Удельный вес, плотность и относительная плотность

Удельный вес (specific gravity, SG) драгоценного камня представлен постоянной величиной, испытывающей незначительные отклонения в зависимости от особенностей химического состава и содержащихся в камне включений, которая является одним из идентификационных признаков для незакреплённых ювелирных вставок. В современной геммологии существует целый ряд разнообразных методик определения удельного веса драгоценных камней.

Определения

Удельный вес (в англоязычной литературе– «SG») вещества – это отношение его веса к весу аналогичного объёма химически чистой воды (измеренному при температуре +4ºС и при нормальном атмосферном давлении равном 100 кПа). Поскольку удельный вес выражает отношение весов, то он является безразмерной величиной, не имеющей выражения ни в каких единицах измерения. Например, удельный вес алмаза 3,52, указывает на то, что алмаз в 3,52 раза тяжелее аналогичного объёма химически чистой воды. Выбор в пользу воды как стандартного эталона при расчёте удельного веса объясняется её химической стабильностью и распространённостью. Удельный вес воды, по определению, равен 1,0.

Примечание: для целей геммологической диагностики колебания атмосферного давления и температуры (при проведении измерений) не вносят каких-либо существенных ошибок в оценку величины удельного веса.

Плотность (density) вещества определяется как масса единицы объёма и имеет величину измерения в виде отношения единиц измерения массы на объём. В международной системе единиц измерения «СИ» плотность измеряется отношением килограмма на метр кубический (кг/м³). Иногда для удобства используют принятые в системе измерения «СГС» в виде отношения грамма на кубический сантиметр, численно совпадающие со значением удельного веса. Например, плотность алмаза, выраженная в единицах «СИ» равна 3520 кг/м³, выраженная в единицах «СГС» – 3,52 г/см³, а удельный вес алмаза – 3,52.

Относительная плотность (relative density) – это термин, используемый применительно к жидкостям, который численно представляет отношение веса единицы объёма данной жидкости к весу единицы объема химически чистой воды, измеренного при температуре +4ºС при нормальном атмосферном давлении.

Закон Архимеда и измерение удельного веса

Физический закон, сформулированный греческим философом и математиком из Сиракуз Архимедом (287-212 гг. до н.э.) более 2000 лет назад, гласит, что на тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила равная весу вытесненной жидкости. Именно этот закон, который по легенде был открыт Архимедом при определении содержания золота в сплаве изделия, стал основой для измерения удельного веса при проведении геммологических исследований.

Поскольку величина удельного веса является константой для большинства драгоценных камней, она зачастую оказывается полезной при идентификации неизвестного минерала, незакреплённого в изделие. Хотя драгоценные камни не могут быть идентифицированы только по значению удельного веса, но в комплексе с измерениями иных физических констант, эта величина позволяет значительно уменьшить количество возможных альтернатив.

Стр. 55

Удельный вес вещества отчасти зависит от атомного веса составляющих его химических элементов, также от компактности кристаллической решётки или иной структуры, образованной этими элементами. Так, например, алмаз с его лёгкими, но компактно расположенными в кристаллической решётке атомами углерода имеет более высокий удельный вес, чем кварц, который состоит из более тяжёлых, но менее плотно упакованных атомов кремнезёма и кислорода.

При работе с драгоценными камнями очень скоро становится заметно по ощущению «тяжести», что среди камней одинакового размера одни имеют больший вес, чем другие. Так циркон, имеющий одинаковые размеры с опалом, весит в два раза тяжелее. Конечно, такой метод определения удельного веса весьма груб, но иногда и он представляет определённую ценность при необходимости быстрой субъективной оценке.

Поскольку удельный вес драгоценного камня зависит от соотношения его веса и веса аналогичного объёма воды, его измерение, на первый взгляд, может показаться сложной задачей. Найти точный вес камня нетрудно, но если образец не представляет собой идеальный куб или какую-либо подобную правильную фигуру, то вычисление его объёма, необходимого для определения веса аналогичного объёма воды, математически может быть довольно сложной задачей.

Измерение удельного веса методом вытеснения жидкости

Архимед тоже столкнулся с проблемой вычисления объёма. Он нашёл решение в том, что испытуемый образец (в его случае золотое изделие) вытесняет жидкость своего собственного объёма в мерный сосуд. Для достижения этой цели он разработал устройство, которое в наше время носит название «эврика» (рис. 7.1). Устройства этого типа до сих пор используются для измерения объёмов и состоят из металлического контейнера, снабжённого переливной трубой.

