Чем обусловлена твердость алмаза

Чем обусловлена твердость алмаза

Бесплатные экскурсии в музей Пиявки!
Международный Центр Медицинской Пиявки приглашает посетить музей и узнать о пользе и вреде пиявок, их выращивании, гирудотерапии, лечебной косметике и многом другом. Подробнее >>>

АгроБиоФерма «Велегож» в Подмосковье приглашает!
Принимаются организованные группы школьников и родители с детьми (от 12 до 24 чел.) по учебно-познавательной программе «Введение в природопользование» Подробнее >>>

Зимние учеты птиц России!
Приглашаем биологические кружки, профессиональных орнитологов и просто любителей птиц принять участие в программах зимних учетов птиц «Parus» и «Евроазиатские Рождественские учеты» в зимний сезон 2020-2021 годов. Подробнее >>>

Биологический кружок ВООП приглашает!
Биологический кружок при Государственном Дарвиновском музее г.Москвы (м.Академическая) приглашает школьников 5-10 классов на занятия в музее, экскурсии по вечерам, учебные выезды в природу по выходным и дальние полевые экспедиции в каникулы! Подробнее >>>

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРЕСС ПРОТИВ АЛМАЗА 1600$

Соревнования по полевой ботанике «ВЕСЕННЯЯ ФЛОРА» пройдут в мае-июне 2020 года в онлайн-формате (определение растений по фотографиям). К участию в соревновании приглашаются школьники и взрослые любители природы, проживающие в средней полосе Европейской части России. Подробнее >>>

Международные дни наблюдений за птицами!
Союз охраны птиц России приглашает российских любителей птиц принять участие в акции и загрузить результаты своих наблюдений на www.biodat.ru Подробнее >>>

Здесь может быть бесплатно размещено Ваше объявление о проводимом Всероссийском конкурсе, Слёте, Олимпиаде, любом другом важном мероприятии, связанном с экологическим образованием детей или охраной и изучением природы. Подробнее >>>

Мы публикуем на нашем сайте авторские образовательные программы, статьи по экологическому образованию детей в природе, детские исследовательские работы (проекты), основанные на полевом изучении природы. Подробнее >>>

[ sp ] : ml об :

Минералы и горные породы России и СССР

Часть 1. Минералы. Класс 1. Простые вещества (самородные элементы)
Алмаз — С

Плотность, спайность и твердость алмаза

Плотность чистого алмаза 3,511 г/см 3 . Алмаз хрупок, имеет хорошую, до совершенной, спайность по октаэдру (111) и легко раскалывается по трещинам спайности, иногда наблюдаемым в крупных кристаллах.

Алмазные агрегаты — борт, баллас и карбонадо — лишены непрерывной спайности, а потому, сохраняя твердость алмаза, утрачивают его хрупкость (не колются даже при сильном ударе) и приобретают повышенную износоустойчивость; они производят впечатление даже более твердых, чем монокристаллы алмаза.

Твердость алмаза — 10 баллов по шкале Мооса. Это не только самый твердый из минералов, но и вообще наиболее твердое среди известных нам веществ, природных и синтетических.

Какова прочность алмаза?

Важно, однако, отметить, что алмаз характеризуется анизотропией твердости: его октаэдрические грани (111) тверже, чем грани ромбододекаэдра (310), а те — чем грани куба.

Анизотропия твердости алмаза делает возможной его обработку (шлифовку, огранку) алмазным же порошком; при этом очевидно, что грани октаэдра шлифовке поддаются с большим трудом (только если трутся об октаэдрические грани зерен алмазного порошка), а легче всего поддаются грани куба (точнее, плоскости, параллельные этим граням, которые как таковые могут быть и не выражены на кристалле), вершины и ребра октаэдрических кристаллов. Лучше всего такие кристаллы полируются в направлении [001].

Причины, вызывающие анизотропию твердости алмаза, равно как и проявление у него совершенной октаэдрической спайности, кроются в особенностях кристаллической структуры и подробно рассмотрены в главе 3 . Решающим фактором в первом случае является плотность заселения плоских сеток кристаллической решетки атомами углерода, убывающая в ряду (111)-(110)-(100), во втором — расстояние между плотно заселенными сетками в решетке: в структуре алмаза максимально удалены друг от друга как раз самые «густые» сетки, параллельные плоскостям (111), которые к тому же слабее всего связаны между собой.

