamantové vrtáky, návrtníky a orovnávače. Geologický výzkum ani těžební praxe se neobejdou bez pořizování zemních vrtů sahajících často až do tisícimetrových hloubek.V případech, kdy je možno narazit na velmi tvrdé horniny, používají se jako vrtací nástroje diamantové vrtací korunky. Všeobecně známé technické využití diamantu je při řezání skla. Nástroje na řezání se vyrábějí z vybraných drobných osmistěnů s obloukovými hranami, z nichž jednu je nutno při zasazení kamene do nástroje upravit do polohy, která zaručí správnou funkci přístroje. Rozvoj techniky posledních desetiletí uvádí do práce stále více vysoce tvrdých a tím i nesnadno opracovatelných nových hmot. Obrábíme je nástroji, v nichž hraje hlavní roli diamantový prášek, dále pracovními operacemi, jako je řezání, vybrušování tvaru, leštění povrchu, vrtání apod. K tomu používáme např. diamantové brusné kotouče. Způsobem použití i vnějším tvarem se podobají do značné míry jiným běžným brusným kotoučům. Pracuje se s nimi obvykle též na stejných brousicích strojích jen s tím rozdílem, že pro diamantové kotouče vyžadujeme větší přesnost a některá technologická opatření, které mají chránit poměrně drahý diamantový prášek. Diamantové brusné kotouče mohou mít různé tvary ( např. kotouče miskovité, oboustranné, brusná vřeténka malých průměrů, různé profilované kotouče atd. ). Tvar, rozměry, druh pojiva a velikost diamantového zrna se volí podle toho, jaký materiál má být opracováván a podle stroje, který bude použit. Co bylo řečeno o brusných kotoučích, vztahuje se v hlavních rysech i na podobné diamantové řezací kotouče (viz str.27/obr.). Je zřejmé, že diamant je dnes prvořadou strategickou surovinou, která buď přímo, nebo nepřímo ovlivňuje rozvoj průmyslu.

3.2 Grafit 3.2.1 Vlastnosti Grafit ( tuha ) sice nepatří mezi drahé kameny, jedná se ale také o modifikaci uhlíku stejně jako diamant. Na rozdíl od diamantu krystaluje grafit v šesterečné soustavě a vyznačuje se naprosto odlišnými fyzikálními a chemickými vlastnostmi. Jedná se o největší známé rozdíly mezi dvěma modifikacemi téže hmoty. Název grafit pochází z řeckého slova grafó = píši. Krystaluje v šesterečných šupinkách, výtečně Krystalová struktura grafitu. štěpných podle báze. Atomová stavba je ve shodě (viz str. 26/6) s tím. Atomy uhlíku jsou těsně, a tedy pevně spojeny tak, že jejich středy tvoří šestiúhelníkovou síť. Tyto kompaktní vrstvy atomů jsou mezi sebou spojeny dlouhými a tedy velmi slabými vazbami, které se projevují 8

Jan Helebrant


ve snadné rovnoběžné posunutelnosti nebo úplné oddělitelnosti jednotlivých vrstev. Ve vrstvách jsou mezi atomy uhlíku vazby kovalentní a zbývající valenční elektron působí vazbu kovovou. Obyčejně jsou šupinky grafitu nedokonale vyvinuty, zprohýbané, po stranách roztřepené. Jejich rozměry klesají na mikroskopický prášek, takže pouhému oku se celek jeví jako celistvý a zemitý, ještě jemněji rozptýlená grafitová hmota tvoří tzv. beztvarý uhlík, který tvoří uhlí, saze atd. Grafit je na povrchu i na vrypu černý a má kovový lesk. Tvrdost 1, hustota 2,255 g/cm3. Má velmi dobrou tepelnou i elektrickou vodivost. Za normálních podmínek se neroztaví ( taví se až při 3000 oC ). 3.2.2 Výskyt Nachází se v krystalických břidlicích, metamorfovaných horninách, vápencích atd., např. v ČR, v Rusku na západní Sibiři, Finsku, Koreji, USA, Kanadě nebo na Srí Lance. 3.2.3 Technické využití Surový grafit se ale málokdy dá použít přímo, obyčejně je nutno ho čistit plavením.Jeho využití je velmi rozmanité. Nejlepší, jemně šupinkaté odrůdy se používají na tužky. Pro jeho tepelnou odolnost se z něj vyrábí tavicí kelímky pro slévárenství,ocelárny a mincovny . Používá se také v elektrotechnice na vodivé nátěry pro galvanoplastiku atd. Grafit má také dobrou schopnost zpomalovat neutrony. Donedávna byl používán jako tzv. moderátor v jaderných reaktorech moderátor účinně zpomaluje neutrony v reaktoru ale výrazně je nepohlcuje a tím zabraňuje vzniku neřízené řetězové reakce.Poprvé užil grafitu jako moderátoru v Chicagu roku 1942 Ital Enrico Fermi působící v USA v prvním jaderném reaktoru na světě. Byl použit například v černobylské jaderné elektrárně. Je hořlavý (při extrémně vysokých teplotách) a používal se do obloukových lamp. Dále se používá na výrobu žáruvzdorných materiálů, různých mazadel a při stavbě chemických aparatur.

3.3 Korund 3.3.1 Vlastnosti Korund Al2O3 krystaluje v klencové soustavě. Má tvrdost 9, hustotu 3,9 – 4,1 g/cm3 . Ráz krystalů je vřetenovitý, nebo soudečkovitý, mohou být i klencové nebo tabulkovité. Strukturní mřížka korundu je tvořena kostrou nejtěsněji směstnaných iontů kyslíku s vrstvami kolmo k trojčetné ose krystalu. 2/3 oktaedrických dutin mezi kyslíky jsou obsazeny ionty hliníku ve dvojicích na společných svislých osách, takže hliník vyplňuje vždy dvě oktaedrické dutiny nad sebou na obou stranách téže kyslíkové vrstvy. Korund, ideální krystal Střídání těchto dvojic s prázdnými oktaedrickými dutinkami (viz str. 26/8)

