A keménység alapfogalma:
Az ásványok keménysége a felületükre való behatolásnál érezhető ellenállásban nyilvánul meg, azaz tulajdonképpen nem már, mint karcolhatóság. A drágakövektől megkívánjuk, hogy elég kemények legyenek, mert tulajdonképpen ettől függ tartósságuk, ellenállóságuk. Hiába van valamely ásványnak szép színe, vagy erős fénye, ha nem elég kemény, drágakőnek nem alkalmas, mert hordás és használat folytán előbb-utóbb tönkre megy. A nem elég kemény kő összekarcolódik, kopik, fényét elveszíti, és zavaros felületű lesz. Hiába vigyázunk rá viselés közben, hiába védjük ütéstől, leeséstől, mert a kárt a levegőben lévő porszemcsék is előidézik, amelyek legnagyobb része elég kemény kvarcszemcsékből áll.
Ezért kívánjuk meg a legtöbb drágakőtől, hogy a kvarcnál lehetőleg keményebb legyen. Különös szépségüknél fogva, kis keménységük ellenére is ékességül használt anyagok, mint a gyöngy és a borostyán, rendkívül elővigyázatos bánásmódot kívánnak. A kisebb keménység folytán a használatban keletkezett sérülések az átlátszatlan ékkövek szépségének kevésbé ártanak, mint az átlátszó kövekének és éppen ezért az átlátszatlan kövek között több olyan van, amelyeknek elég kicsi a keménységük, ilyen például a lazúrkő, türkíz.
A keménység – mint segédeszköz:
Ez a fizikai tulajdonság nemcsak arra segédeszköz, hogy segítségével a drágaköveket egymástól megkülönböztessük, hanem arra is, hogy az utánzatokat és hamisítványokat felismerjük.
A keménység meghatározása:
Legegyszerűbb módon az ásványok keménységét úgy szoktuk meghatározni, hogy egy másik ásvány hegyes sarkával próbáljuk megkarcolni. Amelyik ásvány a másikat megkarcolja, az a keményebb. Ezen az alapon Friederich Mohs, német mineralógus 10 tagból álló keménységi fokozatot állított össze, amelyben minden következő ásvány keményebb, mint az előző. A Mohs-féle skála jól ismert, közönséges és könnyen beszerezhető ásványokból van összeállítva:
1. Zsírkő
2. Gipsz, vagy kősó
3. Kalcit
4. Fluorit
5. Apatit
6. Földpát
7. Kvarc
8. Topáz
9. Korund
10. Gyémánt
A Mohs-féle skála fokozatai csak viszonylagos számok, csak azt fejezik ki, hogy minden következő tag, keményebb, mint az előző és nem azt, hogy hányszor keményebb.
A keménységet úgy határozzuk meg, hogy a vizsgálandó ásványt próbáljuk a fokozat tagjaival egymás után megkarcolni. Vigyázzunk arra, hogy a vizsgálandó ásvány olyan részén végezzük a karcpróbát, ahol a karcolás a kő szépségének nem árthat, így csiszolt köveken legajánlatosabb a próbát a kő peremén végezni, ahol az esetleges karcolást a kő foglalata eltakarja. Annak az ásványnak, amellyel a karcolunk hegyes csúcsa, vagy éle legyen és e hegyes, vagy éles részével végezzük a karcolást. A keményebb ásvány hegye, vagy éle a karcolásnál a lágyabb ásvány felületén barázdát idéz elő. A barázda megvizsgálását nagyon gondosan kell végezni, mert könnyen összetéveszthető a karcolásnál a puhább ásványról levált finom porral. Ezért karcpróba után mindig gondosan fújjuk és töröljük le a kő felületét és ne csak szabad szemmel keressük a karcolási barázdát, hanem mindig nézzük meg kézi nagyítóval, lupéval is.
Ha a vizsgálat megejtésénél azt tapasztaljuk, hogy kövünket például a fluorit nem karcolja, de az apatit már igen, akkor keménysége e kettőnek a keménysége között van, vagyis 4 és fél. Ha kövünket a fluorit nem karcolja, de az apatit csak gyengén, akkor keménysége az apatitéval megegyezik, vagyis 5. Egyenlő keménységű ásványok ugyanis gyengén karcolják egymást.
Egyszerűsítések:
Bizonyos megfigyelések és egyszerű kísérletek lényegesen megrövidítik a folyamatot, úgyhogy nem kell a skála összes tagjával végigvinni a próbát.
