Co způsobuje barvu minerálů (3) - co nutí děti zlobit?

Když rozebereme případ dětí z úplně zlobivé třídy (idiochromatismus - název si můžete zapamatovat podle toho, že se z takových dětí člověk musí zbláznit), zjistíme, že mají ke zlobení (a minerály k zabarvení) jen několik důvodů.

Kovy - chronicky neposedné děti

V krystalické mřížce kovů jsou uzly mřížky tvořeny atomy kovů - ale také jejich kladně nabitými ionty. Mezi nimi se pak neustále pohybují elektrony, které původně patřily těmto kladným iontům, když ještě byly neutrálními osamělými atomy. V praxi to znamená, že mřížka z atomů je obklopena elektronovým plynem.

Právě tyto elektrony jsou zodpovědné za elektrickou vodivost, podobně jako jsou chronicky neposedné děti důvodem pro neklid ve třídě.

Stejné elektrony jsou zodpovědné za kovový lesk minerálů. Viditelné záření dopadá na kov a interaguje s volnými elektrony. Pokud je u sloučenin, které bychom jinak za kovy nepovažovali, podíl těchto volných elektronů hodně vysoký, pak se budou také lesknout a budou mít kovový lesk.

Jako příklad poslouží minerál grafit. Grafit se skládá z tenkých plátků uhlíkových šestiúhelníků. Mezi nimi se nacházejí neposedné volné elektrony, které jsou zodpovědné za jeho kovový lesk.

Zbarvení způsobené přechody ve vodivé zóně

Co se týká vodivosti, dělí se materiály na kovy, na nevodivé látky a na polovodiče. Stejně jako se děti ve třídě dělí na hodné, občas hodné a ty, které si neumí pomoci a zlobit prostě musí. Nevodivé látky volné elektrony nemají. Ale u polovodičů se dá část původně pevně ukotvených elektronů přimět k volnému pohybu - například vlivem fotonů (světla). Pokud takový přechod připadá na oblast viditelného světla, bývají minerály zbarveny některou z jasných barev.

Barva, která je způsobena ionty speciálních kovů

Jedná se o kovy, které mají tolik elektronů, že jimi zaplňují orbitaly typu d- a f-. Od ostatních prvků se tedy liší počtem elektronů. Mají jich tolik, že jimi úplně zaplní nižší orbitaly a musí tedy využít i komplexnější orbitaly, které nazýváme příslušnými dvěma písmeny (d- a f- orbitaly).

Přitom zdaleka ne všechny podobné kovy vykazují barvicí schopnosti - zdá se, že tu záleží také na okolním prostředí - tedy na chemických vlastnostech samotného minerálu.

Jako příklad poslouží diopsid, který má složení MgCaSi2O6.

Ionty vápníku a hořčíku (Ca a Mg) mají mimochodem zaplněný elektronový orbital typu s (můžete si ho představit jako kuličku, která má v centru jádro atomu). Křemík (Si) je prvek typu p - jeho poslední zaplněný orbital má tvar prostorově vyjádřené osmičky (viz například zde: https://www.sciencephoto.com/media/553876/view/silicon-atomic-structure). V čistém stavu jsou krystaly diopsidu průhledné.

Když se ale do krystalické mřížky diopsidu zabuduje některý z chromoforů - iontů s komplexními orbitaly - je výsledný krystal najednou barevný.

Trojmocný mangan barví diopsid na fialovo, dvojmocné železo mu dá tmavě zelenou barvu, trojmocný vanad mu dodá jasně zelený odstín nezralého jablka a trojmocný chrom tmavší zelenou barvu.

Proč právě ionty s d- a f- orbitaly?

Na vině je jejich složitá struktura. Zatímco jsou orbitaly typu s- kulovitého tvaru a elektrony se v nich tedy mohou nacházet ve spokojeném stavu, mají d- a f-orbitaly komplikovaný tvar. Když se dostane prvek, který zaplňuje svými elektrony takové orbitaly do krystalu, ocitnou se některé z elektronů v přímém sousedství elektronů ostatních chemických prvků (například kyslíku), zatímco jiné jsou prostorově vzdálenější.

Komplexnější tvar orbitalů tedy vede k energetické nerovnováze, kterou se snaží tyto prvky vykompenzovat pohlcením vhodných fotonů. To také vysvětluje, proč se stejné atomy chovají v různých matricích různým způsobem. V různých minerálech na ně jednoduše mají vliv různé okolní atomy.

Podobný efekt mají také molekuly vody, které jsou někdy součástí krystalů různých minerálů. Molekuly vody jsou sice neutrální - jsou ovšem tvořeny malými dipóly. Jejich elektrony působí například na atomy mědi v CuSO4, takže minerál CuSO4.5H2O vykazuje modrou barvu. Když ho zahřejeme na takovou teplotu, při které svou volně vázanou vodu ztrácí, ztratí i svou modrou barvu. Měď totiž přestane pohlcovat fotony červené barvy a začne nyní pohlcovat fotony z infračervené oblasti. To už očima registrovat neumíme - a tak vidíme průhledný bezbarvý (a bezvodý) minerál.

Tento experiment můžete provést sami - síran měďnatý je totiž sloučenina, která se jmenuje modrá skalice. Zahříváním do 150 °C se vám podaří vyhnat z krystalů veškerou vodu a krystaly najednou ztratí svou jinak typickou modrou barvu. Při opětovném dodání vody krystaly opět zmodrají.

Dalšími typickými chromofory jsou ionty chromu, vanadu, železa nebo třeba manganu.

Některé děti jsou tedy „přírodně“ zlobivé - a při jejich přítomnosti v pomyslné třídě můžeme vždy očekávat nějaké překvapení.

Příště: Co způsobuje barvu minerálů (4) - klamání tělem a podvody