Рисунок 7.1. Сосуд «эврика» («eureka can»), используемый для измерения объёма вытесненной воды при вычислении удельного веса. Для объектов средних и крупных размеров подвесной шнур оказывает незначительное влияние на точность результата.

Чтобы измерить удельный вес образца, сосуд «эврика» заполняют водой до тех пор, пока вода не начнёт вытекать из сливной трубки. Когда уровень воды в сосуде выравнивается и перелив прекращается, под сливную трубку помещают пустой мерный стакан, после чего в сосуд на тонком шнуре осторожно помещают испытуемый образец до полного его погружения. Объём воды можно определить либо на основании отметок мерного стакана, либо проведя взвешивание (1 кубический сантиметр химически чистой воды при температуре +4ºС и нормальном атмосферном давлении весит ровно 1 грамм).

Стр. 56

Затем удельный вес (SG) образца рассчитывается путём деления веса образца на объём (или вес) вытесненной воды:

Удельный вес образца (SG) = Вес образца в граммах (W_обр) / Объем вытесненной воды в кубических сантиметрах (V_вод)

или

Удельный вес образца (SG) = Вес образца в граммах (W_обр) / Вес вытесненной воды в граммах (W_вод)

Хотя метод определения удельного веса по объёму вытесненной жидкости с помощью сосуда «эврика» подходит для использования больших объектов, таких как резные изделия или образцы минералов, он всё же недостаточно точен применительно к огранённым драгоценным камням из-за их небольшого размера. Для более точных результатов при работе с драгоценными камнями малой размерности используется специальный сосуд в виде колбы, называемый пикнометром (pycnometer), с притирающейся крышкой-затвором из матового стекла, через которую проходит капиллярный канал (рис. 7.2).

Рисунок 7.2. Сосуд для измерения удельного веса (пикнометр), который может использоваться для измерения удельного веса небольшого драгоценного камня методом вытеснения жидкости. Однако сосуды этого типа изначально предназначены для точного определения удельного веса жидкостей.

Пикнометр предназначен для точного определения удельного веса тяжёлых жидкостей (по этой причине на внешней стороне сосуда имеются гравированные отметки объёма, измеренного при температуре 20ºС). Подробная информация об использовании пикнометра для измерения удельного веса жидкостей приведена в конце этой главы в разделе «Точное измерение удельного веса с использованием тяжёлых жидкостей».

При использовании пикномера для определения объёма вытесненной жидкости образец минерала вначале измерений взвешивают обычным способом (W1), а затем взвешивают пустой и сухой пикнометр с пробкой (W2). Затем ёмкость полностью заполняется водой и вставляется пробка, при этом излишки воды удаляются через капиллярный канал. После удаления влаги с внешней стороны пикнометра, емкость взвешивается (W3).

Стр. 57

Затем крышка пикнометра открывается, и в ёмкость помещается драгоценный камень, пробка закрывается, при этом объём вытесненной воды равен объёму драгоценного камня. После повторения операции по удалению жидкости с поверхности сосуда емкость снова взвешивается (W4).

Таким образом, получаем следующие данные:

Вес воды, первоначально наполнявшей ёмкость: A = W3 – W2.

Вес воды, заполняющей емкость с драгоценным камнем внутри: В = W4 – W2 – W1.

Вес воды, вытесненный драгоценным камнем из ёмкости: ΔW = A – B.

Удельный вес образца драгоценного камня: SG = W1 / ΔW = W1 / (A – B).

Часто в геммологической практике используют и другие методы, основанные на применении закона Архимеда.

Гидростатические методы измерения удельного веса

Результат измерения применительно ко всем гидростатическим методам оценки удельного веса камня очень сильно зависит от точности взвешивания (см. приложение «J»), поэтому взвешивание особенно небольших камней следует проводить только на высокочувствительных весах аналитического класса. Даже для камней весом менее двух карат, погрешность измерения может заметно сказаться на расчётах, а при уменьшении размера камня величина ошибки только возрастает. Однако для весьма крупных объектов, таких как камнерезные изделия, объём которых достаточно велик, даже использование пружинных весов может обеспечить удовлетворительные результаты.