Излом у алмаза раковистый (разумеется, не по спайности).

В разделе Природа в фотографиях размещены также тысячи научных фотографий грибов, лишайников, растений и животных России и стран бывшего СССР, а в разделе Природные ландшафты мира — фотографии природы Европы, Азии, Северной и Южной Америки, Африки, Австралии и Новой Зеландии и Антарктики.

В разделе Методические материалы Вы также можете познакомиться с описаниями разработанных экологическим центром «Экосистема» печатных определителей растений средней полосы, карманных определителей объектов природы средней полосы, определительных таблиц «Грибы, растения и животные России», компьютерных (электронных) определителей природных объектов, полевых определителей для смартфонов и планшетов, методических пособий по организации проектной деятельности школьников и полевых экологических исследований (включая книгу для педагогов «Как организовать полевой экологический практикум»), а также учебно-методических фильмов по организации проектной исследовательской деятельности школьников в природе. Приобрести все эти материалы можно в нашем некоммерческом Интернет-магазине. Там же можно приобрести mp3-диски Голоса птиц средней полосы России и Голоса птиц России, ч.1: Европейская часть, Урал, Сибирь.

Источник

Ода алмазу

Блестящее будущее рисуется нам для алмаза, если человек
сумеет овладеть тайнами его получения.

Цели урока: углубить знания по физике твёрдого тела; расширить политехнический кругозор; развивать познавательные способности школьников, воспитывать стремление к знаниям, интерес к предмету.

Наглядные пособия: модели кристаллических решёток алмаза и графита; стенд с открытками «Алмазный фонд России»; географическая карта мира; периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева; таблица «Физические свойства алмаза и графита».

Учитель физики. Алмаз! С этим словом ассоциируется представление о несравненном блеске и непревзойдённой твёрдости. Со вторым свойством связано название минерала, которое происходит или от арабского слова ал-мас – твердейший, или от греч. [адамантос] – несокрушимый. Алмазы издавна использовались в качестве самых изысканных украшений, служили валютой.

Прозрачные бесцветные или красиво окрашенные кристаллы алмаза, пригодные для огранки, являются драгоценными камнями первого класса, так же, как сапфир, рубин, изумруд и т.д. Ювелиры разделяют алмазы почти на 1000 сортов в зависимости от прозрачности, тона, густоты окраски и минеральных включений.

Ученица Данина Мария (читает своё стихотворение «Ода алмазу»).

Сверкающее чудо, чистейшее создание
Искрится каждой гранью в браслете на руке.
Ты красотой добился всемирного признания.
А свойствами своими побьёшь рекорды все.
Прочнее старой дружбы и твёрже убеждений,
Сравниться с твоим блеском способна лишь звезда.
Ты будешь неизменно любимцем поколений
И лучшим украшением великолепных дам.

Учитель физики. Кристалл алмаза является хорошим проводником тепла. При трении он электризуется. Некоторые алмазы обладают полупроводниковыми свойствами и относятся к полупроводникам р-типа. Предполагается, что полупроводниковые свойства алмаза обусловлены наличием в них примеси бора.

Плотность алмаза 3500 кг/м 3 , плотность графита 2100 кг/м 3 . Различие свойств алмаза и графита объясняется различием их кристаллических структур.

В природе не встречаются вещества твёрже алмаза. Алмаз – самое износостойкое вещество. Алмазный резец в 150–200 раз менее подвержен износу, чем резец из сверхтвёрдых сплавов.

Чистые кристаллы алмаза прозрачны не только для света, но и для рентгеновских лучей, что позволяет легко определять алмазы среди сходных по внешнему виду минералов, а также отличать их от всевозможных подделок. Алмаз сильно преломляет и отражает световые лучи, но ещё обладает важным оптическим свойством, обуславливающим исключительную красоту этого камня.

Оно заключается в большом различии показателей преломления для лучей разного цвета. Благодаря высокой дисперсии алмаз разлагает белый свет на составляющие его цвета. По этой причине один и тот же камень кажется окрашенным в различные цвета в зависимости от расположения источника света. Высокое светопреломление и дисперсия создают неповторимую игру алмазов – переливы всех цветов радуги внутри камня при медленном его вращении.

Учитель химии. