宝石はなにでできているのだろうと細かくわけていくと元素や原子にたどりつきます。
宝石の素材を知り、分類するために、この記事では元素と原子について解説します。
元素と原子
物質を細かく分けていく
この宇宙にあるさまざまな「もの」の事を【物質】といいます。
身の回りの道具やわたしたちのからだはもちろん、地球や太陽などすべての星たちも宝石も物質です。
この物質は、どのようなしくみでできているでしょうか？同じ疑問を持った古代ギリシャの哲学者・デモクリトス（紀元前460年頃～紀元前370年頃）は、次のように考えました。
物質をどんどん細かくしていくと、それ以上分けるとその物質の性質を失ってしまう【限界の細かさの粒】になるだろう。それが物質を作っているもっとも小さな単位であるはずだ
限界の細かさの粒＝原子
デモクリトスの考えた限界の細かさの粒が、現在の科学では「原子」という単位です。
金属のように原子だけが集まってできているものもありますが、原子が決まった数の組み合わせで形を持つ「分子」もあります。
すべての物質は元素の組み合わせ
原子には、性質が異なるたくさんの種類があります。この「種類の違い」から原子を見たときの呼び方が元素です。
身近にある水は、3個の原子が結びついていますが、そのうちの1個は元素で見れば酸素で、残りの2個は水素です。
また私たち体は、酸素や水素、炭素、窒素、塩素など、性質の異なるさまざまな元素の原子が結びついた分子でできています。
元素は118種類
元素は、これまでに見つかっているのは118種類です。
しかし宇宙にある物質には数えきれないほどの種類があります。これは組み合わさり方が無限にあるためです。元素はそれぞれ性質が異なりますが、組み合わさって分子となったときにはまた違った性質が表されます。
組み合わさる元素の種類やそれぞれの原子の数、組み合わさり方（順番やしくみ）などがわずかに違うだけで、分子の性質が大きく変化するのです。
鉱物、宝石の化学的性質
鉱物種を分けるため
地殻、マントル、隕石、生物体中の無機物などから確認されている鉱物種は、現在3500種もあります。
これらの鉱物種を決定するための材料は以下の３つです。
- 化学組成と構造
- 物理的性質
- 結晶構造など
鉱物、宝石の物理的性質についてはこちらで解説しています。
結晶構造についてものちのち解説していきます。
化学組成と構造
鉱物の分類は化学組成によって大きく分けられ、さらに結晶構造の型によって細分される方法がよく用いられます。
ここででは化学組成と構造について詳しく解説していきます。
定量分析の方法
鉱物は多くの元素をからできているので、何種類もの特性X線が放出されます。それらの波長と強度を測定し、補正すると、含まれてる元素の種類とその絶対量がわかります。
鉱物の基本単位は単位格子です。
ほとんどの鉱物はイオン結合を主体とする結晶なので、鉱物の化学式はその単位格子について表現されていれば十分です。定量分析の結果から、得られた元素比を単位格子中の元素数に換算すると、化学式がわかります。
化学結合
物質を作っている分子は、原子が組み合わさったものです。
原子が物質のかたちになるには、他の原子との結びつける必要があります。
ある物質の分子と別の物質の分子が結合したり、結合していた分子が分かれて別の物質になる反応に関わるのが「化学結合」です。
化学結合にはさまざまなパターンがあります。
- 共有結合：最外殻にある電子を２つ以上の原子が共有する
- イオン結合：電気的な性質によって結びつく
- 水素結合：2つの原子の間に水素が入って仲立ちする
宝石ルビーは酸化アルミニウム(Al2O3)の結晶鉱物
ルビーは「コランダム」という酸化アルミニウム(Al2O3)の結晶鉱物です。
漢字では鋼玉と書きます。
化学式：AL2O3
これは、コランダムを構成している原子全体の２/５がアルミニウム（Al）で、3/5が酸素（O）であることを表しています。原子比Al：O＝２：３という意味です。
化学組成による鉱物の分類
同一の鉱物の中は、どこをとっても同じつくりです。たとえば、ダイヤモンドなら「炭素」の粒が、ルビーなら「アルミ二ウム」と「酸素」の粒が、規則正しく並んでできています。この粒の種類と並び方の違いに鉱物は分類されます。
ここでは化学組成による鉱物の11種の分類について解説します。
- 元素鉱物：ただ1種の元素からなります。自然金なら金の原子が、自然銀なら銀の原子が、規則正しく並んでいます。
- 硫化鉱物：硫黄の原子に、金属元素（鉄、銅など）の原子が結びついてできています。
- 酸化鉱物：酸素の原子に、そのほかの元素が結びついてできています。
- ハロゲン化鉱物：フッ素やヨウ素といったハロゲン元素に、その他の元素が結びついてできています。
- 炭酸塩鉱物：炭素と酸素の原子からなる「炭酸基」にその他の元素が結びついてできています。
- ホウ酸塩鉱物：ホウ素と酸素の原子からなる「ホウ酸基」に、そのほかの元素が結びついてできています。
- 硫酸塩鉱物：硫黄と酸素の原子からなる「硫酸基」に、そのほかの元素が結びついてできています。
- タングステン酸鉱物：タングステンと酸素からなる「タングステン酸基」に、そのほかの元素が結びついてできています。
- リン酸塩鉱物：リンと酸素の原子からなる「リン酸基」にそのほかの元素が結びついてできています。
- ケイ酸塩鉱物：ケイ酸塩鉱物は、とても仲間が多いグループです。ケイ素と酸素のできた「ケイ基」（ケイ酸四面体）の並び方によって、6つの小グループに分かれています。
- 有機鉱物：こはく、カルバチア石など、有機物でできているなかまです。
まとめ
宝石の素材を知り、分類するために、この記事では元素と原子について解説してきました。
宝石を見分ける手がかりにもなる鉱物の性質や特徴について是非参考にしてみてください。