Методы гидростатического взвешивания основаны на принципе, согласно которому объект, погружённый в жидкость, испытывает выталкивающую силу, равную весу вытесненной жидкости. Суть метода заключается во взвешивании драгоценного камня в воздушной среде, а затем ещё раз при погружении в жидкость. Три метода, которые будут описаны, охватывают использование двухчашечных, одночашечных и пружинных весов.

Метод использования двухчашечных весов (рис. 7.3)

Для проведения измерений в дополнение к имеющимся балочным весам с двумя чашками (поддонами для взвешивания) потребуются дополнительные аксессуары (рис. 7.4) в виде стеклянной ёмкости, платформы (желательно регулируемой по высоте) для размещения стакана над одним из лотков, спирального проволочного держателя для камня, противовеса для компенсации веса держателя камня. Держатель и противовес могут изготавливаться из лужёной медной проволоки диаметром 0,7-0,9 мм.

Рисунок 7.3. Принципиальная схема, демонстрирующая использование двухчашечных балочных весов для определения удельного веса камня методом гидростатического взвешивания.

Стр. 58

Рисунок 7.4. Комплект принадлежностей для измерения удельного веса камня методом гидростатического взвешивания.

Сначала ёмкость наполняют очищенной или дистиллированной водой и помещают на платформу над чашкой (поддоном) для взвешивания. Проволочный держатель камня крепится к балке для взвешивания. Держатель и противовес могут быть изготовлены из нейлоновой моноволоконной нити малого диаметра, при этом поливолоконная нейлоновая нить не может быть использована, так как она будет поглощать воду за счёт капиллярного подтягивания и этим искажать результаты измерений. Высота подставки или высота подвески держателя должна регулироваться таким образом, чтобы держатель камня оставался погружённым в жидкость на протяжении всего вертикального качания весов, а уровень воды в состоянии покоя весов с камнем и без него был бы на одном и том же уровне держателя.

Наконец, для упрощения расчёта удельного веса, противовес подвешивается на другой чаше весов, а его вес регулируется таким образом, чтобы уравновесить вес пустого держателя камней в момент рабочего погружения в жидкость (воду).

Чтобы определить удельный вес образца драгоценного камня, его взвешивают обычным способом в воздушной среде (А), а затем проводят взвешивание в жидкости (вода), поместив на проволочный держатель (В). Численное значение удельного веса (SG) рассчитывают по формуле:

SG (удельный вес камня) = вес драгоценного камня / потеря веса в воде =

= А (вес камня в воздухе) / [A (вес камня в воздухе) – B (вес камня в воде)]

Хотя измерения удельного веса, по определению методики, должны проводиться при температуре +4ºС, всё же возникающие ошибки, возникающие при использовании воды комнатной температуры влияют на результат только в тысячных долях и, соответственно, могут быть проигнорированы при практике геммологической диагностики. Более значимыми являются возможные ошибки вызванными пузырьками воздуха, возникающими на поверхности драгоценного камня, а также вызванные поверхностным натяжением воды, которое вызывает сопротивление, подобное трению, на проволочной основе, когда она движется в жидкости.

Стр. 59

Избежать появления воздушных пузырьков можно тщательно смочив камень перед погружением. Остаточные пузырьки воздуха с поверхности камня и проволоки удаляются кистью из верблюжьего ворса. Использование дистиллированной или кипячёной воды поможет предотвратить образование пузырьков, а влияние эффекта поверхностного натяжения можно уменьшить, добавив раствор из капли поверхностно-активного вещества (ПАВ) или моющего средства с водой.

Методы использования одночашечных весов

При проведении гидростатического взвешивания на весах с одним лотком (одночашечные весы) используются два метода работ. В одном из них (рис. 7.5) также, как и в предыдущем случае измеряется выталкивающая сила (или потеря веса, upthrust) при полном погружении драгоценного камня в жидкость (держатель камня на изображении состоит из чашки-держателя с отверстиями, имеющей известный вес погружения в жидкости). Процедура и расчёты удельного веса точно такие же, как и для метода с двухчашечными весами, описанного ранее, за исключением учёта веса погружённого держателя камня (который в случае с использованием электронных весов может быть обнулён).

