长春工程
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2023年2月20日发(作者：)水晶改色课程设计报告
一.水晶改色实验简述：
人类对水晶的开发利用有着悠久的历史，最早发现并利用的矿物中就有水
晶，距今50万年的北京周口店古文化遗址里就发现有水晶制作的石器。水晶
以其纯净、透明、坚硬的特点被人们所喜爱，并被喻为心地纯洁、坚贞不屈
的象征。水晶的化学成分是二氧化硅(Si02)，常含有Fe,Ti,Al等微量元素，而使
水晶出现不同颜色和不同的品种。水晶改色主要有两个方向，一为热处理，
二为染色。我们组对水晶分别进行了热处理与染色实验，下面分别介绍热处
理与染色实验的具体情况。
二.热处理改色：
（一）实验方案：
1.购买水晶原材料，分大粒，中粒，小粒的天然紫水晶和无色水晶原石。
紫水晶应尽量透明，紫色浓郁。若紫色过浅，经过热处理后得到的黄水晶
颜色几乎不可见。（但是由于经费的问题紫水晶主要是不透明但颜色浓郁
的。）
2.根据实验室的仪器设置适当的温度梯度。
3.根据温度梯度进行加热处理，每次加热完成后保温5分钟后取出。（部
分加热按照升温方式在最高温度加热20分钟后取出）
4.自然冷却至室温，观察水晶的颜色变化并拍照记录。
（二）实验用具：
1.电炉：可控制升温速率及保温。
2.瓷坩埚：盛装水晶颗粒。
3.坩埚钳。
4.紫水晶颗粒。
（三）实验原理：
1.色心致色：色心是指能选择性吸收可见光的晶体结构缺陷。水晶中
常含外来杂质AI3+,Fe2+,Fe3+,Ti3+等过渡金属离子，由于它们的离子半径
小，可置换晶格中的Si4+或进入晶胞间隙，H+或一些碱金属离子(Li+,Na+,
K+)进入阳离子空位，补偿过渡金属进入晶体时的电价，保持晶体的电中
性。当水晶受到X射线或Y射线辐照后，晶格发生畸变，产生大量的结构
缺陷，形成空穴色心，导致水晶呈现一定的颜色。
2.紫晶致色机制：是指紫色的水晶，其颜色可以从浅紫色一直到红紫
色。紫晶的颜色与成分中所含微量的三价铁离子杂质元素有关，Fe3+以类
质同像的形式替代晶格中的Si4+，受到X射线、γ射线或中子辐照作用后，
Fe3+离子的电子壳层中成对电子受到激发，产生[Fe04]4-空穴色心。空穴色
心在高温加热条件下会遭到破坏，紫色会完全褪去。一些颜色较差的紫晶
适用于热处理，将紫晶加热到一定温度后，可形成黄晶或过渡产品绿水晶，
人们己接受这种热处理。热处理过的水晶有时会由于热应力造成应力裂隙
或包裹体周围会出现微小的裂隙。
3.本次热处理实验利用了破坏紫晶色心，色心其实是宝石的一种晶格
缺陷，能选择性地吸收可见光，从而产生颜色。色心常见的有电子心、空
穴心和杂质离子心。对色心致色的宝石进行热处理，其原理是给色心中的
电子一定的能量，电子获得能量后，跃迁至更高能级。当处于更高能级的
电子回到稳定的低能级状态时，会以光能的形式释放能量，使宝石呈现出
不同于无色心的颜色。但当色心中的电子获得得能量超过陷阱能时，色心
中的电子会被激发，逃离陷阱，导致色心被破坏，宝石的颜色褪去或发生
改变。因此，制定好相应的温度制度，使色心发生变化，可以改善宝石颜
色。
（四）操作步骤：
1.样品选取时尽量选择颜色均匀、内部纯净、含包裹体少的水晶，以
减少气液包裹体等对于数据测定和热处理温度的影响。
2.向个坩埚内分别装入一颗颜色、大小差异较小的大粒紫晶，3-4颗
中粒紫晶，4-5颗小粒紫晶填满。（中粒、小粒紫晶为随机抽取。）
3.给每个坩埚标上备用温度，当坩埚内的温度达到要求是，用坩埚钳
夹起坩埚，放入电炉内保温5分钟。温度梯度设置为：700，500，450，
400，350，300度。紫水晶的加热温度尽量不要超过600度，因为在600度