9

Jan Helebrant


má trojčetnou souměrnost. Název korund pochází asi ze starého indického názvu kauruntaka, jehož smysl není přesně znám. Nejčistší Al2O3 je bezbarvý leukosafír, oxid chromitý příměs asi 0,4 hmotnostních procent barví korund krásně červeně s odstínem fialovým na rubín ( lat. rubens=červený), oxid železitý a titaničitý modře na safír ( řec. sappheros= modravý). Různé jiné odrůdy jsou zbarveny namodrale šedě, hnědě, nažloutle atd. Zrnitý korund s příměsí magnetitu Fe3O4 a jiných nerostů je smirek,zbarvený tmavě šedě až černě. Korund je s tvrdostí 9 po diamantu ( a karborundu ) nejtvrdší nerost. Je i chemicky značně odolný, taví se teprve s příměsí kyselého síranu sodného. 3.3.2 Výskyt Korund se nachází v granitových pegmatitech a metamorfovaných horninách – v ČR na Třebíčsku a v Čejově u Humpolce, světová naleziště jsou na Srí Lance a v Zadní Indii.Rubíny a safíry se nachází na Srí Lance, v Barmě,Thajsku, Keni, Tanzanii, Kambodže. Nalezištěm nejlepších evropských safírů je Jizerská louka v Severních Čechách. 3.3.3 Technické využití Korund kromě své tvrdosti vyniká velkou chemickou a mechanickou odolností, houževnatostí, velmi malou roztažností, pružností a velmi vysokou teplotou tání.Proto byl kdysi nepostradatelným technickým kamenem, zejména k výrobě ložisek pro přesné stroje ( hodinková ložiska, kompasy, přesné váhy. Z tohoto použití byly však dnes vytlačeny kameny syntetickými, z kterých se vyrábějí též gramofonové jehly. Korund – smirek je vynikajícím lešticím a brusným prostředkem, ať již v brusných prášcích, v papírech, látkách a kotoučích. Při různé zrnitosti se korund používá i k broušení a leštění skla, drahých kamenů a jiných hmot.Dnes se práškový korund na výrobu brusiv získává především speciálními technickými postupy. Kvalita smirku, přírodního nebo umělého, je dána jeho tvrdostí ( podle cizorodých příměsí, jež tvrdost snižují ). Nejméně čisté, a proto nejměkčí odrůdy se používají do různých lešticích past. Využívá se také na tzv. oxidovou keramiku. Jedná se o keramický materiál pro technické aplikace tvořený výhradně, nebo převážně jedním oxidem. Nejběžnější je oxidová keramika z oxidu hlinitého, též slinutý korund nebo korundová keramika. Vyznačuje se vysokou pevností, tvrdostí a je dobrým elektrickým izolátorem. Používá se jako konstrukční materiál pro součásti vysokoteplotních zařízení, na pyrometrické trubice a tavicí kelímky.Vyrábí se z ní izolátory u zapalovacích svíček pro motory, řezné plátky k obrábění kovů a nově se používá jako bioinertní náhrada kostních tkání. Ale snad nejvýznamnější je využití optických vlastností rubínu ve spojení s vynálezem laseru – optického kvantového generátoru. Slovo laser je zkratkou anglických slov Light amplification by simulated emission of radiation – zesilovač světla při vyvolaném záření. Princip, na kterém laser pracuje je dosti složitý – ke generování elektromagnetického záření se v něm využívá energie vznikající při přechodu elektronů z jednoho energetického stavu do druhého.

10

Jan Helebrant


První laser byl vytvořen v roce 1960 z rubínu. Tento laser vydával jasné světlo s vlnovou délkou 694,3 nm. Rubínovým laserem byla přesně stanovena vzdálenost Země od Měsíce. Dnes se laserů v technice používá stále víc. Uplatňují se při zkoumání fyziky plazmy i v lékařství při chirurgických operacích, v televizi pro snímání a předávání obrazů, ve spojovací technice, v chemii, biologii při vrtání a sváření kovů apod. A přestože se v poslední době začaly lasery vyrábět i z jiných látek, například plynové či polovodičové, rubín zůstává stále jedním z nejvhodnějších materiálů. Přednosti rubínu spočívají v jeho vynikajících mechanických vlastnostech, o nichž jsem se již zmínil: v tvrdosti, tepelné stálosti a odolnosti vůči značně agresivním podmínkám.

3.4 Beryl 3.4.1 Vlastnosti Beryl Be3Al2(SiO3)6 krystaluje v šesterečné soustavě, má tvrdost 7,5, hustotu 2,6 – 2,9 g/cm3. Krystaly bývají sloupcovité, agregáty stébelnaté.Název beryl pochází z řec. bérullos = zelené kameny.Beryl je typickým příkladem strukturního typu cyklosilikátu. Stavební motiv je šestičlenný kruh tetraedrů (SiO4), spojených Krystalová struktura berylu. (viz str.26/6) v komplexní radikál (Si6O18)12-. Jednotlivé kruhy rovnoběžné s bází jsou navzájem spojeny vazbami aktivních iontů kyslíku s beryliem a s hliníkem. Koordinace kyslíků je čtyřčetná okolo menšího kationtu Be2+ a šestičetná okolo většího Al3+. Vnější kroužky v prstenci čtyřstěnů na obr. Představují dva nad sebou ležící kyslíky na svislé hraně čtyřstěnů, kolmé k nákresné rovině. Kruhy se opakují nad sebou tak, že jejich středy leží na společných osách, rovnoběžných s vertikálou makrokrystalu. Kruhy jsou střídavě navzájem stočeny o necelých 30o. Široké svislé kanály uvnitř kruhů jsou dostatečně velké, takže mohou uzavírat ionty Na+, K+, Cs+ i molekuly H2O. Je čirý, bílý, nejčastěji žlutavý nebo zelenavý. Krásně zbarvené drahokamové odrůdy jsou sytě zelený smaragd, světle modrozelený akvamarín , žlutý heliodor, růžový morganit a červený bixbit.

3.4.2 Výskyt Nachází v granitových pegmatitech – v ČR hlavně na Písecku a Poběžovicku.Drahokamové smaragdy pochází z Kolumbie a Uralu a , nejstarší známé naleziště je v Egyptě. Akvamaríny dodávají hlavně pegmatitová ložiska zabajkalská a brazilská, u nás je to malý výskyt na Sobotínsku. Morganity dodávají

11

Jan Helebrant


naleziště kalifornská a madagaskarská- sloupce až 8x 2m. Další ložiska jsou v Maine a Jižní Dakotě v USA a v Namibii. Beryl je velmi dlouho známý nerost. Byl těžen v Horním Egyptě ( jižně od Kosejru) ve své drahokamové odrůdě smaragdu před více než dvěma tisíciletími. Píše o něm Theofrastos i Plinius Starší. Dokonce se vypráví, že sličná Kleopatra vlastnila smaragd s vlastní podobiznou. Římský císař Nero používal prý vybroušeného smaragdu jako monoklu. První zmínku o tom nacházíme v knihách římského přírodovědce Plinia Staršího. Protože však při tehdejších znalostech o kamenech docházelo k častým záměnám podobných nerostů, zdá se být pravděpodobné, že nešlo o sytě zelenou odrůdu berylu- smaragd, který by v těchto rozměrech bylo jen těžko možné získat patřičně průhledný, ale spíše o jinou odrůdu, snad o akvamarín.Přesto je tato Pliniova zmínka velmi cenná zejména proto, že se tak poprvé dozvídáme o technickém použití drahého kamene. 3.4.3 Technické využití Obyčejný beryl je celkem nenápadný, zato velice potřebný nerost. Je to totiž důležitá ruda berylia, kterého obsahuje pouze 14,1 hmotnostních % ve formě oxidu berylnatého. Prvek byl pojmenován po nerostu, ve kterém byl poprvé určen francouzským chemikem Vauquelinem v roce 1798. Kovové berylium má velkou důležitost v metalurgii pro přípravu speciálních slitin, zvláště s platinou, barevnými kovy ( zejména s mědí ) a s lehkými kovy, které se vyznačují velikou pevností a pružností. Berylium se také přidává do „bronzových“ slitin – tzv. beryliová bronz používaná na speciální pružiny pro měřicí přístroje, chronometry atd. Přísada berylia má také příznivý vliv na elektrickou vodivost. Kovové berylium se používá na okénka rentgenových lamp a na přístroje a zařízení potřebná k získávání atomové energie.Jeho sloučeniny se uplatňují v neonovém osvětlení a ve speciální keramice ( kelímky ) – v tomto případě se jedná o ohnivzdorný oxid berylnatý. Využívá se také pro tzv. beryliovou keramiku. Beryliová keramika má vysokou tepelnou vodivost, vynikající elektroizolační vlastnosti, které se v maximální míře využívají při výrobě výkonových elektronek a speciálních polovodičových prvků. Omezujícím faktorem je vysoká jedovatost a cena této keramiky. Lidé, kteří jako první pracovali na výrobě syntetických drahokamových odrůd berylu zemřeli na tzv. beryliózu – otravu beryliem.

