Phòng giám định dùng chất lỏng nặng, tức các chất lỏng có tỉ trọng lớn hơn nước nhiều lần, để biết nhanh tỉ trọng của một viên đá nằm trên hay dưới một mốc đã biết: đá nổi là nhẹ hơn chất lỏng, lơ lửng là xấp xỉ bằng, chìm là nặng hơn. Phương pháp này nhanh, dùng được với đá nhỏ, nhưng các chất lỏng truyền thống đều độc nên chỉ là việc của phòng lab có thiết bị an toàn.
Cách cân thuỷ tĩnh với nước, vốn làm được với cân điện tử, đã được nhiều nơi hướng dẫn. Bài này nói về phần còn lại: chất lỏng nặng là gì, phòng lab dùng chúng thế nào, vì sao cách làm này hợp với đá nhỏ và lô đá lẫn, giới hạn của nó, và lý do bạn không nên tìm mua hay thử ở nhà.
Tỉ trọng và vì sao nó là phép thử cổ điển
Tỉ trọng là tỉ số giữa khối lượng một viên đá và khối lượng của một thể tích nước bằng thể tích viên đá. Thạch anh có tỉ trọng khoảng 2,65, nghĩa là nặng gấp chừng hai lần rưỡi một khối nước cùng kích thước. Corundum khoảng 4,0; spinel khoảng 3,6; beryl khoảng 2,7; topaz khoảng 3,5; kim cương khoảng 3,52. Con số này ít thay đổi trong cùng một loài, nên là một dấu hiệu nhận dạng ổn định.
Tỉ trọng đặc biệt hữu ích khi tách những cặp đá trông giống nhau nhưng nặng nhẹ khác hẳn. Ví dụ, topaz không màu và thạch anh không màu nhìn qua có thể na ná, nhưng tỉ trọng chênh nhau rõ. Một viên kim cương và một viên zircon cubic cùng kích thước thì zircon cubic nặng hơn khá nhiều. Người buôn đá lâu năm cầm viên đá trên tay đã cảm được phần nào khác biệt này, phép đo chỉ biến cảm giác thành con số.
Có hai cách đo tỉ trọng trong ngọc học. Cách thứ nhất là cân thuỷ tĩnh: cân đá trong không khí, cân đá khi nhúng trong nước, rồi chia. Cách thứ hai là dùng chất lỏng nặng: không đo con số chính xác, mà so viên đá với chất lỏng có tỉ trọng đã biết. Cách thứ hai nhanh, hợp với đá rất nhỏ mà cân thuỷ tĩnh khó chính xác, và hợp để tách một lô đá lẫn.
Chất lỏng nặng là những chất gì
Các hợp chất halogen hữu cơ. Truyền thống, phòng lab dùng các chất lỏng chứa brom hoặc iod gắn với cacbon, có tỉ trọng từ khoảng 2,9 đến khoảng 3,3. Chúng đặc, trong, bay hơi chậm, nhưng độc qua đường hô hấp và qua da, có mùi, và phải dùng trong tủ hút.
Dung dịch muối kim loại nặng rất độc. Để có tỉ trọng trên 4, trước đây người ta dùng một dung dịch muối của kim loại nặng có độc tính rất cao. Nhiều phòng giám định đã bỏ hẳn loại này vì rủi ro quá lớn so với lợi ích.
Dung dịch muối vô cơ ít độc hơn. Ngày nay có các dung dịch muối tan trong nước, ít độc hơn đáng kể, tỉ trọng điều chỉnh được bằng cách thêm nước, thường dùng trong địa chất và một số phòng ngọc học. Chúng vẫn là hoá chất phòng thí nghiệm, cần găng tay và thải bỏ đúng cách.
Chất chỉ thị. Để biết chính xác tỉ trọng của chất lỏng trong lọ tại thời điểm dùng, phòng lab thả vào đó một mảnh khoáng vật đã biết tỉ trọng, gọi là chỉ thị. Nếu mảnh chỉ thị lơ lửng, chất lỏng đang đúng mức; nếu nổi hay chìm, chất lỏng đã bay hơi hoặc bị pha loãng, cần điều chỉnh.