Рисунок 7.5. Одночашечные весы с набором аксессуаров (дополнительных принадлежностей) для гидростатического взвешивания (по схеме – upthrust). Прозрачная ёмкость, стоящая на металлической платформе, термометр и погружённая чашка с отверстиями и держателем. (оборудование производства «Sauter»).

Второй метод использует измерение веса вытесненной жидкости за счёт погружения камня (downthrust), подвешенного не к весам, а к независимой опоре (рис. 7.6). Хотя измеренная сила выталкивания в каждом методе и остаётся неизменной, процедура проведения измерений и расчётов несколько отличаются.

Вес драгоценного камня в воздушной среде (W1) измеряется обычным взвешиванием. Держатель для камня подвешен на независимой опоре и расположен таким образом, что он полностью погружён в ёмкость, на две трети заполненную жидкостью (водой) и размещённую на весах. Подвесная проволока держателя камня имеет отметку в месте вхождения в воду, чтобы при взвешивании, её можно было установить в то же самое положение. Вес стакана и воды измеряется вместе с держателем для камня, погруженного для измерений (W2).

Стр. 60

Затем камень осторожно вставляется в погружённый держатель (не проливая воду), и высота держателя корректируется таким образом, чтобы отметка на проволоке совпала с уровнем жидкости. На этом этапе проверяют, полностью ли погружён камень, а если на его поверхности имеются пузырьки, то их необходимо удалить. В завершение измеряется вес ёмкости с жидкостью вместе с погружённым камнем (W3).

Рисунок 7.6. Метод гидростатического взвешивания камня на весах с одним поддоном при использовании независимой подвески держателя камня. Измеряется вес вытесненной камнем жидкости (по схеме – downthrust).

Удельный вес (SG) драгоценного камня рассчитывается по следующим формулам:

Вес объема воды эквивалентного объёму камня (A) = Вес ёмкости с жидкостью и погружённым камнем (W3) – Вес ёмкости с жидкостью и с погружённым держателем (W2)

Удельный вес (SG) = вес камня в воздухе (W1) / Вес эквивалентного объема воды (A)

Использование пружинных весов

Для крупных образцов драгоценных камней, как правило, в виде резных изделий, для которых разница между весом в воздушной среде и весом в жидкости увеличивается пропорционально размерам, для получения удовлетворительных результатов достаточно использовать менее чувствительные весы – чаще всего это весы пружинного типа (рис. 7.7). При достаточно аккуратно проведённых измерениях с помощью пружинных весов и достаточно большого контейнера с водой, представляется возможным выявить разницу между удельным весом нефрита (3,0) и жадеита (3,3).

Рисунок 7.7. Схема, демонстрирующая принцип определения удельного веса камня с помощью пружинных весов.

Стр. 61

Прежде, чем завершить тему гидростатического взвешивания, следует упомянуть о специализированных весах, предназначенных для прямого определения удельного веса образцов. На рисунке 7.8 показана одна из механических модификаций таких весов. Нижний держатель для взвешивания погружается в ёмкость с жидкостью (водой), а драгоценный камень, подлежащий определению, сначала помещается в верхний (сухой) держатель для взвешивания. Затем балка весов уравновешивается путём добавления груза на правом (0) плече балки. После этого взвешивание повторяется, но при этом драгоценный камень переносится в нижний (мокрый) держатель, а балка весов снова приводится в равновесие перемещением груза к центральной точке опоры. В завершении измерений удельный вес камня считывается непосредственно с калиброванной шкалы в точке подвеса балансировочного груза.

Рисунок 7.8. Весы для прямого определения удельного веса (денсиметр). На левом конце балки находятся два держателя (для взвешивания в воздухе и для взвешивания в воде) для драгоценных камней. Нижний держатель находится в воде во время и «сухого» и «мокрого» взвешивания. При взвешивании в воздухе противовес устанавливается на отметку «0» и нагружается до установления равновесия. При взвешивании в жидкости противовес с грузом перемещается по шкале к центру балки до достижения равновесия (В), а его новое положение указывает на значение удельного веса камня. (оборудование производства «Hanneman Gemological Instruments»)

Оценочное определение удельного веса с использованием тяжёлых жидкостей

Эта группа методов, хотя и менее точных, чем метод гидростатического взвешивания, имеет то преимущество, что они быстры и не имеют ограничений по размеру ёмкости. Самый простой из методов заключается в последовательном помещении драгоценного камня в одну из четырёх жидкостей набора по очереди. Его удельный вес находится между значениями той жидкости, в которой он тонет, и той, в которой он всплывает.

