Các nhà khoáng vật học xếp khoáng vật thành lớp theo thành phần hoá học, chủ yếu dựa vào nhóm anion: nguyên tố tự sinh, sunfua, oxit, halogenua, cacbonat, sunfat, photphat và lớn nhất là silicat. Phần lớn đá quý mài giác thuộc hai lớp oxit và silicat; nhiều đá mềm, đá đục dùng làm cabochon hay đồ chạm thuộc lớp cacbonat và photphat.
Cách xếp này không chỉ để thi cử. Lớp hoá học gợi ý khá chính xác viên đá cứng hay mềm, ngại axit hay không, xốp hay chặt. Biết lớp của một viên đá, bạn đoán được phần lớn những điều cần cẩn thận khi mài, khi đeo và khi cất.
Vì sao xếp theo anion chứ không theo kim loại
Trong một khoáng vật, phần anion (nhóm mang điện âm như oxi, nhóm silicat, nhóm cacbonat) thường quyết định khung cấu trúc, còn các kim loại chỉ "ngồi" vào những vị trí trong khung đó và có thể thay nhau. Vì vậy hai khoáng vật cùng anion thường giống nhau về cấu trúc và tính chất hơn hai khoáng vật cùng kim loại. Đồng có mặt trong cả malachite (cacbonat) lẫn ngọc lam (photphat), nhưng hai khoáng vật này được xếp ở hai lớp khác nhau.
Hệ phân loại theo hoá học được các nhà khoáng vật học phát triển từ thế kỷ 19; hai hệ quen thuộc trong sách là hệ Dana và hệ Strunz. Hai hệ chia chi tiết có khác nhau, nhưng ở tầng lớp lớn thì tương đồng. Bài này dùng tên lớp phổ biến, không đi vào mã số của từng hệ.
Một lưu ý: lớp hoá học không thay cho tên loài. Nó là cái "kệ" lớn để đặt các loài lên. Biết một loài nằm trên kệ nào là bước đầu để suy ra tính chất chung trước khi tra bảng chi tiết.
Ngoài các lớp khoáng vật, người làm đá quý còn để riêng một nhóm vật liệu hữu cơ như ngọc trai, hổ phách, san hô, than huyền. Nhóm này không nằm trong hệ phân loại khoáng vật, nhưng có những điểm chung dễ nhớ: thường mềm, nhẹ, ngại nhiệt và hoá chất. Bài này chỉ nhắc để bạn biết chúng đứng ngoài các lớp kể trên.
Các lớp hoá học và đá ngọc tiêu biểu
Bảng gom những lớp có nhiều đá ngọc nhất. Độ cứng ghi theo thang Mohs, lấy khoảng phổ biến trong tài liệu đá quý học; từng mẫu có thể lệch nhẹ.
| Lớp | Đặc điểm thành phần | Đá ngọc tiêu biểu | Độ cứng thường gặp |
|---|---|---|---|
| Nguyên tố tự sinh | Một nguyên tố đứng riêng | Kim cương (cacbon) | 10 |
| Sunfua | Kim loại gắn với lưu huỳnh | Pyrite, sphalerite (đá sưu tầm) | Khoảng 3,5 – 6,5 |
| Oxit | Kim loại gắn trực tiếp với oxi | Corundum (ruby, sapphire), spinel, chrysoberyl, hematite | Corundum 9; chrysoberyl khoảng 8,5; spinel 8 |
| Halogenua | Kim loại gắn với flo, clo | Fluorite | 4 |
| Cacbonat | Có nhóm CO₃ | Malachite, rhodochrosite, calcite; aragonite trong ngọc trai | Khoảng 3 – 4 |
| Sunfat | Có nhóm SO₄ | Thạch cao dạng sợi, baryte, celestine (sưu tầm) | Khoảng 2 – 3,5 |
| Photphat | Có nhóm PO₄ | Ngọc lam, apatite, variscite | Khoảng 5 – 6 |
| Silicat | Có nhóm SiO₄ nối theo nhiều kiểu | Beryl, garnet, topaz, tourmaline, peridot, zircon, thạch anh, feldspar, jadeite | Khoảng 6 – 8 |
Nhìn cột cuối sẽ thấy một xu hướng thô: oxit thường cứng, silicat cứng vừa đến cứng, cacbonat, sunfat và halogenua thường mềm. Xu hướng này có ngoại lệ, nhưng đủ dùng cho phán đoán ban đầu.
Lớp oxit: nơi có những viên đá cứng nhất sau kim cương
Trong oxit, kim loại liên kết trực tiếp với oxi thành mạng chặt. Corundum là nhôm oxit; spinel là oxit của magie và nhôm; chrysoberyl là oxit của beryli và nhôm. Mạng chặt và liên kết mạnh cho độ cứng cao, tỉ trọng tương đối lớn và chiết suất khá cao. Đó là lý do ruby, sapphire, spinel, alexandrite chịu được việc đeo hằng ngày tốt hơn hầu hết đá màu khác.
Oxit cũng có thành viên mềm hơn và đục: hematite cho ánh kim, rutile thường gặp dưới dạng kim trong thạch anh và trong corundum. Kim rutile là một bao thể quen thuộc; khi chúng xếp thẳng hàng theo cấu trúc của tinh thể chủ, chúng tạo hiệu ứng sao ở ruby và sapphire.
Một điểm hay bị hiểu nhầm: thạch anh (silic điôxit) về công thức là một oxit, nhưng cấu trúc của nó là một khung tứ diện silic – oxi nối ba chiều, nên nhiều hệ phân loại xếp thạch anh vào lớp silicat (phân lớp silicat khung). Đây là ví dụ cho thấy hệ phân loại ưu tiên cấu trúc.
Lớp silicat: lớp đông nhất, chia theo cách nối tứ diện
Đơn vị cơ bản của silicat là tứ diện: một nguyên tử silic ở giữa, bốn nguyên tử oxi ở bốn đỉnh. Các tứ diện có thể đứng riêng, nối thành vòng, thành chuỗi, thành tấm hay thành khung ba chiều. Cách nối quyết định khá nhiều tính chất của khoáng vật, và giới khoáng vật học chia silicat thành các phân lớp theo đúng tiêu chí đó.
Tứ diện đứng riêng có olivine (peridot), garnet, zircon, topaz. Tứ diện nối thành vòng có beryl và tourmaline; đây là lý do hai khoáng vật này thường mọc thành lăng trụ dài. Tứ diện nối thành chuỗi có nhóm pyroxene (trong đó có jadeite, spodumene) và nhóm amphibole (trong đó có các khoáng vật tạo nên nephrite). Tứ diện nối thành tấm có mica và các khoáng vật sét, thường mềm và tách lớp. Tứ diện nối thành khung có thạch anh và feldspar.
Đối với người mê đá, phân lớp chuỗi đáng nhớ nhất vì nó giải thích độ dai của ngọc: các khoáng vật dạng chuỗi dễ mọc thành sợi và hạt dẹt đan vào nhau. Phân lớp tấm đáng nhớ vì nó giải thích những mặt tách lớp óng ánh trên đá có mica.
Lớp cacbonat và photphat: đẹp nhưng cần chiều
Cacbonat mềm và ngại axit. Malachite, rhodochrosite, calcite có độ cứng khoảng 3 – 4, dễ trầy khi cọ với bụi cát thông thường. Nhóm cacbonat phản ứng với axit, nên chất tẩy rửa có tính axit, nước chanh hay mồ hôi lâu ngày có thể làm mặt đá mờ đi. Thử axit là việc của phòng lab, không nên làm trên đá của mình.
Ngọc trai cũng chịu chung tính nết. Lớp xà cừ chủ yếu là aragonite, một khoáng vật cacbonat. Vì vậy ngọc trai cũng ngại axit, ngại mỹ phẩm, giống các khoáng vật cùng lớp.
Photphat thường xốp. Ngọc lam và variscite có cấu trúc vi hạt nhiều lỗ rỗng. Chúng hút dầu, mồ hôi, thuốc nhuộm và đổi màu theo thời gian. Đó là lý do ngọc lam rất hay được ổn định bằng nhựa, một xử lý cần được khai báo.
Apatite là photphat trong suốt hiếm hoi. Apatite có thể mài giác, màu xanh lục, xanh lam rất đẹp, nhưng độ cứng chỉ khoảng 5 nên thường được giữ làm mẫu sưu tầm hơn là đeo hằng ngày.
Sunfua, sunfat, halogenua: những lớp chủ yếu dành cho người sưu tầm
Ba lớp này ít khi cho đá đeo được, nhưng lại rất quen thuộc trong tủ mẫu. Pyrite là sunfua sắt ánh vàng kim; sphalerite là sunfua kẽm có tán sắc rất mạnh, mài giác cho lửa đẹp nhưng mềm và có cát khai, nên chủ yếu là đá sưu tầm. Fluorite thuộc lớp halogenua, màu sắc phong phú, độ cứng 4 và cát khai hoàn toàn theo bốn hướng, nên dễ tách vỡ khi va đập.
Lớp sunfat có thạch cao (dạng sợi gọi là satin spar, dạng tinh thể trong gọi là selenite), baryte, celestine. Thạch cao mềm đến mức móng tay có thể vạch được và tan chậm trong nước, nên không hợp để rửa hay đeo. Những mẫu này đẹp nhất khi nằm yên trong hộp.
Biết các lớp này giúp bạn phân biệt một món "đá trang trí" bền với một mẫu sưu tầm cần cất kỹ. Nhiều mẫu đá rất rẻ ngoài chợ thực ra thuộc lớp mềm, và hỏng vì được đối xử như thạch anh.
