Extenso (Quimica de Las Piedras Preciosas
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El Color de las piedras preciosas. Seminario de Química 2011. 1 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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El Color de las piedras preciosas. Seminario de Química 2011.
1
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 dx
2-y
2, 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 dx
2-y
2, 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 Be3Al2(SiO3)6 Azul Transición entre Fe+2
y
Fe+3
reemplazando Al+3
en sitios adyacentes a
sitios octaédricos
DIAMANTE C Sin color,
azul pálido
o amarillo
Centro de color de
átomos de N atrapados
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 dz
2, 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 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
Scientific American. The causes of color. October 1980
Pauling, L., General Chemistry, W.H. Freeman, San Francisco, 1947.
Pauling, L., Química General, Aguilar, Madrid, 1977.