В этой группе методов также используется закон Архимеда и, если определяемый драгоценный камень помещён в жидкость с точно таким же удельным весом, как и у него, то он будет испытывать выталкивающую силу равную своему весу. Поскольку это условие может быть выполнено только в том случае, если камень полностью погружён в жидкость, то он будет свободно плавать в ней.

Прежде чем подробно описывать жидкости и методику выполнения измерений, следует отметить, что тяжёлые жидкости совершенно не пригодны для оценки веса в пористых камнях, таких как опал или бирюза, а также камней с поверхностными трещинами и иными дефектами, так как они могут обесцвечиваться жидкостями и/или давать неточные результаты. Пластики и полимеры могут размягчаться в тяжёлых жидкостях, как и цемент композитных камней.

Стр. 62

Тяжёлые жидкости начали впервые применяться в геммологической практике во второй половине 1920-х годов Бэйзилом Андерсоном (Basil W. Anderson, 1901-1984), занимавшем должность директора лаборатории по испытанию жемчуга Лондонской торговой палаты. Используя смеси различных тяжёлых жидкостей, он разработал экспресс-методику отделения более плотного культивированного жемчуга из Японии от природного. Гораздо позже этот метод был использован лабораторией для предоставления доказательств, касающихся имитации жемчуга, в суде при разбирательстве уголовного дела с убийством.

Многие из составов тяжёлых жидкостей были разработаны и использовались в минералогии в 1870-х – 1880-х годах, но лишь немногие из них используются по сей день, ввиду их высокой стоимости и токсичности. Наиболее применимой из дошедших до нас тяжёлых жидкостей является дииодметан (CH₂I₂, иногда называемый иодидом метилена). Эта тяжёлая жидкость (с удельным весом 3,32) была впервые предложена Рейнхардом Браунсом (Reinhard Brauns, 1861-1937) в 1884 году, и вместе с другим органическим соединением, бромоформом (CHBr₃), с удельным весом 2,86. Эти жидкости вошли в общее употребление благодаря их относительным стабильности и безопасности. Тяжёлая жидкость с удельным весом 1,49, известная как монобромнафталин (С₁₀H₇Br), используется при разбавлении бромоформа и дииодметана для приготовления тяжёлых жидкостей с меньшим удельным весом. В наши дни запах этих жидкостей ассоциируется с незабываемой атмосферой геммологических учебных классов и лабораторий.

Четвёртая из рассматриваемых нами тяжёлых жидкостей, это так называемая «жидкость Клеричи» (с удельным весом 4,15), представляющая из себя водный раствор смеси малоната таллия и формиата таллия. Раствор этого состава был предложен в качестве тяжёлой жидкости итальянским химиком Энрико Клеричи (Enrico Clerici, 1862-1938) в 1907 году, а в конце 1930-х годов Б.Андерсон начал использовать эту жидкость на занятиях класса геммологии в политехническом колледже в Челси. Её главным достоинством был тот факт, что гранат, шпинель и даже корунд всплывали в растворе, который, смешивая с водой, мог быть доведён до концентрации, необходимой для тестирования любого из этих минералов по эталону.

Растворы на основе жидкости Клеричи в дальнейшем оказались ценным подспорьем в точном определении удельного веса драгоценных камней, поскольку собственный вес таких тяжёлых жидкостей линейно и с высокой степенью точности связан с их показателями преломления. Это означает, что если жидкость Клеричи смешивать с водой до тех пор, пока исследуемый образец не будет исследован, а затем возможно измерить показатель преломления раствора на настольном спектрометре (или рефрактометре), а его удельный вес (а следовательно и удельный вес образца) определить по линейному графику или палетке. В 1920-х годах этот метод обеспечивал более точные измерения, чем использование сосудов для измерения удельного веса.

Однако, несмотря на все преимущества работы с жидкостью Клеричи, все растворы на её основе сильно ядовиты и коррозийны, и хотя эта тяжёлая жидкость зарекомендовала себя как очень полезную при проведении геммологических исследований, но она является слишком опасной для общего применения. Жидкость Клеричи по-прежнему доступна для специализированных лабораторий, но в настоящее время не используется для определения удельного веса драгоценных камней.