Lớp hoá học và những kiểu xử lý hay đi kèm
Một điều thú vị là mỗi lớp hoá học có những kiểu xử lý "quen tay" của nó, vì xử lý luôn khai thác điểm yếu hoặc điểm mạnh của cấu trúc. Oxit như corundum chịu được nhiệt rất cao, nên nung là kiểu xử lý phổ biến nhất với ruby và sapphire. Silicat có khe nứt chạm tới bề mặt như emerald thường được lấp dầu hoặc nhựa để khe bớt lộ.
Photphat và đá vi hạt xốp như ngọc lam hay được ổn định bằng nhựa, vì nhựa ngấm vào lỗ rỗng làm đá cứng hơn và màu đậm hơn. Cacbonat mềm như calcite, đá hoa đôi khi được nhuộm hoặc phủ sáp để bóng và lên màu. Đá vi tinh thể thuộc nhóm thạch anh như mã não ăn thuốc nhuộm rất tốt nhờ các lỗ li ti giữa những sợi chalcedony.
Bài này không đi vào cách nhận ra từng kiểu xử lý; phần đó có danh mục riêng trên trang. Ở đây chỉ cần nhớ: khi biết lớp hoá học của một viên đá, bạn đã đoán được nó có thể đã qua kiểu xử lý nào, và đó là câu nên hỏi người bán trước khi trả tiền.
Dùng lớp hoá học để phán đoán nhanh một viên đá
Khi gặp một tên đá chưa quen, bạn có thể đi theo các bước sau trước khi tra chi tiết.
- Tra tên loài và công thức hoá học trong một tài liệu khoáng vật học phổ thông.
- Xác định lớp: có nhóm SiO₄ là silicat; có CO₃ là cacbonat; có PO₄ là photphat; kim loại gắn trực tiếp với oxi là oxit.
- Suy ra độ cứng phỏng đoán theo xu hướng của lớp, rồi kiểm lại bằng bảng tra.
- Ghi chú điểm yếu đặc trưng của lớp: cacbonat ngại axit, photphat xốp, sunfat và halogenua mềm, một số silicat có cát khai.
- Kết hợp với cấu trúc (đơn tinh thể hay đa tinh thể) để đoán độ dai và cách mài hợp lý.
Các bước này không thay được phòng lab, nhưng giúp bạn đặt câu hỏi đúng cho người bán và tránh những thói quen làm hỏng đá. Ví dụ giả định: bạn được mời xem một mặt dây màu hồng cam ghi là rhodochrosite. Tra ra công thức mangan cacbonat, bạn biết ngay đây là lớp cacbonat, độ cứng khoảng 3,5 – 4, ngại axit; vậy món này hợp làm mặt dây đeo dịp đặc biệt hơn là nhẫn đeo hằng ngày, và nên cất riêng khỏi đá cứng.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao kim cương lại nằm riêng một lớp?
Vì kim cương chỉ gồm một nguyên tố là cacbon, không có anion nào đi kèm. Lớp nguyên tố tự sinh gồm những khoáng vật chỉ có một nguyên tố như kim cương, than chì, vàng, bạc, lưu huỳnh tự nhiên.
Lớp silicat có phải lúc nào cũng cứng?
Không. Silicat dạng tứ diện riêng hoặc dạng khung thường cứng, nhưng silicat dạng tấm như mica, talc rất mềm và tách lớp. Độ cứng phụ thuộc cách nối tứ diện và liên kết giữa các phần trong cấu trúc.
Đá thuộc lớp cacbonat có đeo được không?
Đeo được nếu chấp nhận chăm kỹ. Nên đeo ở món ít va chạm như mặt dây, khuyên tai, tránh nhẫn đeo hằng ngày; tránh mỹ phẩm, nước hoa, chất tẩy có tính axit; lau bằng khăn mềm ẩm rồi để khô.
Ngọc lam được xếp vào lớp nào?
Ngọc lam là khoáng vật photphat chứa đồng và nhôm. Cấu trúc vi hạt và xốp giải thích vì sao nó dễ đổi màu khi ngấm dầu, mồ hôi, và vì sao trên thị trường có nhiều ngọc lam đã được ổn định bằng nhựa.
Thạch anh là oxit hay silicat?
Về công thức, thạch anh là silic điôxit nên có thể gọi là oxit. Nhưng cấu trúc của nó là khung tứ diện silic – oxi ba chiều như các silicat khung, nên phần lớn hệ phân loại hiện đại xếp thạch anh vào lớp silicat.
Có cần thuộc hệ phân loại Dana hay Strunz không?
Người mê đá không cần thuộc mã số. Chỉ cần biết tên các lớp lớn và đặc điểm chung của chúng. Mã số chi tiết hữu ích khi tra cứu cơ sở dữ liệu khoáng vật hoặc sắp xếp một bộ sưu tập lớn.
