Алмаз, описание, характеристики, свойства и происхождение

Кристаллической решеткой алмаза ученые заинтересовались давно. Благодаря ее характеристикам, камень имеет особые свойства и ценность. Существуют аллотропные модификации, используемые в промышленности, электронике, медицине, космонавтике, авиации. В настоящее время развивается отрасль по созданию искусственных алмазов, но она требует больших затрат.

Алмаз, характеристики, описание, кристаллическая решетка, химический состав:

Алмаз (от др.-греч. ἀδάμας «несокрушимый», через араб. ألماس‎ [’almās] и тур. elmas) – минерал, кубическая аллотропная форма углерода. Химическая формула алмаза – C.

Алмаз

– это природный минерал, состоящий из углерода и кристаллизующийся в кубической сингонии.

Наряду с графитом, алмазом существуют еще много аллотропных форм углерода. Например, графен, фуллерен, углеродные нанотрубки и т.д. Свойства данных веществ совершенно отличаются друг от друга.

Алмаз является самым твердым природным материалом на Земле.

Алмаз – редкий, но вместе с тем довольно широко распространённый минерал. К настоящему времени алмазы найдены на всех континентах Земли, в том числе и в Антарктиде.

Алмаз представляет собой твердую аллотропную форму углерода, атомы которого имеют кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку. При этом, каждый атом углерода в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома.

Таким образом, в алмазе каждый атом углерода связан с четырьмя другими атомами. В алмазе связи сформированы sp3 гибридными орбиталями. Такая связь является наиболее прочной. Именно прочная связь атомов углерода и отсутствие свободного электрона объясняет высокую твёрдость алмаза. Из всех известных веществ алмаз также имеет наибольшее количество атомов на единицу объема, поэтому он одновременно и самый твердый, и наименее сжимаемый.

Наоборот, в графите – другой аллотропной форме углерода, каждый атом углерода связан с тремя атомами аналогичными атомами и имеет один свободный электрон. В графите межатомные связи сформированы sp2 гибридными орбиталями. Связи между атомами углерода в графите формируются в одной плоскости. Связи между плоскостями графита слабы. Это и обуславливает высокую мягкость графита и свойство слоев графита легко отделяться (отслаиваться) друг от друга.

При нормальных условиях (т.е. комнатной температуре и нормальном давлении), а также высоких давлениях алмаз может существовать неограниченно долго. При комнатной температуре и давлении другая твердая форма углерода, известная как графит, также является химически стабильной формой, но алмаз почти никогда не превращается в нее. И только в вакууме или в инертном газе при повышенных температурах – при 2000 оС алмаз постепенно переходит в графит.

Алмазы бывают совершенно разных цветов и оттенков: от стального серого, белого до коричневого и черного цветов. Редко встречаются бесцветные и прозрачные камни. Это обусловлено тем, что природный алмаз может содержать небольшое количество дефектов и примесей (около одного на миллион атомов углерода). Небольшие количества дефектов или примесей окрашивают алмаз в синий (примеси бора), желтый (примеси азота), коричневый (дефекты кристаллической решетки), зеленый (радиационное воздействие), фиолетовый, розовый, оранжевый, красный или серые цвета. Вместе с тем, химически чистый и структурно совершенный алмаз прозрачен и не имеет оттенка или цвета.

Алмаз также обладает относительно высокой оптической дисперсией (способностью рассеивать свет разных цветов).

Твердость алмаза и его высокая оптическая дисперсия способствует его использованию в качестве драгоценного камня. В отличие от многих других драгоценных камней, он хорошо подходит для ежедневного ношения из-за его устойчивости к царапинам. Поцарапать алмаз может только другой алмаз.

Огранённый алмаз называется бриллиантом.

Алмаз состоит из чистого углерода. В небольших количествах в нем присутствуют различные примеси других химических элементов (бор, азот, алюминий, кремний, кальций, магний и т.д.).

Способы применения вещества

Обработанные и ограненные камни высокого качества – бриллианты с идеальной кристаллической решеткой и составом (без примесей и дефектов) – используют для производства ювелирных украшений. Это наиболее прибыльная сфера применения минерала.

Дефектные камни идут на другие нужды:

• производство подшипников, сверл;
• использование в электронике и телекоммуникациях;
• изготовление механизмов из алмазного порошка;
• обрамление шлифовочных кругов;
• создание оптических линз;
• использование в качестве абразивов;
• создание квантовых компьютеров;
• применение в ядерной энергетике;
• изготовление медицинского инструментария.

Образование и происхождение алмазов:

Большинство природных алмазов имеют возраст от 1 миллиарда до 3,5 миллиардов лет. Многие из них были сформированы на глубинах от 150 до 250 километров в мантии Земли, хотя некоторые из них формировались на глубине около 800 километров.

Под высоким давлением и температурой углеродсодержащие жидкости растворяли минералы в породе и заменяли их алмазами.

Алмазы образовывались из этой жидкости либо путем восстановления окисленного углерода (например, CO2 или CO3), либо путем окисления восстановленной фазы, такой как метан.

Гораздо позднее (десятки – сотни миллионов лет назад) они были вынесены на поверхность в результате извержений вулканов и отложились в магматических породах, известных как кимберлиты и лампроиты.

Как получить драгоценный камень из графита

Для получения синтетических аналогов необходима высокая температура и давление в специальных установках. Конечно, давление, созданное геологическими преобразованиями, не сравнимо по длительности действия. Считалось, что драгоценные камни из графита получить практически невозможно из-за технических сложностей. Первые искусственные драгоценные камни были получены весом меньше одного карата (1 карат = 0,2 г) и даже были огранены, но получение более весомых экземпляров наталкивалось на определенные трудности. Дело в том, что сложные установки не в состоянии выдержать долгое время высокую температуру и давление, а для выращивания полукаратных образцов нужно время.

