Tỉ trọng của một viên đá là khối lượng của nó chia cho khối lượng của một thể tích nước bằng thể tích viên đá; đo được tại nhà bằng một chiếc cân điện tử chia vạch 0,01 gam, một cốc nước và một sợi chỉ mảnh. Thạch anh cho tỉ trọng quanh 2,65, malachite quanh 3,6 đến 4,0, nhựa chỉ khoảng 1 đến 1,4. Con số này không phụ thuộc màu hay hình dạng, nên rất hợp để phân biệt những thứ trông giống nhau.
Phép đo dựa trên nguyên lý Archimedes, ai học vật lý phổ thông đều đã gặp. Cái khó nằm ở các chi tiết thực hành: cân đủ nhạy, đá đủ lớn, không có bọt khí bám, đá không thấm nước. Bài hướng dẫn từng bước, đưa ví dụ giả định có tính toán, và chỉ rõ những loại đá không nên đo bằng cách này.
Tỉ trọng là gì và vì sao nó hữu ích
Tỉ trọng là một tỉ số không có đơn vị: đá nặng gấp bao nhiêu lần một thể tích nước bằng nó. Vì nước có khối lượng riêng xấp xỉ 1 gam trên mỗi xăng ti mét khối, tỉ trọng có giá trị gần như bằng khối lượng riêng tính theo gam trên xăng ti mét khối. Sách khoáng vật học ghi tỉ trọng cho từng khoáng vật, thường dưới dạng một khoảng vì thành phần tự nhiên dao động.
Ưu điểm lớn của tỉ trọng là nó gắn với bản chất vật liệu chứ không với bề ngoài. Một hạt nhựa nhuộm xanh có thể trông giống ngọc lam, nhưng tỉ trọng của nhựa thấp hơn hẳn. Một khối sodalite xanh đậm có vệt trắng trông gần như lapis, nhưng tỉ trọng của sodalite thấp hơn lapis rõ rệt.
Nhược điểm là nhiều vật liệu có tỉ trọng sát nhau. Thạch anh và thuỷ tinh thông thường chênh nhau rất ít, đá tự nhiên và đá tổng hợp cùng loại thì trùng nhau. Vì vậy tỉ trọng là một phép loại trừ mạnh khi các ứng viên cách xa nhau, và chỉ là một dữ kiện phụ khi chúng sát nhau.
Chuẩn bị dụng cụ
Không cần mua thiết bị chuyên dụng. Phần lớn gia đình đã có sẵn hầu hết các món dưới đây, chỉ có cân là cần lưu ý độ nhạy.
- Cân điện tử chia vạch 0,01 gam, loại cân trang sức hay cân pha chế nhỏ. Cân bếp chia vạch 1 gam chỉ dùng được cho khối đá lớn vài trăm gam.
- Một cốc nhỏ bằng nhựa hoặc thuỷ tinh, đủ rộng để đá chìm hẳn mà không chạm thành cốc.
- Nước sạch ở nhiệt độ phòng; nước lọc hay nước cất đều được, nước máy để lắng cho bớt bọt khí.
- Chỉ nylon mảnh hoặc dây cước nhỏ, buộc thành vòng ôm đá, hoặc một giỏ nhỏ bằng dây kẽm mảnh cho hạt tròn.
- Một giá treo: một chiếc đũa gác ngang qua hai chồng sách đặt hai bên cân, không chạm vào cân.
- Khăn mềm để lau khô đá ngay sau khi đo, và giấy bút ghi số.
Đặt cân trên mặt phẳng chắc, tránh quạt gió và điều hoà thổi trực tiếp. Với cân 0,01 gam, một luồng gió nhẹ cũng làm số nhảy, và mọi sai số ở đây đều bị khuếch đại khi chia.
Cách đo từng bước theo kiểu đặt cốc nước lên cân
Có nhiều cách bố trí cân thuỷ tĩnh. Cách dưới đây dễ làm nhất với cân phổ thông vì không cần móc treo bên dưới cân.
- Cân viên đá khô, sạch, ghi lại khối lượng trong không khí, gọi là A. Cân ba lần, lấy số xuất hiện nhiều nhất.
- Đặt cốc nước lên cân rồi bấm nút trừ bì để cân về 0.
- Buộc đá vào sợi chỉ, treo từ chiếc đũa gác ngang phía trên, hạ đá chìm hoàn toàn vào nước. Đá không được chạm đáy hay thành cốc.
- Gạt nhẹ để bọt khí bám trên đá bong ra. Chờ vài giây cho số ổn định rồi ghi lại, gọi là B. Số này bằng khối lượng phần nước bị đá chiếm chỗ.
- Tính tỉ trọng bằng A chia cho B.
- Nhấc đá ra, lau khô ngay, rồi lặp lại toàn bộ phép đo thêm hai lần; lấy trung bình ba kết quả.
Vì sao số trên cân lại là khối lượng nước bị chiếm chỗ: khi đá chìm, nước đẩy đá lên một lực bằng trọng lượng phần nước bị chiếm chỗ, và theo định luật thứ ba Newton đá đẩy nước xuống một lực đúng bằng thế. Cân ghi nhận lực đẩy xuống ấy, trong khi sợi chỉ gánh phần còn lại của trọng lượng đá.