以上，紫水晶可能变为不透明的乳白色而使原材料报废，这里仅设置一组
作为对照。
另外450度、300度有两组使用随温度上升方法加热，并且在最高温时
保温20分钟，作为加热时间对比。
4.取出后马上拍照。
5.等待自然冷却至室温，颜色稳定后拍照。
（五）实验成果：
实验过程：设置温度梯度：
未加热前的：
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以下为刚刚出坩埚时各个温度梯度的照片：
700度，加热时间20分钟500度，加热时间5分钟
450度，加热时间5分钟400度，加热时间5分钟
350度，加热时间5分钟300度，加热时间5分钟
最后冷却到室温后的照片：
由图片对比可发现：加热时间为5分钟时，刚刚加热完成的紫晶的变色效
果较为明显，但是当紫晶降温后部分紫晶的颜色再次发生变化。500、450、
400、350度加热后，出坩埚的片刻时，紫晶上多为深绿色，但是随着紫晶温
度的降低，颜色慢慢恢复紫色。此现象在450、400度加热的两组中较为明显。
由于300度、450度两组有加热20分钟的对比组，可清楚发现这两组在冷
却前后的颜色变化几乎不可见，并且加热20分钟与加热5分钟的颜色效果明显
不同。
300度：加热5分钟时，颜色变化几乎不可见。加热20分钟时，紫色几乎
退却，出现明显黄绿色。
350度：加热5分钟时，大颗粒紫晶颜色变化几乎不可见，中、小颗粒紫
晶的表面部分发生变色，紫晶内含绿色。
400度：加热5分钟时，大、中、小颗粒紫晶的表面部分发生变色、紫晶
内含绿色。
450度：加热5分钟时，大颗粒紫晶颜色部分发生变色，中、小颗粒紫晶
大多数发生完全变色，变为浅黄色。加热20分钟时，大、中、小颗粒紫晶完
全变色，变为浅黄色。
500度：加热5分钟时，大颗粒紫晶颜色有过渡层，在裂隙多的一头部分
颜色全部失去，但是主体颜色为紫色。中、小颗粒的紫晶全部变色，变为黄
色、深绿等。
700度：加热20分钟时，大、中、小颗粒的紫晶完全变色，变为白色带点
绿色调。且质地变得更为的脆。
（六）实验结论：
实验结果证明，紫晶在350℃以下时颜色基本稳定，褪色温度在400℃
附近，空穴色心在400℃附近变得不稳定，部分消失，证明了天然紫晶为空穴
色心致色。在450℃左右即转变为淡黄色，细小的紫晶颗粒完全转变为淡黄色，
而大块的水晶只有轻微褪色，产生这种差异可能是由于紫晶颗粒体积不同，
颜色深浅不同，含Fe量不同所致。
当加热的时间不够长时，紫晶加热后产生的颜色不稳定。当加热时间
为5分钟（或小于5分钟）时，紫晶产生的颜色在冷却到室温后部分重新变回
紫色。此现象在大的紫晶上表现的较为明显。
由此可以知道，紫晶加热后改变颜色的主要因素为：紫晶的大小、紫
晶的致色元素、紫晶的颜色浓度、紫晶的包体、紫晶的裂隙发育程度、加热
温度、加热时间等。
（七）误差分析：
1.热处理温度包含最高温度和温度范围。不同大小宝石在进行热处理
改色时温度最高值和温度范围是不同的，即使同种宝石不同大小在不同的
温度范围，其颜色的变化也是不同的。另外不同产地的宝石由于致色离子
种类和含量的差异，也需要不同的热处理最高温度和温度范围。本次实验
假定了所有使用的相似大小的紫水晶在相同温度下颜色变化是相同的。这
一点可能造成颜色结论方面的轻微差异。
2.实验所用电炉控温可能有10摄氏度左右误差。
3.没有一模一样的紫晶，而且紫晶内的裂隙与包裹体或多或少的不
同。
4.本次的紫晶加热为下温度梯度，即按照从高温向低温转变。每一个
加热时间为5分钟的温度组都只在那个温度中加热5分钟，前期没有进行任
何升温处理，即直接从室温上升到指定温度。导致紫晶在加热后破裂较为
严重。