Az első és a második fokot képviselő ásványok már körömmel is megkarcolhatók és az első keménységi fokra még az jellemző, hogy az ásvány zsíros tapintású.
Ha az ásvány körömmel nem karcolható, akkor elővesszük zsebkésünket, amely a harmadik keménységű ásványokat könnyen, a negyediket nehezebben, az ötödiket pedig már alig karcolja.
Hatodik, vagy ennél nagyobb keménységű ásványok karcolják az ablaküveget, amelynek körülbelül 5 a keménysége.
A hétnél nagyobb keménységű ásványok az acéllal ütve szikráznak.
A drágakövek keménységének vizsgálatánál e fokozat alsó tagjai alig jönnek számításba, mert az ékkőnek használt ásványok legnagyobb része nagyobb keménységű. A drágakövek vizsgálatához keménységi skála kapható olyan formában is, hogy a megfelelő fokozatot jelképező ásvány egy éles szilánkja ceruzaszerű nyélbe van illesztve és az ilyen eszközzel a karcolási próbát még a foglalt kő alsó részén is könnyen elvégezhetjük.
Drágakő meghatározási célra a keménységi skálába még be szokták iktatni a földpát és a kvarc közé a nefritet (6 és fél), a kvarc és a topáz közé a cseh gránátot (7 és fél), a topáz és a korund közé a krizoberillt (8 és fél).
Keménységi anizotrópia:
Az ásványok keménységét vizsgálva, csakhamar rájövünk arra, hogy a keménység nem minden irányban és nem minden kristálylapon egyenlő. Ez a keménységbeli különbség a legtöbb esetben nem nagy, de igen szembetűnő a kianiton, amely éppen a feltűnő tulajdonságánál fogva kapta második nevét: disztén (=két erősség). Az ékkőnek is használt ásvány oszlopos kristályai az oszlop hossztengelyének irányában sokkal kisebb keménységűek, mint az erre merőleges irányban. Az acéltű a prizmát hosszban könnyen karcolja, de keresztben már nem, előbbi irányban 5 a keménység, az utóbbiban 7.
(Megcsiszolt, fazettált, királykék, tiszta kianit Nepálból, 11.84 karátos, AlleGem gyűjtemény.)
Keménység a megmunkálás vonatkozásában:
Az ásványok keménysége abban is kifejezésre jut, hogy mennyire nehezen, vagy könnyen csiszolhatók. Keményebb ásvány nehezebben csiszolható, mint a lágyabb. Az úgynevezett csiszolási keménységet úgy állapíthatjuk meg, hogy ismert súlyú ásványdarabkát ismert mennyiségű csiszolóporral (szilícium karbid, vagy gyémántpor), üveg, vagy fémkorongon bizonyos ideig csiszolunk, majd az ásvány súlyveszteségét lemérjük. Az így kapott súlyveszteségből a fajsúly figyelembe vételével kiszámítjuk a térfogatvesztéseget, amely annál kisebb lesz, minél keményebb az ásvány.
Rosiwall végzett ilyen keménységi vizsgálatokat a különböző ásványokon és a Mohs-féle keménységi skála tagjaira a korund keménységét 1000-nek véve a következő, relatív eredményeket nyerte:
Zsírkő: 0.5, Kősó kockalapon: 1.24, oktaéderlapon: 1.42, Kalcit hasadási romboéderlapon: 2.02, bázislapon: 3.63, Fluorit oktaéderlapon: 3.01, kockalapon: 3.2, Apatit bázislapon: 3.48, prizmalapon: 5.48, Földpát ortoklász) bázislapon: 18.1, bázisra merőleges lapon: 39.2, Kvarc romboéderlapon: 77.4, prizmalapon: 91, bázislapon: 105.5, Topáz bázislapon: 91.4, prizmalapon 127.5, Korund: 1000.
Az értékek összehasonlításából kitűnik, hogy a Mohs-féle skála egyes tagjai között milyen nagy keménységbeli különbségek vannak, és hogy a különböző kristálylapokon is eltérő a keménység. Roiswall kísérletei alapján a gyémánt keménységét átlagosan 90-szer nagyobbnak találta a korundénál.
A különböző keménységek, illetve a különböző irányokban mért eltérő keménységek magyarázata is az ásványok belső szerkezetének felépítésével lehetséges. A keménység ugyanis szorosan összefügg az ásványt felépítő atomoknak a kristály rácsában való elrendeződésével. Ha az atomi elrendeződés olyan, hogy az összetartás nagyobb közöttük, az ásvány keményebb lesz.