С развитием технического прогресса известны две распространенные технологии получения синтетических образцов: HPHT (high pressure high temperature) и CVD (chemical vapor deposition). Первый расшифровывается – «высокое давление высокая температура», а второй метод – «химическое парофазное осаждение».

Самый крупный по технологии HPHT получен в России (32,26 карата) и был огранен. Масса бриллианта составила 10,02 карата.

Позже в Китае был создан самый крупный искусственный аналог CVD в мире массой 46,2 карата (ограненный бриллиант – 12,75 карат). Оба экземпляра подтверждены сертификатом Международного Геммологического Института (IGI) в Гонконге.

Механические, оптические, химические и иные свойства алмаза:

– алмаз представляет собой твердую форму чистого углерода. Твердость по шкале Мооса 10,

– твердость алмаза зависит от его чистоты, отсутствия дефектов кристаллической решетки и ориентации. Твердость выше для безупречных, чистых кристаллов, ориентированных в направлении по самой длинной диагонали кубической алмазной решетки. Поэтому алмазы могут быть поцарапаны и подвергаться обработке только другими алмазами,

– из всех известных веществ алмаз имеет наибольшее количество атомов на единицу объема, поэтому он одновременно и самый твердый, и наименее сжимаемый. У алмаза самый низкий коэффициент сжатия,

– имеет высокую плотность от 3,47-3,55 г/см³,

– обладает хрупкостью, легко раскалывается,

– излом раковистый,

– имеет большой показатель преломления и относительно высокую оптическую дисперсию (способность рассеивать свет разных цветов). Эти свойства заставляют нанесенные при обработке алмаза грани блестеть, играя на свету,

– обладает наиболее высокой теплопроводностью среди всех твёрдых тел 900-2300 Вт/(м·К). Из-за этого алмаз на ощупь холодный,

– у алмаза очень низкий коэффициент трения по металлу,

– имеет самый высокий модуль упругости,

– на воздухе алмаз сгорает при 850-1000 °C, а в струе чистого кислорода горит слабо-голубым пламенем при 720-800 °C, полностью превращаясь в углекислый газ,

– под действием солнечного света, а также под действием катодных, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей алмазы начинают люминесцировать – светиться различными цветами. Именно это специфическое свойство алмаза позволяет его выявлять в породе,

– поверхность алмаза гидрофобна и липофильна, т.е. алмаз не смачивается водой, а хорошо смачивается маслом и жиром. Это свойство использует для того, чтобы отличить алмаз от подделки. Жир на подделке не смачивает поверхность полностью, а собирается в маленькие капельки. Кроме того, алмаз, смазанный жиром, прилипает к стеклу, а подделка – нет,

– алмазы химически стабильны. При комнатной температурой они не реагируют с кислоты и щелочами. Поверхность алмаза может окисляться только при температуре воздуха выше 850 °C. Алмаз также реагирует с газом фтора при температуре свыше 700 °C,

– лучепреломление алмаза таково, что, поместив бесцветный кристалл на страницу с печатным текстом, прочитать написанное не получится. Эта характеристика алмаза позволяет отличить подделку от оригинала. Также если посмотреть сквозь алмаз на солнце, то будет видна лишь тусклая точка,

– под действием радиоактивного излучения алмаз меняет окраску на насыщенный зеленый цвет.

МОРФОЛОГИЯ

Морфология алмаза очень разнообразна. Он встречается как в виде монокристаллов, так и в виде поликристаллических срастаний («борт», «баллас», «карбонадо»). Алмазы из кимберлитовых месторождений имеют только одну распространенную плоскогранную форму — октаэдр. При этом во всех месторождениях распространены алмазы с характерными кривогранными формами — ромбододекаэдроиды (кристаллы похожие на ромбододекаэдр, но с округлыми гранями), и кубоиды (кристаллы с криволинейной формой ). Как показали экспериментальные исследования и изучение природных образцов в большинстве случаев кристаллы в форме додекаэдроида возникают в результате растворения алмазов кимберлитовым расплавом. Кубоиды образуются в результате специфического волокнистого роста алмазов по нормальному механизму роста.

Алмаз Куллинан разбитый на 9 частей

Синтетические кристаллы, выращенные при высоких давлениях и температурах, часто имеют грани куба и это является одни их характерных отличий от природных кристаллов. При выращивании в метастабильных условиях алмаз легко кристаллизуется в виде пленок и шестоватых агрегатов. Размеры кристаллов варьируют от микроскопических до очень крупных, масса самого крупного алмаза «Куллинан», найденного в 1905г. в Южной Африке 3106 карат (0,621кг). На изучение огромного алмаза было потрачено несколько месяцев и в 1908 году он был расколот на 9 крупных частей. Алмазы массой более 15 карат — редкость, а массой от сотни карат — уникальны и считаются раритетами. Такие камни очень редки и часто получают собственные имена, мировую известность и своё особое место в истории.

Физические свойства алмаза:

Огранка алмаза:

Основными типами огранки алмаза являются:

– круглая (со стандартным числом 57 граней),

– фантазийная, к которой относятся такие виды огранки, как «овальная», «груша», «маркиза», «принцесса», «радиант», «сердце», «квадрат», «изумруд», «треугольник» и другие виды.

Форма огранки бриллианта зависит от формы исходного кристалла алмаза.

Ионный тип

Противоположно заряженные ионы находятся на узлах, которые создают электромагнитное поле, характеризующее физические свойства вещества. К таковым будут относиться: электропроводность, тугоплавкость, плотность и твёрдость. Поваренная соль и нитрат калия характеризуются наличием ионной кристаллической решётки.

Не пропустите: механизм образования металлической связи, конкретные примеры.