Tỷ trọng của khoáng vật là tỉ số giữa khối lượng của nó và khối lượng một thể tích nước bằng thể tích của nó; nói cách khác, khoáng vật nặng hơn nước bao nhiêu lần. Thạch anh có tỷ trọng khoảng 2,65, galena khoảng 7,4–7,6, vàng nguyên chất khoảng 19,3. Cách đo phổ biến nhất là cân thuỷ tĩnh: cân mẫu trong không khí, cân lại khi mẫu chìm trong nước, rồi lấy khối lượng khô chia cho phần khối lượng bị "mất" trong nước.
Tỷ trọng và khối lượng riêng: hai cách nói gần như một
Khối lượng riêng có đơn vị, ví dụ 2,65 g/cm³. Tỷ trọng là tỉ số so với nước nên không có đơn vị: 2,65. Vì nước ở khoảng 4 °C có khối lượng riêng gần đúng 1 g/cm³, hai con số gần như trùng nhau, và trong khoáng vật học người ta thường dùng chữ tỷ trọng (specific gravity, viết tắt SG hoặc G).
Tỷ trọng phụ thuộc vào hai thứ: khối lượng của các nguyên tử trong công thức và mức độ chúng xếp chặt trong mạng tinh thể. Galena (chì sunfua) nặng vì chì là nguyên tố rất nặng. Kim cương và graphit cùng là cacbon, nhưng kim cương có tỷ trọng khoảng 3,52, còn graphit chỉ khoảng 2,1–2,3, vì nguyên tử trong kim cương xếp chặt hơn nhiều.
Bảng tỷ trọng của những khoáng vật và đá quý thường gặp
| Khoáng vật | Tỷ trọng khoảng | Cảm giác cầm tay |
|---|---|---|
| Hổ phách (khoáng vật dạng) | 1,05–1,10 | Rất nhẹ, nổi trong nước muối đậm |
| Halit (muối mỏ) | 2,17 | Nhẹ |
| Thạch cao | 2,3 | Nhẹ |
| Opal | 1,98–2,25 | Nhẹ hơn thạch anh |
| Thạch anh | 2,65 | "Mốc chuẩn" của đá thường |
| Canxit | 2,71 | Như thạch anh |
| Beryl (ngọc lục bảo, aquamarine) | 2,63–2,92 | Như thạch anh |
| Nephrit | Khoảng 2,95–3,0 | Hơi đầm tay |
| Tourmalin | Khoảng 2,9–3,3 | Hơi đầm tay |
| Jadeit | Khoảng 3,3–3,4 | Đầm tay |
| Peridot (olivin) | Khoảng 3,3–3,4 | Đầm tay |
| Kim cương | 3,52 | Đầm tay |
| Topaz | Khoảng 3,5–3,6 | Đầm tay |
| Spinel | Khoảng 3,6 | Đầm tay |
| Corundum (ruby, sapphire) | Khoảng 4,0 | Nặng rõ |
| Barit | Khoảng 4,5 | Nặng bất ngờ với một khoáng vật trắng |
| Zircon | Khoảng 4,6–4,7 | Nặng |
| Pyrit | Khoảng 5,0 | Nặng |
| Magnetit, hematit | Khoảng 5,2–5,3 | Nặng |
| Cassiterit (quặng thiếc) | Khoảng 6,8–7,1 | Rất nặng |
| Galena | Khoảng 7,4–7,6 | Rất nặng |
| Đồng tự sinh | Khoảng 8,9 | Rất nặng |
| Vàng tự sinh | 15,5–19,3 (tuỳ lượng bạc lẫn) | Nặng khác thường |
Số liệu tổng hợp theo Mindat và tài liệu của GIA; khoáng vật có thành phần dao động (tourmalin, granat, beryl) có khoảng rộng, mẫu cụ thể có thể nằm ở bất kỳ đâu trong khoảng đó. Granat là ví dụ rõ: tuỳ loài trong nhóm, tỷ trọng từ khoảng 3,5 đến hơn 4,2.