12

Jan Helebrant


3.5 Turmalín 3.5.1 Vlastnosti: Název turmalín pochází ze singhalského slova „turamali“, což značí kámen, který přitahuje popel. Krystaluje v trigonální (klencové) soustavě, má tvrdost T= 7-7,5 a hustotu 3–3,2g/cm3. Turmalín je chemicky velmi složitý a variabilní zásaditý borokřemičitan celé řady prvků, zejména hliníku, železa, hořčíku, vápníku a alkalických kovů, např. lithia, sodíku a draslíku. V malých podílech přistupují i další prvky. Složení kolísá v důsledku vzájemné mísivosti. V souvislosti s touto proměnlivostí Turmalín, je turmalín barevně rozmanitější než kterékoliv jiné drahé kameny. ideální krystal (viz str. 26/8) Pro strukturu turmalínu je charakteristickým motivem šestičlenný kruh tetraedrů v polární orientaci, tj. s jednou plochou přibližně ve společné rovině, kolmé k vertikále a s „vrcholy“ mířícími vzhůru, tj. v kladném směru s c0 . Vnější kationty typu Al a Mg mají koordinaci oktaedrickou, B má koordinaci trojčetnou planární, kolmou k c0. Velký kationt je obklopen devíti O a jedním (OH). Turmalín krystaluje ve štíhlých sloupcích s trojúhelníkovým průřezem Barvy turmalínů jsou velmi různé podle chemického složení. Nejobecnější odrůdou turmalínu je černý skoryl, bohatý železem, a v klenotnictví používaný jen občas. Naopak nejvzácnější je bezbarvý achroit , který pro svou bezvýraznost nepřichází jako drahý kámen prakticky v úvahu. Turmalíny s převahou hořčíku bývají hnědé (dravit), s podstatnými podíly lithia růžové (rubelit) nebo modré (indigolit), jejich směsi s hořečnatými sloučeninami zelené. Turmalín však bývá i nejpestřejším drahým kamenem, protože na jediném krystalu se mohou barvy velmi nápaditě střídat. Toto střídání barev v pruzích označujeme jako zonálnost. Barva krystalu může být v různých směrech různá. Tento jev nazýváme pleochroismus. Turmalín mívá ze všech drahých kamenů pleochroismus nejintenzivnější. Na mnoha průhledných turmalínech jej můžeme pozorovat pouhým okem. 3.5.2 Výskyt Nejbohatší naleziště drahokamových odrůd turmalínu jsou v pegmatitech Severní Ameriky. Dokonalé sloupcovité krystaly rubelitu byly známé zejména z okrsku Pala v oblasti San Diego a z pohoří Mesa Grande v Kalifornii, další naleziště jsou na Madagaskaru, Uralu, Srí Lance, Mosambiku a v Barmě. U nás se lithné turmalíny nachází na záp.Moravě: Rožná u Bystřice n. Pernšt., Puklice a Jeclov u Jihlavy, Dobrá Voda u Velkého Meziříčí, v Čechách u Sušice; skoryly pak v Dolních Borech a Cyrilově u Velkého Meziříčí a u Písku.

13

Jan Helebrant


3.5.3 Technické využití Do Evropy turmalín přivezli holandští mořeplavci v roce 1703 ze Srí Lanky jako načervenalý kámen, nacházený na Dálném východě v bohatých náplavech. Vynikal zvláštní vlastností. Při rozpálení nad ohněm přitahoval částečky popela (zahřátím byla vzbuzena polární elektřina). Každý sloupcovitý krystal turmalínu se zahříváním nebo stlačením stává na jednom konci kladně, na druhém záporně nabitý. Jedná se o pyroelektrické a piezoelektrické vlastnosti turmalínu.Tyto vlastnosti nejsou u nerostů obvyklé. Pólovou odlišnost krystalů způsobuje zvláštní nesouměrné uspořádání stavebních částic v krystalech turmalínu podle osy. Turmalín také ve směru kolmém k svislé ose silně pohlcuje procházející světlo, ve směru svislé osy nikoli. Tento jev je nazýván dvojbarevnost neboli dichroismus. Lze ho pozorovat u průsvitných a průhledných krystalů, u černě zbarvených turmalínů jen v tenkých řezech. Destičky z turmalínu se používají jako polarizační filtry. Vyrábějí se z nich tzv. turmalínové klíšťky, zvláště dříve používané v klenotnictví k určování některých drahých kamenů. Dále se používá v radiotechnice. Z téhož důvodu nachází turmalín uplatnění i v ultrazvukové technice a při stabilizaci nosné frekvence rozhlasových přijímačů.

3.6 Zirkon 3.6.1 Vlastnosti Název zirkon je odvozen z arabských slov zar = zlato a gun = barva. Krystaluje v čtverečné soustavě. Chemicky se jedná o ZrSiO4 s častými příměsemi jiných prvků, zejména železa, hořčíku, hliníku, stroncia, hafnia, tantalu atd. Barva hnědá, červenohnědá, žlutohnědá, vzácněji je zelenavý, nebo čirý; má diamantový lesk. Má tvrdost 7 – 8, hustotu 4,7g/cm3. Struktura zirkonu má nezávislé tetraedry SiO4 spojené prostřednictvím atomů Zr mezi osmi O, čtyři bližší a čtyři vzdálenější. Krystaly zirkonu jsou obvykle sloupcovité s jednoduchými krystalovými tvary čtverečné soustavy. Krásné průhledné krystaly jasných barev a vysokého třpytu byly známy už ve starověku a oblibu si získaly především v Asii, ovšem většinou se neodlišovaly od ostatních drahých kamenů, které byly rozdělovány hlavně podle barev. Hyacint je červenooranžová odrůda zirkonu, zvlášť oblíbená v 15. a 16. století a také v třicátých letech 19. století. Zářivá barva tohoto drahokamu vynikne při briliantovém brusu, kdy se uplatní nápadný třpyt. Jargon (žargon) je žlutý zirkon rovněž diamantového lesku, který byl dlouho nazýván siamský diamant a za diamant byl také považován. V náplavech Srí Lanky, blízko města Mátara se nacházejí čiré zirkony, nazývané podle místa nálezu mátara-diamanty. Starlit ( jako hvězda jiskřící ) je patrně nejkrásnější odrůdou zirkonu. Má sytě modré nebo modrozelené zbarvení, které bývá přírodní, ale lze ho dosáhnout i termochemickou reakcí hyacintů z Kambodže. Tyto starlity byly zvlášť oblíbené v 19. století, ale jejich krásně modrá barva časem mizí(viz str. 26/3).