В настоящее время для целей общей геммологической практики рекомендуется использовать следующий базовый набор тяжёлых жидкостей (рис. 7.9). Подобные наборы могут быть получены от производителей геммологического оборудования, например, Геммологической Ассоциации Великобритании (Gemmological Association of Great Britain) или Геммологического Института Америки (Gemological Institute of America, GIA). Один из таких наборов показан на рисунке 7.10, а аналогичный набор от «GIA» содержит жидкости с удельными весами: 2,57; 2,62; 2,67; 3,05 и 3,32. Оба эти комплекта поставляются с двумя ёмкостями меньшего размера с корректировочными жидкостями, имеющими удельный вес: 3,32 и 1,50 (или 1,56).

1. Бромоформ или дийодметан, разбавленный монобромнафталином до 2,65;

2. Дийодметан, разбавленный монобромнафталином до 3,05;

3. Не разбавленный дийодметан с удельным весом 3,32.

Жидкость «1» используется для тестирования минеральных разновидностей кварца, а жидкость «2» подходит для минералов надгруппы турмалина. Жидкость «3» полезна при определении более тяжёлых драгоценных камней, имеющий значения удельного веса выше 3,32 или близкие к этому показателю.

Для тестирования янтаря используют тяжёлую жидкость на основе водно-солевого раствора, рецепт приготовления которой был предложен Робертом Вебстером (Robert Webster, 1899-1976). Раствор приготавливают, растворяя 50 грамм пищевой поваренной соли. Этот раствор имеет удельный вес 1,13, что достаточно для того чтобы янтарь и другие ископаемые смолы имеющие удельный вес 1,08 всплывали, а изготовленные из пластика имитации – погружались. При этом необходимо учитывать, что полистирол, копалы и другие имитации из современных растительных смол имеют плотность ниже, чем 1,13 и поэтому не могут быть отсортированы от янтаря этим тестом.

Стр. 63

Рисунок 7.9. Набор тяжёлых жидкостей, используемых для оценки удельного веса драгоценного камня. В самой маленькой бутылочке находится солевой раствор для тестирования янтаря (см. раздел «Янтарь» в главе 18).

Рисунок 7.10. Набор из пяти тяжёлых жидкостей с двумя маленькими ёмкостями дополнительных корректировочных жидкостей. («Krüss»)

Несколько иных растворов, полученных в результате смешивания двух основных тяжёлых жидкостей (дийодметана и монобромнафталина): удельный вес 2,71 – для проверки разновидностей берилла; удельный вес 3,18 – для проверки таких камней как андалузит, апатит, флюорит и сподумен.

Ёмкости для тяжёлых жидкостей должны иметь широкое горлышко для лёгкого помещения и извлечения драгоценного камня и быть сделаны из прозрачного стекла, чтобы можно было наблюдать за камнем во время теста (а также при попытке извлечения камня). Пробки должны быть стеклянные, притирающиеся, а не пластиковые, так как пластики разлагаются при контакте с жидкостями.

При смешивании тяжёлых жидкостей в необходимом соотношении, сначала в ёмкость наливается половина от необходимого количества наиболее тяжёлой из двух имеющихся жидкостей. Выбирается прозрачный образец нужного драгоценного камня не имеющий дефектов, удельный вес которого служит для сопоставления, и помещается во флакон с жидкостью в качестве индикатора. Желательно, чтобы выбранный образец был бесцветным (например, горный хрусталь, а не цветные разновидности кварца, поскольку у последних удельный вес может быть заметно выше, чем у чистого кварца – 2,65). Ювелирные камни, имеющие простой химический состав, также имеют и наиболее постоянные значения удельного веса – например, кварц, кальцит, корунд, флюорит. Во вторую очередь добавляется более лёгкая жидкость (сначала медленной струйкой, а затем по каплям), при этом смесь перемешивается между каждым смешиванием, пока индикаторный образец не станет свободно плавать в жидкости.

Практические рекомендации по измерению удельного веса с использованием тяжёлых жидкостей.

1. Возьмите камень пинцетом и опустите его несколько ниже поверхности жидкости, прежде чем отпустить. Этот приём предотвратит «плавание» из-за поверхностного натяжения на поверхности жидкости небольшого драгоценного камня, который может иметь удельный вес выше, чем жидкость.