Cân tay: phép thử "đầm tay" của nhà địa chất
Trước khi có cân, nhà địa chất dùng tay. Hầu hết đá ở vỏ Trái Đất có tỷ trọng quanh 2,6–3,0, nên bàn tay quen dần với cảm giác "một hòn đá cỡ này thì nặng chừng này". Khi cầm một mẫu cỡ quả trứng mà thấy nặng bất thường, đó là tín hiệu có khoáng vật kim loại, barit hay cassiterit.
Cách làm: cầm hai mẫu cùng cỡ ở hai tay, tung nhẹ lên vài lần, so cảm giác. Phép này thô nhưng nhanh, và rất hiệu quả để phát hiện barit trắng (nặng gần gấp rưỡi thạch anh) hay galena giữa một đống đá thường. Nó không phân biệt được các khoáng vật có tỷ trọng gần nhau, ví dụ thạch anh và canxit.
Cân thuỷ tĩnh: đo tỷ trọng bằng nguyên lý Archimedes
Nguyên lý Archimedes nói một vật chìm trong chất lỏng chịu lực đẩy lên bằng trọng lượng phần chất lỏng mà nó chiếm chỗ. Phần khối lượng "mất đi" khi cân trong nước chính là khối lượng của lượng nước có thể tích bằng mẫu. Câu chuyện Archimedes nhảy khỏi bồn tắm hô "Eureka" khi tìm cách kiểm tra vương miện vàng là giai thoại do Vitruvius chép lại hai thế kỷ sau, không nên coi là sử liệu chắc chắn; nhưng phương pháp thì hoàn toàn đúng.
Công thức
Tỷ trọng = khối lượng trong không khí ÷ (khối lượng trong không khí − khối lượng khi chìm trong nước)
Ví dụ: một mẫu cân trong không khí được 26,5 g, cân khi treo chìm trong nước được 16,5 g. Phần mất đi là 10,0 g. Tỷ trọng = 26,5 ÷ 10,0 = 2,65, đúng tỷ trọng thạch anh.
Cách làm với cân nhà bếp điện tử
Một cân điện tử độ chia 0,01 g (loại cân nữ trang) là đủ cho mẫu từ khoảng 10 g trở lên. Cách làm gọn nhất không cần giá treo phức tạp:
- Cân mẫu khô, ghi khối lượng A.
- Đặt một cốc nước lên cân, bấm nút trừ bì để cân về 0.
- Buộc mẫu bằng sợi chỉ mảnh, cầm đầu chỉ (hoặc treo vào một que gác ngang) và thả mẫu chìm hoàn toàn trong nước, không chạm đáy và thành cốc.
- Số cân hiện lên lúc này, gọi là B, chính là khối lượng nước bị chiếm chỗ.
- Tỷ trọng = A ÷ B.
Cách này cho kết quả tương đương phương pháp cân mẫu treo trong nước, vì lực đẩy của nước lên mẫu có phản lực tương ứng đè xuống cốc.
Những nguồn sai số
- Bọt khí bám trên mẫu: làm mẫu "nhẹ" giả. Nhúng mẫu vào nước có một giọt nước rửa chén rồi lắc nhẹ để đuổi bọt.
- Mẫu xốp, nứt nhiều: nước thấm vào lỗ rỗng, số đo trôi dần. Đá chưa sạch hoặc đất bám cũng làm sai.
- Mẫu quá nhỏ: với mẫu dưới vài gam, sai số của cân 0,01 g trở nên đáng kể. Phòng thí nghiệm đá quý dùng cân chính xác hơn.
- Mẫu là hỗn hợp: một hòn đá nhiều khoáng vật cho tỷ trọng trung bình, không ứng với khoáng vật nào.
- Nhiệt độ nước: nước ở khoảng 25 °C có khối lượng riêng khoảng 0,997 g/cm³, chênh không đáng kể với phép đo tại nhà.
Chất lỏng nặng trong phòng thí nghiệm đá quý
Phòng thí nghiệm đá quý từng dùng những chất lỏng có tỷ trọng biết trước để thử nhanh viên đá chìm hay nổi: một viên đá nổi trong chất lỏng tỷ trọng 3,32 nhưng chìm trong chất lỏng 2,89 thì tỷ trọng nằm giữa hai giá trị đó. Các chất lỏng truyền thống như bromoform hay methylene iodide độc, bay hơi có hại, chỉ được dùng trong phòng thí nghiệm có tủ hút và người được đào tạo; nhiều nơi đã chuyển sang dung dịch ít độc hơn. Tuyệt đối không tự mua về thử ở nhà.