14

Jan Helebrant


3.6.2 Výskyt Zirkon je častá akcesorická (vedlejší, přídavná ) součást vyvřelých hornin Krystaly zirkonu jsou zpravidla drobné, v průměru mívají pouze několik milimetrů. Jen vyjímečně se vyskytují exempláře o hmotnosti několika desítek karátů. Nejznámější české zirkony jsou z Jizerské louky, z pyropových štěrků na úpatí Českého středohoří a z náplavů Otavy(velikost 3-10mm). Nejvýznamnější naleziště drahokamových zirkonů jsou v náplavech Srí Lanky a Thajska( Mongka ). Menší naleziště jsou Mias na Uralu, Cerro de Caldos v Brazílii a Henderson Co. V Severní Karolíně. Pro technické účely se zirkon těží především v Indii ( Travancore ), Austrálii a Brazílii. Evropské výskyty, jako jsou Pfitsch v Tyrolsku nebo Langesundfjord v Norsku, nemají velký význam.

3.6.3 Technické využití Zirkon obsahuje 67,1% ZrO2 a tím patří mezi hlavní suroviny pro získávání oxidu zirkoničitého, zirkonia, a přidruženého hafnia. Přímé použití má zirkon pro výrobu žáruvzdorných materiálů, jako kalicí látka v glazurách, při tavení speciálních skel aj. Zirkonium se využívá při konstrukci jaderných reaktorů, v moderní metalurgii, v ocelářství – slitiny zirkonia s křemíkem a železem, v elektrotechnice – do elektronek, v optoelektronice – snímací elektronky ve speciálních kamerách, při přípravě bleskového světla a pro fotografování. Některé sloučeniny a slitiny zirkonia se užívají pro jejich vysokou teplotu tání a chemickou odolnost.Vyrábějí se z nich keramické kelímky, smalty, dále jsou důležité ve sklářství, při výrobě chirurgických nástrojů atd. Nacházejí uplatnění i ve spalovacích komorách raket. Hafnia obsahuje zirkon obsahuje někdy až kolem 4% a je tak jediným zdrojem tohoto dalšího vzácného kovu, užívaného zatím jen ve slaboproudém elektrotechnickém průmyslu.

3.7 Křemen 3.7.1 Vlastnosti Název křemen je slovanského původu, je znám i u jiných slovanských jazyků a původně byl odvozen z latinského slova crystallus = čirý, použitého v novověku k obecnému označení geometrických tvarů, které omezují krystalované nerosty. Chemicky je křemen SiO2, nejčastěji krystaluje v trigonální soustavě, má tvrdost 7 a hustotu 2,65g/cm3. Stavební jednotkou struktur modifikací SiO2 je skupina Křemen,ideální krystal (viz str.26/8)

15

Jan Helebrant


čtyř kyslíkových iontů nejtěsněji směstnaných, takže jejich středy leží ve vrcholech tetraedru. Mezi čtyřmi kyslíky je malá tetraedrická dutina, obsazená kationtem Si4+, který sytí jen jednu valenci každého kyslíku tetraedrické skupiny, takže tetraedry se mohou navzájem spojovat svými vrcholy ( společnými kyslíky různými způsoby. Příklady vidíme nejen ve strukturách různých modifikací SiO2, ale zejména u křemičitanů. Bezvodý oxid křemičitý SiO2 má několik modifikací s různou strukturou: křemen nižší ( α křemen ) trigonální a nad 573oC, křemen vyšší ( β křemen ) hexagonální; tridymit nižší kosočtverečný, pseudohexagonální, při suchém zahřívání nad 870 oC se mění na vyšší hexagonální; cristobalit nižší tetragonální, pseudokubický, při suchém zahřívání nad 1470 oC se mění na vyšší krychlový. Těžké modifikace vyrobené za vysokých teplot a tlaků a později nalezené v přírodě, coesit a stišovit s rutilovou strukturou. Nižší α křemen nazýváme prostě křemen. 3.7.2 Výskyt Křemen je jeden z nejhojnějších nerostů zemské kůry a účastní se plnými 12% samostatně na jejím složení. Vedle toho je něco přes 47% oxidu křemičitého obsaženo v nejrůznějších solích – křemičitanech, které jsou hlavními horninotvornými nerosty. Čirá odrůda křemene se nazývá křišťál a její název pochází z latinského slova crystallus, stejně jako slovo křemen. Římané mluvili o zkamenělém ledu, když měli na mysli nádherné sloupce křišťálu z alpských nalezišť. Domnívali se, a tvrdil to rozvážně sám římský přírodovědec Plinius Starší, že čiré, chladné a dokonale utvářené krystaly křišťálu vznikají vysoko v horách, kde panuje věčný sníh a led, takže led tam zmrzne tak silně, že jeho krystaly ani v nejsilnějším žáru neroztají. Křemen je špatným vodičem tepla. I toto věděli již staří Římané a bohatí patriciové měli ve svých domech velké křišťálové koule, čočky nebo i přírodní krystaly o které si v horkém létě chladili ruce. A tato vlastnost křemene, že je stále chladný, se využívá i dnes pro základní určení jeho pravosti od skleněných imitací.Ve starověku zapalovali křemennými čočkami, jimiž procházel sluneční paprsek, slavnostní ohně a obdobně vypalovali hnisající rány. Známá naleziště jsou v Alpách, Hot Springs v Arkansasu- USA, Brazílie, býv. SSSR- Ural, Japonsko, Austrálie, Barma, a Madagaskar, kde byly nalezeny krystaly s několikametrovým obvodem kolem hranolových ploch. Barevné odrůdy křemene jsou mnohem vzácnější a nikdy nebyly nalézány v takových rozměrech ani množství jako např. křišťály.Je to například fialový ametyst, růžový růženín, kouřově hnědá záhněda, černý morion a žlutý citrín. Fialové zbarvení ametystu je způsobeno nepatrnou příměsí železa a vzniká i radioaktivním ozářením. Ametyst ztrácí zahříváním svou typickou barvu, nejprve zežloutne a při teplotě 575 oC se stane mléčně bílým. Jeho barva vybledne časem i na denním světle. Váže se k němu mnoho pověr, vesměs zdůrazňujících jeho magické vlastnosti. Dokonce i jeho jméno je svázáno s jednou z těchto pověr – a metistos znamená řecky ne opilý, střízlivý. Z toho je zřejmé, že ametyst měl v dřívějších dobách chránit před opilstvím. Ametysty se nacházejí hlavně v Brazílii, USA, Indie, Uralu, Srí Lanky, Japonska a z Afriky. U nás jsou známé lokality jako Kozákov, Hostákov, na Slovensku Banská Štiavnica a další.