Tỉ trọng tham khảo của các loại đá hay gặp
Các khoảng dưới đây là giá trị thường gặp trong tài liệu khoáng vật học và đá quý học. Đá thực tế có thể lệch nhẹ do tạp chất, bao thể và độ xốp.
| Vật liệu | Tỉ trọng khoảng | Ghi chú |
|---|---|---|
| Thạch anh (tím, hồng, khói, trắng, vàng, aventurine) | 2,65 | Rất ổn định, dùng làm mốc so sánh |
| Chalcedony, mã não | 2,58 – 2,64 | Hơi thấp hơn thạch anh vì có lỗ rỗng vi mô |
| Thuỷ tinh thông thường | khoảng 2,4 – 2,6 | Thuỷ tinh chì có thể cao hơn 3 |
| Obsidian | khoảng 2,33 – 2,60 | Thuỷ tinh tự nhiên, trùng vùng với thuỷ tinh nhân tạo |
| Lapis lazuli | khoảng 2,7 – 2,9 | Dao động theo lượng pyrite và calcite |
| Sodalite | khoảng 2,2 – 2,4 | Thấp hơn lapis rõ rệt |
| Malachite | khoảng 3,6 – 4,0 | Nặng tay hơn hẳn các đá xanh khác |
| Fluorite | khoảng 3,18 | Nặng hơn thạch anh dù trông tương tự |
| Hematite | khoảng 5,0 – 5,3 | Rất nặng |
| Nhựa, resin | khoảng 1,0 – 1,4 | Nhẹ hẳn mọi loại đá |
Cặp dễ tách nhất là những cặp chênh nhau từ 0,2 trở lên: lapis với sodalite, malachite với nhựa hay thuỷ tinh xanh, đá bất kỳ với nhựa. Cặp khó là thạch anh với thuỷ tinh, mã não với thạch anh, đá tự nhiên với đá tổng hợp cùng loại.
Ví dụ giả định và cách đọc sai số
Ví dụ giả định: một viên cầu nhỏ được bán là thạch anh hồng. Cân trong không khí được A bằng 12,40 gam. Khi chìm trong nước, cân ghi B bằng 4,68 gam. Tỉ trọng bằng 12,40 chia 4,68, xấp xỉ 2,65, khớp với thạch anh. Kết quả này loại được nhựa, loại được phần lớn đá ép có nhiều keo, nhưng chưa loại được thuỷ tinh có tỉ trọng sát 2,65.
Sai số đến chủ yếu từ độ nhạy của cân. Với cân 0,01 gam, mỗi lần đọc có thể lệch một vạch. Ví dụ giả định thứ hai: một hạt nhỏ nặng 2,00 gam chiếm chỗ khoảng 0,75 gam nước. Nếu số đọc lệch một vạch thành 0,74 hoặc 0,76, tỉ trọng tính ra sẽ dao động từ khoảng 2,63 đến 2,70. Khoảng dao động này đủ rộng để không phân biệt được thạch anh với nhiều loại thuỷ tinh.
Cách giảm sai số là đo vật lớn hơn. Nếu là chuỗi hạt cùng loại, bạn có thể tháo dây và đo nhiều hạt cùng lúc trong một giỏ nhỏ, miễn là trừ đúng phần giỏ. Đá trên khoảng 10 gam cho kết quả đủ tin cậy với cân 0,01 gam. Bọt khí bám trên bề mặt làm B lớn lên nên tỉ trọng ra thấp hơn thực tế; nếu kết quả thấp bất thường, kiểm tra bọt khí trước khi nghi đá.
Dùng con số tỉ trọng để loại trừ: ba tình huống
Tình huống thứ nhất, ví dụ giả định: một mặt dây xanh lam có đốm vàng được gọi là lapis. Đo được tỉ trọng khoảng 2,3. Con số này thấp hơn hẳn khoảng thường gặp của lapis nhưng nằm gọn trong vùng của sodalite, một khoáng vật xanh đậm có vệt trắng hay bị bán nhầm. Đốm vàng lúc này cũng đáng soi lại dưới kính lúp: pyrite thật là tinh thể kim loại sắc cạnh, còn kim tuyến hay bột màu có hình dạng khác.
Tình huống thứ hai: một khối xanh lá có vân đồng tâm được gọi là malachite, nhưng cầm thấy nhẹ tay. Tỉ trọng đo được khoảng 1,3. Malachite thật nặng gần gấp ba lần con số này; kết quả gần như chắc chắn chỉ ra nhựa hoặc resin in vân. Đây là kiểu trường hợp tỉ trọng trả lời dứt khoát nhất.
Tình huống thứ ba: một quả cầu trong suốt được gọi là thạch anh trắng, đo được 2,52. Con số này thấp hơn thạch anh và nằm trong vùng của nhiều loại thuỷ tinh. Nó gợi ý thuỷ tinh, nhưng vì khoảng chênh nhỏ, nên kiểm thêm bằng kính phân cực và kính lúp trước khi kết luận. Ngược lại, đo ra 2,65 cũng chưa đủ khẳng định thạch anh; tỉ trọng chỉ là một mảnh trong bức tranh.