2. Если камень тонет в жидкости, то наблюдайте за скоростью погружения. В том случае, когда камень медленно тонет или медленно поднимается на поверхность, его удельный вес будет очень близок к удельному весу жидкости (то есть этот тест очень чувствителен даже к небольшим различиям в удельном весе). Из-за этого, камень очень редко «свободно зависает» на половине объёма жидкости (рис. 7.11), в обычном же случае образец будет медленно «дрейфовать» вверх или вниз.

Стр. 64

Рисунок 7.11. Проведение теста по сопоставлению удельного веса камня.

Слева: Неизвестный ювелирный камень, помещается в сосуд с тяжёлой жидкостью, удельный вес которой составляет 2,65.

Справа: Неизвестный ювелирный камень, находится в состоянии «свободного подвешивания» в жидкости, что указывает на то, что его удельный вес составляет 2,65 и что этот камень, скорее всего, является одной из разновидностей кварца.

3. Если камень сразу после высвобождения из пинцета начинает всплывать на поверхность, то его удельный вес значительно меньше, чем у жидкости, и, значит, его надо протестировать в более лёгкой жидкости. А если камень начинает тонуть, то его удельный вес значительно больше, и его следует поместить в более тяжёлую жидкость.

4. После оценки удельного веса в одной из тяжёлых жидкостей, всегда необходимо тщательно очистить (промыть в спирте) камень и пинцет, особенно при переносе в другую жидкость. Это предотвратит загрязнение жидкостей.

5. Тест обычно начинают с применения более тяжёлых жидкостей, так как плавающий на поверхности камень легче извлечь пинцетом. Если камень плавает в тяжёлом растворе, то переходят к следующей, более лёгкой жидкости и так далее, пока камень не начнёт тонуть. Но если камень погружается в жидкость с удельным весом 3,32, то никаких дальнейших измерений не проводится, а значения удельного веса записывают как превышающие 3,32 (У.В. > 3,32). В большинстве же случаев удельный вес камня будет находиться в интервале между двумя жидкостями. Например, он может утонуть в жидкости «2,65» и всплыть в жидкости «3,05». Тогда его вес может быть записан как находящийся в интервале 2,65 и 3,05 (3,05 > У.В. > 2,65).

6. Поскольку тяжёлые жидкости имеют высокие показатели преломления, то драгоценный камень с показателем преломления близким к жидкости, в которую он погружён, может «исчезнуть» (ситуация которая тревожит многих студентов). Чем бледнее цвет драгоценного камня, тем он менее заметен, а его поиск может оказаться затруднительным. При любой проблеме с «потерей» камня сосуд следует поднести к свету на уровне глаз, а если камень тяжелее жидкости, то наклонить ёмкость так, чтобы можно было взять камень пинцетом в нижнем углу.

7. В течение определённого времени удельный вес тяжёлых жидкостей может изменяться из-за выборочного испарения. Чтобы предупредить любые изменения, рекомендуется оставлять в сосуде небольшой кусочек минерала-индикатора. Для этой цели неогранённый камень предпочтительнее, так как его нельзя будет спутать с тестируемыми огранёнными камнями.

Стр. 65

Однако, следует учесть изменение плотности тяжёлой жидкости в зависимости от температуры. Так если тяжёлая жидкость, равновесная кварцевому эталону-индикатору (удельный вес – 2,65) была смешана при комнатной температуре (18ºC), то при использовании жидкости в более холодных условиях кварцевый эталон индикатор будет плавать на поверхности. А в гораздо более жарких условиях он будет опускаться на дно. Этот пример доказывает чувствительность метода взвешивания в тяжёлых жидкостях к температурным условиям. В качестве дополнительных рекомендаций – в холодное время раствор для взвешивания возможно довести до нужной температуры просто согрев в руках.

8. Дийодметан и бромоформ имеют свойство темнеть при воздействии света. По этой причине их следует хранить в темноте, в то время когда они не используются. Для осветления жидкостей можно использовать медную фольгу. Так, в каждую бутылочку с тяжёлой жидкостью, содержащей дийодметан и бромоформ, обычно помещают маленький кусочек такой фольги.