5.本次的紫晶加热为下温度梯度，即按照从高温向低温转变。加热
炉在降温的过程中处于非密封状态，加热炉的保温效果不肯定。每一个加
热时间为5分钟的温度组的指定温度与实际温度有较大的出入。
（八）注意事项：
1.把宝石放在加热炉内加热，是从室温开始升温，从室温升高到所
需的温度，如果升温太快，就可能因为宝石的内外温差太大导致宝石发生
破裂。水晶尤其容易崩裂，另外，宝石受热产生变化需要一个渐变的过程，
升温太快会造成各部位的变化不均衡，变化差异大，易色斑、色块等不良
后果。同样，宝石在冷却过程中，降温速度也不能太快，以防宝石开裂。
当然升温和冷却的速度也不能无限制的慢，还要考虑效率。升温和
冷却的速度应该在不损害宝石的前提下进行，同时考虑升温和冷却的速度
对效率的影响。
2.最好使用较大的坩埚，其中铺设石英砂作为导热介质，这样能够
有效地防止宝石受热不均导致的开裂。将宝石埋入石英砂中，防止崩开的
高温宝石造成危险。本次实验就是因为没有条件使用合适的介质，所以很
多材料开裂，崩飞，可在加热炉内发现很多碎块。为防止加热时样品的炸
裂:在实际操作中可以采取措施加以避免。a.慢而均匀地升温;b.可以选
择适当的加热媒介,如用纯净的细沙作加热介质。介质纯净,以防高温下污
染样品;c.加热要选用琢磨成型的样品,一方面去掉样品中明显的裂纹,
以防加热时扩展而损坏样品,另一方面可以提高效率,保证受热变化的均
匀性。但是我们的实验由于实验器材和实验经费的问题，无法配备加热介
质、大的坩埚和保证紫晶的品质、加热的时间等原因。
3.保温的时间一定要足够，宝石在加热到所需的温度后需要在此温
度上保持一段时间，原因是尽管宝石的表面达到了所需的温度，但是宝石
内部温度还没有达到所需的温度，需要保持温度一段时间，使宝石的内外
温度达到均一。在宝石内外温度达到一后，还要继续保温一段时间，以保
证宝石内外部都充分发生反应。我们这次实验的目的是通过破坏紫水晶内
部的色心而使其变色，选择了保温5分钟很适宜。但是由于实验室时间条
件的限制，坩埚保温的功能几乎没有，无法准确的保证保温时间一定为5
分钟和温度在误差范围内。
4.加热气氛，本次实验对气氛的要求不高，我们使用的是最常用的
氧化气氛（空气），虽然在加热的过程中氧化气氛会影响紫水晶中的铁离
子，从而影响颜色，但是取出水晶冷却后，颜色会自行恢复。
三.染色：
（一）实验方案——染色：
1.将各种大小的无色天然水晶块放入电炉中加热至300摄氏度。
2.取出后迅速放在染料中淬火冷却，水晶出现大量细小的裂隙。
3.将出现裂隙的水晶继续放在配置好的染料中浸泡数小时。
4.取出浸泡完成的水晶，擦去多余染料，洗净后拍照记录。
（二）实验用具：
1.烧杯若干个。
2.染料：甲基蓝，甲基红，硝酸铁溶液，2%浓度的硫酸铜溶液，红色水粉
颜料和紫色水粉颜料。
3.镊子若干。
4.水浴保温槽
5水浴加热仪器。
6.无色天然水晶中粒若干
7.坩埚若干
8.电炉
（三）实验原理：
染色处理首先要加热待处理的无色水晶，将水晶浸于配好颜色的溶液
中淬火，有色溶液浸入淬火裂隙，因此水晶染上溶液的颜色。染色水晶的
炸裂纹很明显，溶液的颜色全部集中于裂隙中，很容易识别，特别是在放
大镜或显微镜下观察。
（四）操作步骤：
1.取实验室现有的硫酸铜溶液倒入烧杯1中，配制饱和的甲基蓝和甲基
红分别倒入烧杯2和3中，饱和硝酸铁溶液倒入烧杯4中，将红色和紫色水分
颜料在烧杯5和6中化开。
2.将2个瓷坩埚装上中粒的无色透明水晶，不要装的太满，以防崩出。
3.用坩埚钳将坩埚放入电炉内，升温至300度，保温一段时间。(或直接
将坩埚放入到已经达到300度的电炉内，待450度时取出。此法产生的裂隙相
对较多，但是严重破坏水晶的完整性，大颗粒的白水晶都可以直接用手掰开。)