16

Jan Helebrant


Citrín je křemen zabarvený oxidem železitým na nejrůznější odstíny žluté – od bledé, citrónové,která mu dala jméno, až po sytě oranžovou a hnědožlutou. V přírodě se nevyskytují příliš často – proto jsou vzácné a často napodobované, obvykle vypalováním hojnějších ametystů a záhněd.Zahřátím brazilských ametystů na 470 oC lze získat světle žluté citríny vyžíháním na 550- 560 oC tmavě žluté a červenohnědé. Některé záhnědy dávají citrínovou barvu již při 300- 400 oC. Nejkrásnější citríny se dovážejí z Brazílie a Uralu. Vyskytují se však také na Madagaskaru, v USA, ve Španělsku a ve Skotsku. Přírodní citríny jeví znatelný dichroismus. Záhněda je krystalová odrůda křemene, význačná kouřově hnědou až černohnědou barvou v různých tónech. Černá, téměř neprůsvitná odrůda záhnědy se nazývá morion. Zbarvení je způsobeno nejspíše uvolněním křemíku při radioaktivním ozáření. Opatrným vypálením na 300-400 oC se toto zbarvení ztrácí. Proslulá naleziště záhněd jsou ve Švýcarsku,dále na Urale, v Brazílii, na Madagaskaru a v Coloradu. U nás nacházíme záhnědy v Dolních Borech u Velkého Meziříčí a na Českomoravské vrchovině, pěkné jsou v Cínovci a na Kozákově.Z Cínovce pochází i pěkné moriony. Nejoblíbenější kusovou odrůdou křemene je růženín s příjemnou růžovou barvou často s odstínem do fialova. Jeho zbarvení je způsobeno malou příměsí manganu a mizí při zahřátí na 575 oC. Také na vzduchu po delší době barva zešedne. Kusové růženíny lze sbírat v Dolních Borech, dříve byly nalézány i v pegmatitech u Písku. V krystalech byl růženín nalezen zatím jen v Brazílii. Odtud a z Madagaskaru pocházejí nejkrásnější růženíny. Bývá též v pegmatitových žílách v Bavorsku a na Urale. Z kusových odrůd křemene dále zaslouží zmínku mléčný a hlavně železitý křemen. Kusový železitý křemen je znám z ložisek železných rud u Hořovic a Rokycan. Zvláštností je avanturín. Jde o kusový křemen s hojnými šupinkami slíd nebo hematitu, což zvyšuje jeho třpyt. Velké oblibě se těšil v Číně zelený avanturín, který tam byl ceněn jako tzv. císařský kámen „Yü“. Avanturín je hojný na Uralu ( okolí Miasu ), na Sibiři, v Tibetu, v Indii a v Evropě ve Štýrsku(viz str.26/3). 3.7.3 Technické využití Křemen má velmi široké použití v technice. Kromě nízké tepelné vodivosti má křemen, konkrétně křišťál také vynikající optické vlastnosti. Vyrábí se z něj křemenné filtry, optické hranoly a čočky používané dnes v nejrůznějších oborech lidské činnosti – do polarizačních mikroskopů k určování nerostů, ve spektroskopii, do hvězdářských dalekohledů apod. Umělé krystaly křišťálu se dnes používají výhradně pro potřeby technické praxe, která vyžaduje nejen dokonale čistý materiál, ale především jednotlivé, nezdvojčatělé krystaly (monokrystaly). Tento požadavek nebývá u přírodních krystalů, které jsou jinak pro klenotnické účely naprosto vhodné, téměř nikdy splněn. Většina z nich jsou totiž zdvojčatělé. Křemen vyniká také v pružnosti. Proto se z něho vyrábí speciální křemenná vlákna, která v poslední době nacházejí uplatnění v nejjemnějších měřicích přístrojích- např. v torzních vahách. Větší čiré krystaly křemene se používají na výrobu piezoelektrických destiček (viz str.29/obr.4). Z jeho početných krystalových modifikací se nejčastěji jako piezoelektrikum používají monokrystaly nízkoteplotního α-křemene. Piezoelektrické vlastnosti krystalů se v technice používají už mnoho let. Jejich nejznámější použití jsou přenosky v gramofonech, které mění mechanické pohyby jehly na gramofonové desce v elektrický proud, který se potom zesiluje a přenáší do reproduktoru. Na

17

Jan Helebrant


podobném principu se piezoelektrické vlastnosti krystalů užívají v ultrazvukové hydroakustice, defektoskopii, při studiu vlastností plynů, kapalin a pevných těles, při měření tlaku a vibrací a při zhotovování stabilizátorů a filtrů rádiových frekvencí v radiotechnice (viz obrazová příloha).Technické požadavky na piezokrystaly jsou velice vysoké; požaduje se, aby krystal obsahoval úsek velký aspoň 12x12x1,5mm bez jakýchkoliv defektů, prasklinek, vrostlic atd. Protože se v přírodních krystalech málokdy podaří najít podobné kousky,používají se v technice stále častěji syntetické krystaly.

18

Jan Helebrant


4. Výroba umělých drahých kamenů Kapitola o umělých drahých kamenech je jednou z nejmladších v nauce o drahých kamenech. Většina drahých kamenů vzniká díky geologickým procesům probíhajícím v zemské kůře za vysokých teplot a tlaků. Aby minerál mohl utvořit pěkný krystal, potřebuje kromě základních geologických podmínek i volný prostor ke svému růstu. Avšak horniny jsou obvykle kompaktní a minerály, které v nich vznikají, mají nepravidelný tvar. Průhledné, tvarem téměř ideální krystaly drahokamů se tvoří v puklinách a jiných dutých prostorách zemské kůry. Při umělém pěstování krystalů v přístrojích se vytvářejí tytéž fyzikálně chemické podmínky, které jsou charakteristické pro přírodní procesy. Do technického jazyka přešly dokonce i některé termíny, které odedávna používali geologové mineralogové, například „hydrotermální podmínky“. Nyní se na celém světě uměle vyrábí velké množství minerálů zejména proto, že celá řada přírodních nalezišť je už vyčerpána. Další příčinou je okolnost, že kvalita přírodních krystalů neodpovídá vždycky technickým požadavkům – přírodní krystaly bývají malé, s prasklinami, vrostlicemi, anebo jsou příliš drahé. V některých případech si technika žádá dokonce krystaly minerálů, které v přírodě neexistují, a nezbývá nic jiného, než je uměle zhotovit. S prvními pokusy o umělé získání minerálů začali lidé už velmi dávno. Už ve středověku se alchymisté s pomocí kamene mudrců pokoušeli přeměnit jednoduché látky v drahé kameny a drahé kovy. Ale to všechno byly pokusy s nevhodným prostředím, neboť alchymisté neměli představu o zákonitostech struktury látek. Úspěch se dostavil teprve tehdy, když byl dostatečně prozkoumán proces vzniku minerálů. Nyní existuje celá řada způsobů, jak krystaly uměle vypěstovat. Výchozí látka může být pevná,rozpuštěná nebo roztavená, může být dokonce i v plynném stavu. Z více než 3000 minerálů, které v přírodě existují, se synteticky podařilo získat už několik set, z niž mnohé úspěšně nahradily přírodní. První úspěchy ve výrobě drahých kamenů byly převratným objevem, uvážíme-li že se náhle naskytla možnost uměle vyrábět i některé nejvzácnější drahé kameny (např. rubíny a safíry) z poměrně levných a snadno dostupných surovin. Tak například vyrobení syntetického rubínu nebo safíru stojí jen několik desítek korun, kdežto tytéž drahé kameny přirozeného původu mohou stát daleko více. Nové poznatky vědy umožnily konečně to, o čem dávno snili a oč se marně pokoušeli středověcí alchymisté.

19

Jan Helebrant


4.1 Diamant Syntéza diamantu byla odedávna lákavým problémem. I dnes, kdy je úspěšně vyřešena, není ještě v tom stupni vývoje, aby plně uspokojila potřebu diamantů pro technické účely, tím méně pak pro účely klenotnické. Připojený diagram ukazuje, jak problematická je syntéza diamantu. Transformace šesterečného uhlíku (grafitu) na krychlový diamant probíhá totiž za extrémě vysokých teplot a tlaků.