Точное измерение удельного веса с использованием тяжёлых жидкостей

Более точным способом определить удельный вес драгоценного камня является использование пикнометра. Ранее в этой главе было кратко упомянуто об использовании пикнометра для измерения удельного веса драгоценного камня по весу вытесненной жидкости (рис. 7.2). В текущем разделе описывается более точный метод, который можно использовать даже применительно к большим камням, которые слишком велики для помещения в пикнометр. В этом методе с помощью пикнометра измеряется концентрация тяжёлой жидкости, которая была тщательно разведена до степени свободно взвешенного нахождения минерала.

Вначале измерений взвешивают пустой пикнометр (вместе с запирающей пробкой), а затем измеряют приблизительный удельный вес исследуемого камня с использованием стандартных тяжёлых жидкостей, как было описано выше. Затем до этого измеренного удельного веса изготавливается жидкость и тщательно корректируется путём дальнейшего смешивания до тех пор, пока камень не будет плавать в жидкости в свободно взвешенном состоянии.

Затем пикнометр заполняется итоговой тяжёлой жидкостью, вставляется притирающаяся запирающая пробка с капилляром, после чего с пикнометра тщательно удаляют остатки жидкости. Затем пикнометр взвешивается и удельный вес жидкости (а следовательно и драгоценного камня) рассчитывается путём деления разницы веса пустой ёмкости (в граммах) и её веса с жидкостью, на объём ёмкости в кубических сантиметрах (как правило, объём в кубических сантиметрах или миллиметрах выгравирован на ёмкости).

Использование поливольфрамата натрия

Поливольфрамат натрия (3Na₂WO₄ • 9WO₄ • H₂O) был предложен доктором Ханнеманом (Walter William Hanneman, 1927-2021) для использования в качестве более безопасной альтернативы некоторым органическим тяжёлым жидкостям, используемым для определения удельного веса. В сухом виде это вещество представляет сосбой белый порошок. Насыщенный раствор поливольфрамата натрия приготавливается с использованием дистиллированной и деионизированной воды (примечание: присутствие в растворе ионов кальция или магния приведёт к образованию белого осадка) и имеет удельный вес около 3,10, но может быть снижен в результате добавления воды до 3,05 (для определения турмалина) или до 2,65 (для определения кварца).

Поскольку его удельный вес линейно связан с показателем преломления (как у раствора жидкости Клеричи), то, если для образца приготовлен равновесный раствор поливольфрамата натрия, удельный вес этого раствора можно расчитать, измерив показатель преломления жидкости на рефрактометре. Для этих расчёта удельного веса применяется формула:

Удельный вес раствора (SG) = 2,80 + 8,43 (коэффициент преломления – 1,555)

Примечание: для показателя преломления раствора точно равного 1,555 удельный вес образца составляет ровно 2,80. Для индексов выше 1,555 удельный вес превышает 2,80 (при этом формульное значение в скобках – положительное), а для индексов меньше 1,555 удельный вес меньше 2,80 (при этом формульное значение в скобках – отрицательное).

Стр. 66

Меры предосторожности

Приводимый ниже текст был опубликован в 1979 году в апрельском номере журнала «Journal of Gemmology». В нём приводятся рекомендации по использованию жидкостей, используемых в геммологических лабораториях, сформулированные руководителем Отдела здравоохранения и безопасности Министерства здравоохранения Великобритании.

Следует соблюдать крайнюю осторожность при использовании дибромида этилена (ядовитая жидкость, обладающая канцерогенными свойствами, иногда используемая для определения удельного веса и при проведении гидростатического взвешивания) или любых других тяжёлых жидкостей, используемых в геммологии, избегать их попадания на кожу, слизистые оболочки и в дыхательные пути. Ни в коем случае нельзя пить жидкости, используемые в геммологической лаборатории для исследований. При попадании жидкости на кожу, следует её незамедлительно смыть с использованием мыла; при попадании в глаза, также следует промыть из проточной водой, с применением слабого раствора мыла; при проглатывании жидкости следует вызвать рвоту, а затем обратиться за медицинской помощью.

Как и при обращении с иными легкоиспаряющимися и легковоспламеняющимися жидкостями, при работе с тяжёлыми жидкостями следует избегать курения и пользования открытым пламенем. Геммологическими реактивами, иммерсионными и тяжёлыми жидкостями следует пользоваться только в хорошо проветриваемом лабораторном помещении оборудованном вытяжкой.