Tỷ trọng làm nên cả một nghề: đãi sa khoáng
Tỷ trọng không chỉ để nhận diện. Nó là nguyên lý của nghề đãi khoáng sản từ xưa đến nay. Khi lắc một chảo cát sỏi trong nước, khoáng vật nặng chìm xuống đáy, cát thạch anh nhẹ bị nước cuốn đi. Vàng, cassiterit, đá quý như ruby, sapphire, spinel, zircon đều nặng hơn thạch anh rõ rệt, nên dồn lại ở lớp cuối chảo.
Chính vì vậy, khi đá gốc bị phong hoá và sông suối mang đi, khoáng vật nặng tích tụ ở những chỗ dòng nước chậm lại: khuỷu sông, hố dưới thác, lòng suối cổ. Đó là các mỏ sa khoáng. Phần lớn ruby, sapphire khai thác thủ công ở Việt Nam và Sri Lanka đến từ sa khoáng. Nghề đãi đá và các mỏ sa khoáng cụ thể là chủ đề của những danh mục khác; ở đây chỉ cần thấy rằng sự chênh lệch vài đơn vị tỷ trọng đã quyết định nơi đá quý nằm lại.
Lưu ý: đãi khoáng sản ngoài tự nhiên, kể cả thủ công, phải có giấy phép theo Luật Địa chất và Khoáng sản; ở khu đã có mỏ cấp phép thì không được vào.
Góc nhìn hôm nay: đo tỷ trọng một viên sỏi
Một buổi chiều với cân nữ trang và cốc nước là đủ để đo tỷ trọng cho cả khay sỏi nhặt ở bờ suối:
- Bắt đầu với một viên thạch anh trắng: kết quả gần 2,65 nghĩa là phép đo của bạn đã đúng.
- Đo tiếp một mẩu đá bazan đen: thường khoảng 2,8–3,0 vì giàu khoáng vật sắt magie.
- Nếu có một mẩu pyrit hay hematit, con số sẽ nhảy lên 5 trở lên.
- Ghi lại theo bảng, thêm cột độ cứng và vết vạch, bạn đã có hồ sơ nhận diện như của một sinh viên địa chất năm nhất.
Muốn so sánh, tra từng loài trên Mindat ở mục "Specific Gravity", hoặc bảng tra trong các sách đá quý học của GIA.
Câu hỏi thường gặp
Tỷ trọng của khoáng vật là gì?
Tỷ trọng là tỉ số giữa khối lượng khoáng vật và khối lượng của một thể tích nước bằng thể tích của nó. Thạch anh có tỷ trọng khoảng 2,65, nghĩa là nặng gấp 2,65 lần cùng thể tích nước. Tỷ trọng không có đơn vị.
Cách đo tỷ trọng đá bằng nước như thế nào?
Cân mẫu khô được A. Đặt cốc nước lên cân, trừ bì về 0, rồi treo mẫu bằng chỉ cho chìm hẳn mà không chạm cốc, đọc số B. Tỷ trọng bằng A chia B. Nhớ đuổi bọt khí bám trên mẫu.
Vì sao galena nặng như vậy?
Galena là chì sunfua, và chì là nguyên tố rất nặng, nên tỷ trọng galena lên tới khoảng 7,4–7,6, gần gấp ba thạch anh. Cầm một cục galena cỡ quả trứng sẽ thấy nặng bất ngờ.
Tỷ trọng giúp gì trong thẩm định đá quý?
Nhiều đá quý trông giống nhau nhưng tỷ trọng khác: corundum khoảng 4,0, spinel khoảng 3,6, thạch anh 2,65. Đo tỷ trọng là một phép thử không phá mẫu, nhưng chỉ là một trong nhiều phép đo cần có để kết luận.
Vì sao vàng và đá quý tích tụ ở lòng suối?
Vàng, ruby, sapphire, zircon nặng hơn cát thạch anh. Khi dòng nước chậm lại ở khuỷu sông hay hố dưới thác, khoáng vật nặng lắng xuống trước, còn cát nhẹ bị cuốn đi, tạo nên mỏ sa khoáng.