Đọc kết quả: nổi, lơ lửng hay chìm
Bảng dưới minh hoạ cách đọc với một lọ chất lỏng có tỉ trọng khoảng 3,3, mốc hay dùng trong ngọc học nhập môn. Các con số tỉ trọng của đá là giá trị gần đúng theo tài liệu phổ thông.
| Viên đá thả vào | Tỉ trọng thường gặp | Hiện tượng trong lọ 3,3 | Ý nghĩa |
|---|---|---|---|
| Thạch anh | khoảng 2,65 | nổi lên nhanh | Nhẹ hơn chất lỏng rõ rệt |
| Tourmaline | khoảng 3,0 – 3,1 | nổi lên chậm | Nhẹ hơn chất lỏng một chút |
| Phỉ thuý jadeite | khoảng 3,3 – 3,4 | lơ lửng hoặc chìm rất chậm | Xấp xỉ chất lỏng |
| Topaz | khoảng 3,5 | chìm chậm | Nặng hơn chất lỏng một chút |
| Corundum | khoảng 4,0 | chìm nhanh | Nặng hơn chất lỏng rõ rệt |
| Zircon cubic | khoảng 5,6 – 6,0 | chìm rất nhanh | Nặng hơn nhiều |
Tốc độ nổi hay chìm cũng là thông tin: đá có tỉ trọng sát chất lỏng sẽ di chuyển rất chậm. Người giám định quan sát cả hướng và tốc độ, rồi xác nhận bằng một lọ khác có mốc gần hơn nếu cần.
Phòng lab dùng chất lỏng nặng vào việc gì
Công dụng rõ nhất là tách một lô đá lẫn. Ví dụ giả định: một gói đá nhỏ không màu, được cho là topaz, có thể lẫn vài viên thạch anh. Thả cả gói vào lọ chất lỏng có tỉ trọng nằm giữa hai loài, thạch anh nổi lên, topaz chìm xuống. Chỉ vài giây là tách xong, trong khi cân thuỷ tĩnh từng viên li ti mất rất nhiều thời gian và sai số lớn với đá nhỏ.
Công dụng thứ hai là kiểm tra nhanh khi khúc xạ kế không đo được, như với đá vượt trần chiết suất. Kim cương và các loại đá giả kim cương có tỉ trọng khác nhau khá rõ, nên một lọ chất lỏng mốc phù hợp cho câu trả lời sơ bộ. Ngày nay việc này chủ yếu do các máy thử chuyên dụng làm, nhưng nguyên lý vẫn được dạy.
Công dụng thứ ba là kiểm tra đá ghép hoặc đá lắp. Một viên trông như corundum mà tỉ trọng thấp bất thường có thể là đá ghép có phần đáy thuỷ tinh hoặc đá rỗng; một viên ngọc có tỉ trọng lệch khỏi khoảng của jadeite có thể là đá khác hoặc ngọc tẩm nhiều nhựa. Tỉ trọng không tự kết luận, nhưng là cờ báo để soi tiếp.
Vì sao đây là việc của phòng lab, không phải việc ở nhà
Chất lỏng nặng là ví dụ điển hình cho một phép đo nghe đơn giản nhưng không nên bắt chước. Lý do không chỉ nằm ở độc tính.
- Độc tính: các chất lỏng truyền thống độc qua hô hấp và qua da, có chất gây hại gan, thần kinh; cần tủ hút, găng tay chịu hoá chất, kính bảo hộ, và người được huấn luyện.
- Thải bỏ: không được đổ xuống cống hay thùng rác thường; phòng lab có quy trình thu gom hoá chất thải riêng.
- Hại đá: đá xốp như ngọc lam, opal, san hô, ngọc trai, đá đã tẩm dầu hoặc nhựa có thể hút chất lỏng, đổi màu, mất độ bóng vĩnh viễn.
- Sai số khi tự làm: không có chất chỉ thị và không kiểm soát nhiệt độ, tỉ trọng chất lỏng thay đổi theo thời gian, kết quả đọc được dễ sai.
- Mua bán hoá chất: nhiều chất trong số này thuộc diện quản lý, không phải hàng tiêu dùng.
- Có cách an toàn hơn: với đá đủ lớn, cân thuỷ tĩnh bằng nước và cân điện tử cho con số tỉ trọng mà không cần hoá chất độc.
Nếu thật sự cần biết tỉ trọng một viên đá nhỏ, cách đúng là gửi đến phòng giám định. Phiếu kết quả thường ghi tỉ trọng hoặc ghi rằng phép đo này đã được dùng để hỗ trợ kết luận.
Giữ mốc chất lỏng ổn định: nhiệt độ, bay hơi và ánh sáng
Một lọ chất lỏng nặng không giữ được tỉ trọng mãi mãi. Tỉ trọng của chất lỏng giảm nhẹ khi nhiệt độ tăng, vì chất lỏng nở ra; một phòng nóng buổi chiều và một phòng mát buổi sáng có thể cho kết quả hơi khác nhau với những viên đá sát mốc. Phòng lab vì thế giữ nhiệt độ phòng ổn định và luôn thả mảnh chỉ thị trước khi đọc kết quả.
Một số chất lỏng bay hơi dần nếu để mở nắp, làm thay đổi thành phần khi chúng được pha trộn từ hai chất có tỉ trọng khác nhau. Một số chất khác ngả màu sẫm khi để ngoài ánh sáng lâu, vì bị phân huỷ một phần, khiến việc nhìn viên đá trong lọ khó hơn và có thể làm bẩn đá. Lọ được đậy kín, cất nơi tối, có nhãn ghi mốc và ngày kiểm tra.