Teplotně tlakový diagram stability polymorfních modifikací uhlíku C. Plnou čarou jsou zakresleny bezpečně známé hranice polí stability jednotlivých modifikací, čárkovaně hranice známé nepřesně nebo hranice předpokládané. Snahy o syntézu diamantu byly dlouho bezúspěšné. Zdá se, že jako první dospěl k cíli Angličan J. B. Hannay roku 1880. Pracoval s bombami zhotovenými svinutím a skováním speciálního železa, protože při výrobě diamantu je nutný vysoký tlak. Bomby byly naplněny směsí parafínového a kostního oleje, alkalického kovu (lithia) a sazí. Když bomby vyžíhal, nalezl v některých krystalky diamantu vzniklé ze sazí. Jinak připravil diamanty Francouz Moissan roku 1892. Rozpouštěl uhlík v roztaveném železe a taveninu prudce ochlazoval. Železo se při tuhnutí smršťuje, čímž vzniká vysoký tlak. Za těchto podmínek přimíšený uhlík vykrystaloval někdy v podobě drobných diamantů. Nadějné byly i pokusy Rakušana českého původu Karabáčka, který úsilí o přípravu diamantů věnoval celý svůj majetek. Jeho postupům, z nichž jeden je založen na krystalizaci ze směsi roztaveného kovu a křemičitanu při teplotě 1000 oC a tlaku až 1500 MPa, věnovala velkou pozornost německá firma Leuna-Werke (viz str.25/4). Podmínky pro ekonomicky výhodnou přípravu diamantů jsou nejen vědecky ale i technicky neobyčejně náročné. Je nutné, aby se pracovní tlak pohyboval kolem 6000-10 000 MPa a teplota mezi 1500-2000oC. Také musí být k dispozici katalyzátory a krystalizační zárodky. Hromadná výroba diamantů byla konečně vyřešena až r. 1955 ve Švédsku a v USA a později i v jiných zemích ( např. v tehdejší SSSR a ČSSR). Krystaly syntetických diamantů mají tvar krychle nebo osmistěnu. Tvrdostí přírodní diamant dokonce převyšují. Výroba kvalitativně vysoce

20

Jan Helebrant


ceněných syntetických diamantů je tak drahá, že se pro klenotnické účely nevyplatí. Takové diamanty by byly dražší, než diamanty přírodní. Za nadějnou je pokládána metoda pěstování diamantů za současného vytváření grafitu a diamantu za teploty 1000 až 1200 oC z uhlíkatého plynu (CH4 nebo CI4). Potom se grafit spaluje ve vodíkovém prostředí a za tlaku 5x105 až 20x105 Pa se získá čistý diamant. Dnes průmyslově vyráběné diamanty jsou zatím velmi drobné a používají se pro technické účely. Jejich výroba kryje především potřeby vrtné techniky a brusných prostředků.

4.2 Korund Výroba syntetického korund se podařila nejdříve a dodnes patří mezi nejrozšířenější. Poprvé byl vyroben Francouzem Gaudinem v roce roku 1837. Od těch dob se tímto problémem zabývali četní badatelé a podařilo se jim vyrobit korund různým způsobem. Po Gaudinově úspěchu zůstávaly však pokusy o syntézu větších korundových krystalů po řadu let bezúspěšné, i když se mnohým badatelům v tomto období zdařila syntéza droboučkých shluků krystalů pomocí nejrůznějších metod. Roku 1882 se na trhu objevily tzv. ženevské nebo švýcarské rubíny Švýcara Dienera Wyse. Byly prý vyráběny stavováním drobných úlomků přírodních rubínů. Od roku 1895 se pak začaly prodávat tzv. rekonstruované rubíny Francouze Michauda. Mezitím, roku 1877, uveřejnil svou práci o rubínu další Francouz E. Frémy, kterým počíná historie skutečných syntetických korundů. Nejdříve se svým žákem Feilem připravoval korundy z roztaveného hlinitanu olovnatého, který reagoval se stěnou šamotového kelímku za vzniku krystalů rubínu. Později s Verneuilem tavil oxid hlinitý s fluoridy a dichromanem draselným. Největší získané krystaly rubínu dosáhly váhy desetiny gramu. Jejich kvalita byla však taková, že jen zkušení odborníci je dovedli rozeznat od přírodních rubínů. Tuto svoji metodu uveřejnil Frémy roku 1891. Je zajímavé, že jeho rubíny vykazují krystalové tvary naprosto shodné s rubíny přírodními. Shodné jsou i všechny optické vlastnosti. Jak známo, pochází krásná červená barva rubínu od příměsi chromu; u Frémyho rubínu je barvivem chrom z dichromanu. Koncem minulého století se používal práškový hliník k redukci různých oxidů. Přitom bylo zjištěno, že rozžhaví-li se tento hliník zápalkou z oxidu barnatého, dojde za určitých podmínek k prudké reakci. Hliník redukuje oxid barnatý, a sám se oxiduje na oxid hlinitý. Tak se vytváří korund, který při použití oxidu chromitého dostane červenou barvu. Později se tímto procesem získaly i krystaly dosti velké i pěkně rubínově zbarvené. O jejich kvalitě se dozvídáme z přednášky prof. Vrby z roku 1907. I jemu byly tenkrát předloženy jako našemu tehdejšímu největšímu znalci drahých kamenů.Hustota, tvrdost i lom světla plně odpovídaly přírodnímu rubínu. Při bedlivém prozkoumání pod mikroskopem bylo však zjištěno v jednom z obou kamenů několik drobných dutinek seskupených v chomáčky, jaké se nikdy nevyskytují v přírodních kamenech, a které prokazují vznik z roztavené hmoty. V druhém kameni byly šmouhy, opět dokazující vznik z taveniny. Roku 1900 vystavil Paguier v Paříži umělé rubíny, které se barvou i leskem vyrovnaly nejskvostnějším rubínům přírodním. Zároveň také většinou také nevykazovaly znaky svědčící o jejich umělé výrobě. Vzbudily mimořádnou pozornost a bylo záhadou, jak byly vyrobeny. V Paříži se v té době již zmíněné rekonstruované rubíny. Převládal tedy názor, že jde o kameny vyrobené touto metodou. Vědělo se 21