Quả cầu lớn, khối trưng bày và chuỗi hạt
Với vật lớn vài trăm gam trở lên như quả cầu hay khối trưng bày, sai số do độ nhạy của cân trở nên rất nhỏ, kể cả với cân bếp chia vạch 1 gam. Cái khó chuyển sang chỗ treo: cần sợi dây chắc, một chiếc rổ lưới nhỏ hoặc túi lưới để đỡ vật, và một cái thùng đủ lớn để vật chìm hẳn mà không chạm thành. Trừ khối lượng phần rổ lưới bằng cách đo riêng nó trong nước trước.
Với chuỗi hạt, đo cả chuỗi khi còn dây là sai, vì dây chun, hạt chặn kim loại và khoảng rỗng giữa hạt làm lệch số. Nếu không muốn tháo dây, có thể chọn một mặt dây hay một hạt lớn rời cùng loại để đo. Nếu chấp nhận tháo, hãy đo một nhóm từ mười hạt trở lên cùng lúc trong giỏ lưới, rồi xâu lại bằng dây mới.
Cũng nên lưu ý quả cầu đặc ruột và quả cầu có hốc tinh thể bên trong. Hốc rỗng làm tỉ trọng chung thấp hơn khoáng vật, nên quả cầu nhìn thấy hốc ở mặt cắt không phù hợp để đo theo cách này.
Khi nào không nên đo tỉ trọng bằng nước
Đá xốp hoặc đã ổn định bằng nhựa. Ngọc lam, một số lapis kém chất lượng, đá đã tẩm nhựa có thể hút nước vào lỗ rỗng. Nước làm sai số đo, và tệ hơn là có thể kéo theo màu nhuộm hoặc làm đá đổi màu khi khô.
Đá đã nhuộm. Màu nhuộm trên mã não, howlite, đá mềm có thể loang ra nước. Nếu nghi nhuộm, đừng đo bằng nước; ghi lại nghi vấn và để phòng giám định kiểm.
Đá gắn kim loại hoặc xâu dây. Khoen, chốt, dây chun, dây kim loại có tỉ trọng khác hẳn đá và làm số đo vô nghĩa. Chỉ đo đá rời.
Đá có vết nứt chạy ra bề mặt. Nước thấm vào khe nứt rồi đọng lại, có thể làm nứt lan rộng khi khô hoặc khi gặp nhiệt.
Malachite và các đá chứa đồng. Đo nhanh trong nước sạch rồi lau khô ngay thì không sao với bản thân viên đá, nhưng không dùng nước đó vào việc khác. Tuyệt đối không ngâm lâu để làm "nước đá" uống.
Câu hỏi thường gặp
Có thể dùng chất lỏng nặng như phòng giám định để thử nhanh không?
Phòng giám định dùng một số chất lỏng tỉ trọng cao để xem đá nổi hay chìm. Nhiều chất lỏng loại này độc hại, đắt và cần quy trình an toàn. Ở nhà không nên tìm mua hay tự pha; cân thuỷ tĩnh với nước sạch là đủ cho mục đích loại trừ thông thường.
Nhiệt độ nước có ảnh hưởng nhiều không?
Khối lượng riêng của nước thay đổi rất ít trong khoảng nhiệt độ phòng ở Việt Nam, chênh lệch nhỏ hơn nhiều so với sai số của cân 0,01 gam. Bạn có thể bỏ qua yếu tố này, miễn là nước không quá nóng hoặc có quá nhiều bọt khí.
Thêm một giọt nước rửa chén để bọt khí đỡ bám có được không?
Một giọt rất nhỏ làm giảm sức căng bề mặt và giúp bọt khí bong dễ hơn. Tuy vậy, không nên dùng với đá xốp, đá đã nhuộm hay đã tẩm, vì chất tẩy rửa có thể thấm vào. Với thạch anh nguyên khối thì không có vấn đề gì.
Kết quả đo lệch khỏi khoảng trong sách thì kết luận thế nào?
Trước hết đo lại cẩn thận, kiểm tra bọt khí, kiểm tra đá có chạm cốc không. Vẫn lệch rõ thì có hai khả năng: đá không phải khoáng vật được gọi tên, hoặc đá có thành phần pha trộn như đá ép. Cả hai đều là lý do để hỏi lại người bán hoặc đem giám định.
Cân bếp chia vạch 1 gam có dùng được không?
Chỉ dùng được với khối đá lớn, cỡ vài trăm gam trở lên, như quả cầu hay khối trưng bày. Với vòng tay hay mặt dây, sai số của cân 1 gam lớn hơn cả khoảng chênh giữa các loại đá, nên kết quả không có ý nghĩa.
Có ứng dụng điện thoại nào đo tỉ trọng không?
Ứng dụng chỉ có thể giúp tính phép chia và tra bảng tỉ trọng; phần đo vẫn cần cân và nước như mô tả. Hãy cảnh giác với ứng dụng tự nhận nhận diện đá chỉ qua ảnh chụp, vì màu sắc trên ảnh không đủ để xác định khoáng vật.