Mỗi viên đá lấy ra khỏi chất lỏng phải được rửa sạch bằng dung môi thích hợp trong tủ hút, rồi lau khô, trước khi đưa sang phép thử khác. Nếu bỏ qua bước này, chất lỏng còn bám có thể làm sai kết quả khúc xạ kế hay quang phổ sau đó, và gây hại cho người cầm đá. Những thao tác nhỏ này giải thích vì sao một phép đo nghe đơn giản lại cần cả một quy trình an toàn phía sau.
Giới hạn của phép đo bằng chất lỏng nặng
Phép đo chỉ cho biết tỉ trọng của đá nằm trên hay dưới mốc của chất lỏng, không cho con số chính xác. Muốn hẹp khoảng hơn, phòng lab phải dùng nhiều lọ với nhiều mốc khác nhau, mỗi lọ lại phải kiểm bằng chất chỉ thị. Đá có tỉ trọng sát mốc cho chuyển động rất chậm, dễ bị dòng đối lưu nhỏ trong chất lỏng làm lệch.
Đá có bọt khí lớn, khe nứt hở hoặc bám bụi có thể nổi khác thường vì bọt khí bám trên bề mặt. Đá đã gắn kim loại không đo được. Đá tổng hợp cùng loài có tỉ trọng như đá tự nhiên, nên phương pháp này không tách được nguồn gốc. Một số loài có khoảng tỉ trọng rộng do thành phần thay đổi, như garnet hay tourmaline, cho kết quả chồng lấn với loài khác.
Vì những giới hạn này, chất lỏng nặng ngày càng ít được dùng ở các phòng giám định lớn, nhường chỗ cho máy phổ cho kết quả nhanh mà không cần hoá chất độc. Tuy vậy, hiểu nguyên lý nổi chìm vẫn có ích cho người đọc phiếu: dòng "tỉ trọng" trên phiếu là một mảnh ghép độc lập với chiết suất, và khi hai mảnh khớp nhau, kết luận về loài đá vững hơn.
Câu hỏi thường gặp
Chất lỏng nặng có mua được để thử đá ở nhà không?
Không nên. Các chất lỏng nặng truyền thống độc qua đường hô hấp và qua da, cần tủ hút, đồ bảo hộ và quy trình thải bỏ riêng; nhiều loại còn thuộc diện hoá chất được quản lý. Với đá đủ lớn, cân thuỷ tĩnh bằng nước là cách an toàn hơn; với đá nhỏ, hãy gửi phòng giám định.
Đá lơ lửng trong chất lỏng nghĩa là gì?
Nghĩa là tỉ trọng của đá xấp xỉ bằng tỉ trọng của chất lỏng tại lúc đo. Người giám định kiểm tra chất lỏng bằng một mảnh chỉ thị đã biết tỉ trọng để chắc rằng mốc vẫn đúng, rồi đối chiếu với các khoảng tỉ trọng của những loài đá nghi vấn.
Chất lỏng nặng có phân biệt được đá tự nhiên và tổng hợp không?
Không. Đá tổng hợp cùng loài có tỉ trọng gần như trùng với đá tự nhiên, ví dụ ruby tổng hợp và ruby tự nhiên đều khoảng 4,0. Phép đo chỉ giúp xác định loài hoặc tách đá lẫn; nguồn gốc phải dựa vào bao thể và các phép phân tích khác.
Vì sao không thả ngọc lam hay opal vào chất lỏng nặng?
Vì đây là đá xốp, có thể hút chất lỏng vào lỗ rỗng, gây đổi màu, mất độ bóng hoặc nứt. Đá đã tẩm dầu, nhựa hoặc lấp khe cũng có rủi ro tương tự. Phòng lab thường chọn phép thử khác cho các loại đá này.
Tỉ trọng trên phiếu giám định đo bằng cách nào?
Tuỳ phòng lab và tuỳ viên đá. Đá đủ lớn thường được cân thuỷ tĩnh để có con số; đá nhỏ hoặc cần sàng lọc nhanh có thể dùng chất lỏng nặng để so với mốc. Nhiều phiếu chỉ ghi kết luận loài đá và không ghi tỉ trọng, vì đó là một trong nhiều dữ kiện hỗ trợ.
Tại sao phòng lab lớn ít dùng chất lỏng nặng hơn trước?
Vì độc tính, chi phí thải bỏ và sự có mặt của các máy phổ cho kết quả nhanh, chính xác mà không cần hoá chất độc. Chất lỏng nặng vẫn có chỗ trong việc tách lô đá nhỏ và trong giảng dạy, nhưng không còn là phép thử trung tâm.