Jan Helebrant


však, že surovina těchto kamenů nemá podobu krystalů, ale kapek. Z toho bylo možno naopak usuzovat, že byly vyrobeny nějakou novou, dosud zcela neznámou metodou. Zároveň s rubíny se v Paříži objevily i umělé safíry. Většina z nich však byla pouze safírovým sklem snadno rozeznatelným od přírodních kamenů. Neobvyklý tvar suroviny nových umělých korundů tedy prozrazoval, že byly vyrobeny metodou zcela odlišnou od všech předchozích metod. Byla to metoda Verneuilova, dnes všeobecně používaná jak k výrobě šperkových kamenů, tak i k výrobě většiny kamenů technických. Francouzi A. Verneuilovi se podařilo, díky předchozím zkušenostem při práci s Frémym a zkušenostem celé předchozí francouzské školy, vyřešit problém syntézy korundu skutečně geniálním způsobem. Stalo se tak již v r. 1891 ve spolupráci s Paguierem, pozdějším pořadatelem zmíněné výstavy. Princip Verneuilovy metody můžeme definovat jako postupnou krystalizaci z taveniny bez použití kelímku. Při krystalizaci je tavenina na povrchu rostoucího kamene stále doplňována, takže se nevytvářejí krystalové plochy. Výchozí látka, jemně práškovitý oxid hlinitý se připraví vyžíháním hlinitoamonného kamence (síranu). Získaný oxid propadává hořákem, taví se a padá na krystalový zárodek. Syntetický korund tedy narůstá obdobně jako krápník- stalagmit. Jeho rozměry jsou dány pracovními podmínkami, zejména velikostí plamene (viz str.29/obr.5). Od r.1902, kdy byl postup zveřejněn, rostly požadavky na syntetické korundy zcela překvapivě. Výroba a výzkum v tomto oboru se přirozeně soustřeďovaly na místa a státy s nejlepšími ekonomickými prostředky, tj. s levnými zdroji kyslíku a vodíku. V první fázi přicházela do úvahy pouze místa s levnou elektrickou energií pro elektrolýzu vody. Ve Francii to byly zejména Savojské Alpy. Odtud se zásluhou jednoho z Verneuilových žáků rozšířila i do přilehlého Švýcarska. Velice brzy nato byla Verneuilova metoda v rámci licence převedena do Německa. To již šlo o období těsně před 1. světovou válkou, kdy strategický význam syntetického korundu rostl. V dalším rozšíření této metody na jiné státy hrály hlavní roli opět strategické a ekonomické důvody. Francie byla obsazena Německem, Švýcarsko obklíčeno, ale potřeba ložisek do palubních přístrojů (leteckých a lodních) rostla. Byla zavedena výroba v Anglii, USA a v tehdejším SSSR, později i u nás v Benátkách nad Jizerou. Korundy vyráběné Verneuilovou metodou mohou mít nejrůznější barvy, dosažené přidáním různých příměsí. Oxid nikelnatý barví žlutě, chromitý červeně, železnato-železitý modře atd. Kameny vyhovují účelům šperkařským a jsou vhodné i pro většinu technických použití. Pro některé technické účely se však se však korund vyrábí i jinou cestou. Jde buď o některé speciální účely, nebo naopak o nejjednodušší a nejméně náročnou výrobu korundu jako brusiva (abraziva). K tomuto účelu se vyrábí v elektrických pecích z bauxitu jako tzv. elektrit (u nás v ČR firma Electrite, Benátky nad Jizerou) .

4.3 Křemen Syntetická výroba křišťálu slouží výhradně technické praxi. Ta vyžaduje dokonale čistý materiál a ideálně dokonalou vnitřní stavbu krystalu. Není daleko doba, kdy přírodní naleziště takových krystalů křišťálu budou vyčerpána. Je proto pochopitelné, že výzkumu syntézy křemene je věnována velká pozornost. K šperkovým účelům se vyrábí ametysty a citríny. Ty ale nebývají příliš časté a jedná se spíše o výjimku.

22

Jan Helebrant


Umělé krystaly křišťálu se získávají v hydrotermálních podmínkách, za nichž vznikají krystaly z „horké vody“. Krystaly rostou ve zvláštních válcovitých nádobách – autoklávech, vysokých několik metrů (viz obrazová příloha). Autoklávy jsou vyrobeny z vysoce kvalitní nerezové oceli. To proto, aby se v autoklávu nemohla vytvořit rez, která, kdyby se dostala do rostoucího krystalu, by mohla způsobit různé nežádoucí kazy. Ve spodní části válce (autoklávu) je umístěn křemenný písek, kterým prosakuje voda s přídavkem alkálií. Proces probíhá při teplotě několika set stupňů Celsia a za vysokého tlaku. Za těchto podmínek se oxid křemičitý ve vodě rozpouští a vytváří nasycený roztok, který omývá malý zárodečný krystal křemene umístěný v horní části autoklávu. Krystal roste několik měsíců, ve zvláštních případech i několik let. Technologické požadavky jsou při tomto procesu dost náročné: teplotní režim se například nesmí změnit během celé doby růstu krystalu ani o setinu stupně. V takových podmínkách se dají vypěstovat krystaly křišťálu o hmotnosti až 15 kg. Současná spotřeba syntetických krystalů křišťálu je ve všech technicky vyspělých státech mimořádně vysoká. Pouze v USA se např. v roce 1976 spotřeba křemenných krystalů pohybovala okolo 3000 tun ročně, což tehdy odpovídalo ceně 18 milionů dolarů. Podobně velká spotřeba byla i v tehdejším SSSR.

4.4 Beryl – smaragd První zmínky o syntéze smaragdu jsou z poloviny 19. století. Francouz J. J. Ebelman získal prý roztavením berylu s kyselinou boritou a malým množstvím oxidu chromitého jehlice smaragdu. Skutečná syntéza smaragdu se však zdařila až koncem 20. let 20.století v Německu. Roku 1942 byla prozrazena a smaragdy se začaly vyrábět i jinde. Metoda byla zveřejněna teprve 1960 H. Espigem v tehdejší NDR. Princip spočívá v tom, že se oxid křemičitý, berylnatý a hlinitý smísí v příslušném poměru a taví. Jako barvicí příměs se používá chroman lithný. Syntetické smaragdy se používají výhradně pro šperkařské účely. U nás se průmyslově nevyrábí a nikdy se nevyráběly.

Následujících šest drahých kamenů se až na rutil ( Titania) a moissanit vůbec nevyskytuje přírodě. Používají se jako náhražky diamantu, dále v optice, vojenství atd.(viz str.25/5,10,11). 4.5 Zirkonia Má chemický vzorec ZrO2.Y2O3 , tvrdost 8,5 a hustotu 5,7. Krystaluje v krychlové soustavě. Kámen je bezbarvý, průhledný s pestře hrajícím barevným jiskřením a diamantovým leskem. 4.6 YAG Zkratka anglického yttrium aluminium garnet = ytritohlinitý granát. Má vzorec Y3Al5O12, tvrdost 8, hustotu 4,57 a krystaluje v krychlové soustavě. Je bezbarvý, velmi pestrobarevně jiskří. Průhledný, diamantově lesklý. Optické vlastnosti jsou vynikající. Na mezinárodních trzích se prodává pod různými jmény, např. jako astrolit nebo kosmolit. V přírodě se nevyskytuje.