4.取出坩埚，用镊子夹起受热的水晶，分别迅速放入各染料中，水晶炸
裂，内部出现大量裂隙，染料迅速进入内部。
5.恒温水浴浸泡一段时间，加速染料进入内部。
例：
6.硫酸铜溶液和硝酸铁溶液烧杯放入高温水浴箱内加热浸泡。
7.大约5小时后取出所有水晶，洗净擦干，挑选出着色较好的进行拍照
记录。
（五）实验成果：
紫色水粉染料：红色水粉染料：
甲基蓝染料：甲基红染料：
硝酸铁加氨水染料：未染色的淬火白水晶：
全部成品：
（六）实验结论：
加热后的白水晶与水的温差在一定范围中，温差越大，淬火裂隙越大。
但是即使不考虑现实生产中的效率问题，也必须考虑淬火产生的裂隙过多
对晶体产生的影响。如果淬火产生的裂隙过多，使晶体裂隙过于发育，会
降低晶体的坚硬度，使晶体不具有宝石三大性质中的耐久性，从而减少晶
体的价值。
白水晶经过淬火，产生大大小小的裂隙。如果用分子较大的水粉颜料
来染色，会使部分小裂隙无法完全被染色；如果使用分子较小的化学试剂
来染色，可以使大部分的裂隙被染色，但是由于化学试剂的颜色不好选择，
染出的晶体颜色与预想的会有较大的差异。
（七）误差分析：
1、在实验中，白水晶的加热过程中没有任何防止白水晶破裂的措施。
所以白水晶在淬火后产生的裂隙中不止有淬火裂隙，还有由于温度过高白
水晶自身产生的裂隙。
2、部分白水晶是在电炉达到300度后，直接放入电炉中的。前期没有
经过任何的预热处理。突然升温导致部分白水晶直接在坩埚中破裂。
3、由于白水晶主要加热到300度或450度，加热的温度稍高，温度可
能或多或少对白水晶内的结构进行改变，例如：将白水晶里的小裂隙扩大
化，使晶体直接断裂等
（八）注意事项：
1、最好使用较大的坩埚，其中铺设石英砂作为导热介质，这样能够
有效地防止宝石受热不均导致的开裂。将宝石埋入石英砂中，防止崩开的
高温宝石造成危险。本次实验就是因为没有条件使用合适的介质，所以很
多材料开裂，崩飞，可在加热炉内发现很多碎块。为防止加热时样品的炸
裂:在实际操作中可以采取措施加以避免。a.慢而均匀地升温;b.可以选
择适当的加热媒介,如用纯净的细沙作加热介质。介质纯净,以防高温下污
染样品;c.加热要选用琢磨成型的样品,一方面去掉样品中明显的裂纹,
以防加热时扩展而损坏样品,另一方面可以提高效率,保证受热变化的均
匀性。但是我们的实验由于实验器材和实验经费的问题，无法配备加热介
质、大的坩埚和保证白水晶的质量、加热的时间等原因。
2、加热白水晶的温度不宜太高。过高的温度一则不符合实际生产中
的效率，二则过高的温度会使白水晶内的裂隙更为发育，使水晶内部产生
贯穿的裂隙，水晶直接断裂。
3、加热白水晶最好采用顺温度梯度上升加热，减少白水晶因为加热
产生的裂隙。本实验部分白水晶直接进行高温加热，无预热处理，导致部
分水晶直接在电炉中炸裂。
四.反思：
1、实验前没有研究足够的材料。没有了解紫水晶加热后由于紫晶的致
色元素而导致的颜色是不同的，只是单方面的了解温度、加热时间对紫水
晶加热的影响。致使紫水晶加热后出现的绿色无法系统的解释，只能把它
暂且归于黄色偏绿类。
2、在实验前把实验设备想象的过于完美。以个人的臆想，认为实验室
会提供足够的加热器。致使温度梯度和温度时间的设置在实际中的操作与
预想的差异过大。
3、在实验前把实验设备想象的过于完美。以个人的臆想，认为实验室
会提供加热时的介质，致使我们没有准备加热的介质。使得实验的多项结
果，与预想的发生大的偏差。
4、在实验前没有与老师进行良好的沟通，导致实验条件中多项条件与
规定中的不同。例：由于加热炉控温不够精确，所以我们设置的温度梯度
范围都在50度，而这个范围对紫水晶的褪色和变色太过宽泛，我们只能观
察到水晶变为淡黄色，而观察不到它的褪色温度。