Farverne på rubiner og smaragder er så slående, at de definerer nuancer af rød og grøn – Ruby Red and Emerald Green. Men har du nogensinde spekuleret på, hvordan de får disse farver?
Jeg er en uorganisk kemiker. Forskere på mit felt arbejder for at forstå kemi for alle de elementer, der udgør den periodiske tabel. Mange uorganiske kemikere fokuserer på overgangsmetaller – elementerne midt i den periodiske tabel. Overgangsmetaller inkluderer de fleste af de metaller, du er bekendt med, som Iron (Fe) og Gold (AU).
Et træk ved forbindelser lavet med overgangsmetaller er deres intense farve. Der er mange eksempler i naturen, herunder ædelstene og malingspigmenter. Selv blodfarven kommer fra proteinhemoglobin, der indeholder jern.
Undersøgelse af farverne på forbindelser, der indeholder overgangsmetaller, fører dig ind i nogle virkelig fantastiske videnskaber – det er en del af det, der trak mig til at studere dette felt.
Rubiner og smaragder er gode eksempler på, hvordan en lille mængde af et overgangsmetal-i dette tilfælde chrom-kan skabe en smuk farve i det, der ellers ville være et ret kedeligt udseende mineral.
Mineraler og krystaller
Både rubiner og smaragder er mineraler, som er en type sten med en konsekvent kemisk sammensætning og en meget ordnet struktur på atomniveau.
Når denne stærkt ordnede struktur strækker sig i alle tre dimensioner, bliver mineralet en krystal.
Med en teori udviklet af fysikere i 1920’erne kaldet Crystal Field Theory, kan forskere forklare, hvorfor rubiner og smaragder har de farver, de gør. Crystal Field Theory gør forudsigelser om, hvordan en overgangsmetalions struktur påvirkes af de andre atomer, der omgiver den.
Rubiner består hovedsageligt af mineralkorunden, der er sammensat af elementerne aluminium og ilt i en almindelig, gentagende matrix. Hver aluminiumion er omgivet af seks iltioner.
Emeralds består hovedsageligt af mineralberylen, der er lavet af elementerne beryllium, aluminium, silicium og ilt. Beryls krystalstruktur er mere kompliceret end Corundum på grund af de yderligere elementer i formlen, men hver aluminiumion er igen omgivet af seks iltioner.
Pure corundum og beryl er farveløse. De strålende farver på rubiner og smaragder kommer fra tilstedeværelsen af meget små mængder krom. Kromet erstatter ca. 1% af aluminiumet i korund- eller berylkrystallen, når en rubin eller smaragd dannes under jorden ved en høj temperatur og tryk.
Men hvordan kan et element – krom – skabe den røde farve på en rubin og grøn farve på en smaragd?
Farvevidenskab
Rubiner og smaragder har de farver, de gør, fordi de som mange stoffer absorberer nogle farver af lys. Det mest synlige lys, som sollys, er sammensat af alle regnbuens farver: rød, orange, gul, grøn, blå, indigo og violet. Disse farver udgør det synlige lysspektrum, som er let at huske som Roy G Biv.
En af hovedårsagerne til, at genstande har en farve, er fordi de absorberer en eller flere af disse synlige lysfarver. Hvis et stof for eksempel absorberer rødt lys, betyder det, at det røde lys bliver fanget i stoffet, og de andre farver reflekterer tilbage til dine øjne. Den farve, du ser, er summen af det resterende lys, der vil være i det grøn-til-blåt interval. Hvis et stof absorberer blåt, vil det se rødt ud eller orange ud for dig.
I modsætning til den farveløse aluminiumion absorberer kromionen blåt og grønt lys, når den er omgivet af iltionerne. Det røde lys reflekteres tilbage, så det er det, du ser i rubiner.
I en smaragd, selvom krom er omgivet af seks iltioner, er der en svagere interaktion mellem krom og de omgivende iltioner. Det skyldes tilstedeværelsen af silicium og beryllium i berylkrystallen. De får smaragden til at absorbere blåt og rødt lys, hvilket efterlader det grønne for dig at se.
Evnen til at indstille egenskaberne ved overgangsmetaller som krom ved at ændre det, der omgiver det, er en kernestrategi inden for mit felt af uorganisk kemi. Dette kan hjælpe forskere med at forstå den grundlæggende videnskab om metalholdige forbindelser og design af kemiske forbindelser til specifikke formål.
Du kan glæde dig over de fantastiske farver på ædelsten, men gennem kemi kan du også se, hvordan naturen skaber disse farver ved hjælp af en uendelig række komplekse strukturer lavet med elementerne i den periodiske tabel.