23

Jan Helebrant


4.7 Fabulit Chemicky SrTiO3. Má tvrdost 6-6,5, hustotu 3,2-3,4. Krystaluje v krychlové soustavě. Je bezbarvý, průhledný, barevně jiskří, má diamantový lesk. 4.8 Titania Má vzorec TiO2, tvrdost 6 a hustotu 4,2-4,3 a krystaluje v čtverečné soustavě. Je bezbarvý, průhledný s velmi pestrobarevným jiskřením, má diamantový lesk. Titania je obchodní název pro syntetický rutil americké výroby. Rutil se jinak vyskytuje i v přírodě. Ve výrobě rutilu zaujímá jedno z prvních míst tehdejší ČSSR. Jeho první krystaly byly u nás vyrobeny roku 1942 V. Přistoupilem Verneuilovou metodou. Rok nato bylo nutno pokusy přerušit. Do konce války byla výroba zastavena a mezitím byla syntéza rutilu vyřešena i v USA. 4.9 Galliant Chemicky Gd3Ga5O12, má tvrdost 6-6,5 a hustotu 7,05. Je bezbarvý se zcela nepatrným nahnědlým nádechem, průhledný, diamantově lesklý, dvojlomný. Krystaluje v čtverečné soustavě. 4.10 Moissanit V přírodě byl objeven nejprve (roku 1895) v těsné blízkosti železného meteoritu nalezeném v americkém Ďáblově kaňonu. Název dostal podle nálezce Henriho Moissana. Moissan, pozdější držitel Nobelovy ceny, zjistil, že nový nerost, chemicky karbid křemíku krystalující v šesterečné soustavě se tvrdostí blíží diamantu. Šťastný nálezce však na svém nálezu rozhodně významně nezbohatl. První nález totiž tvořily jen drobné černé modře prosvítající tabulky. Pár dalších vzorků se našlo také u sibiřské řeky Viljuj, něco dokonce i u nás v ČR komínové brekcii u Starého u Třebenic. Moissanit tvoří drobné tabulky, je šedozelený či modrozelený, silně kovově až téměř kovově lesklý. T = 9,5, hustota = 3,22 g×cm-3. Vzácná akcesorie kimberlitů, vulkanických brekcií, meteoritů a aluvií. Nerost se brzy podařilo vyrobit synteticky a moissanit se uchytil v průmyslu. Nejprve byl používán jako brusný prášek zvaný karborundum. V šedesátých letech se pak krystaly syntetického moissanitu začaly používat v počítačovém průmyslu, hlavně díky jejich vynikajícím polovodivým vlastnostem. Dále se používá na výrobu speciálních keramických materiálů, řezných nástrojů a speciálních ložisek. O mnoho let později se na trh dostal i šperkařský moissanit – od diamantu skoro k nerozeznání - slabě nažloutlý nádherný kámen. Používá se také jako náhražka diamantu a ani mnohé testery ho od diamantu nerozeznají (viz str.28/obr.7).

24

Jan Helebrant


5. Všeobecné porovnání vlastností syntetických a přírodních drahých kamenů Rozlišování přírodních a syntetických drahých kamenů je velmi důležité hlavně ve šperkařství, protože syntetické kameny bývají zpravidla mnohem levnější. Všude tam, kde máme podezření na umělý drahý kámen, musíme si uvědomit, že syntetické kameny mohou napodobovat jednak nerosty téhož chemického složení, jednak nerosty sice obdobné barvy, avšak jiného chemického složení. V prvním případě může být ověření velmi obtížné, v druhém je poměrně snadnější s použitím nám již známých metod. Rozlišování pravých a syntetických rubínů a safírů je mnohdy dost nesnadné, protože syntetické a přírodní rubíny a safíry mají tytéž fyzikální a chemické vlastnosti. Je proto třeba zjistit pod mikroskopem způsob růstu krystalů podle růstových vrstviček. Přírodní krystaly jsou tvořeny vrstvami v krystalových rovinách, vrstvy syntetických korundů jsou obloukovité. Přírodní kameny obsahují mikroskopické vyrostlice a uzavřeniny, které nejsou v syntetických kamenech běžné. Pokud jsou, bývají rozptýleny nepravidelně. V syntetických kamenech se naopak spíše vyskytují bublinky plynu. Syntetické korundy napodobující kameny jiného složení se určují snadněji. Při rozlišování syntetických smaragdů od přírodních je nutno vycházet z jiných kritérií než u korundů. Syntetické smaragdy utvářejí totiž plochami omezené krystaly, nikoliv hruštičky. Přírůstkové vrstvy mají proto shodné s kameny přírodními. Jsou však rozlišitelné charakteristickými vrostlicemi a jejich orientací do podoby tzv. praporů, stejně jako odlišnou luminiscencí v ultrafialovém záření.

25

Jan Helebrant


6. Závěr Drahé kameny, ať přírodní nebo syntetické, se staly nedílnou součástí našeho života. Mají široké spektrum použití v mnoha oborech vědy i průmyslu a umožnily vznik nových technologií, bez kterých by nebyl možný tak rychlý technický pokrok. Bez těchto „kamenů“ by nebyl možný tak intenzivní rozvoj mikroelektroniky, výpočetní a komunikační techniky, která je základem rozvoje dalších oborů. Drahé kameny jsou od pradávna předmětem lidské marnivosti a touhy po krásných věcech. Různé šperky, přívěšky a brože obsahující drahokamy, hrajícími různými barvami, a většinou vysoké ceny, zdobily nejvyšší vrstvy společnosti od nepaměti.

26

Jan Helebrant


7. Použitá literatura: 1.Jan H. Bernard, Rudolf Rost a kol. Encyklopedický přehled minerálů – Academia , Praha 1992 2.Jaroslav Bauer, František Tvrz Minerály- barevný průvodce – Artia , Praha 1988 3.Vitalij J. Sobolevskij, Vladimír Bouška Klenoty přírody – drahé kovy, kameny, šperky- Lidové nakladatelství, Praha 1990 4.Vladimír Bouška, Jiří Kouřimský Drahé kameny kolem nás - Státní pedagogické nakladatelství, Praha 1979 5.Vladimír Bouška, Jiří Kouřimský Atlas drahých kamenů - Státní pedagogické nakladatelství, Praha 1985 6.František Slavík, Jiří Novák, Jaroslav Kokta Mineralogie - Academia , nakladatelství ČSAV, Praha 1974 7.Ing. Dr. Jiří Trůneček Radiotechnika od A do Z - Nakladatelství Jos. Hokr v Praze 1940, 2. vydání 8.Encyklopedie Diderot – verze 2002 9.AEU – Journal of Asia Electronics Union 6/1984 - Dempa Publications Inc. Tokyo ,Japonsko 10. Rupert Hochleitner Kapesní atlas – Drahokamy a šperkové kameny – nakladatelství Slovart, Praha 1995 11. Internet

27

Jan Helebrant


28

Jan Helebrant


Obr. 4

Obr. 5

29

Jan Helebrant


Obr. 6

Obr.7

Diagram tepelné vodivosti v pro různé materiály používané ve šperkařské praxi.

30

Jan Helebrant


Stupnice tvrdosti Mohsova stupnice

Typický materiál

1

mastek

2

sůl kamenná (halit)

3

kalcit

4 5

fluorit apatit

6

živec

7

křemen

8 9

topaz korund

10

diamant

grafit, alabastr, křemelina kaolinit, galenit, slída, (nehty) mramor, serpentin aragonit, dolomit asbest, opál, okenní sklo magnetit, achát, pyrit, (nožířská ocel) pazourek, olivín, andalusit, turmalín smirek safír, karbid křemíku, karbid wolframu

Mohsova stupnice tvrdosti minerálů F. Mohse byl profesorem mineralogie ve Vídni a podle jeho stupnice se všechny minerály dělí na deset skupin s tvrdostí od 1 do 10. Stupnice je ale pouze srovnávací a nevystihuje poměry mezi tvrdostmi jednotlivých minerálů.

31

Jan Helebrant


krystal berylu (akvamarín)

turmalín - rubelit

32

Technické využití drahých kamenů

Recommend Documents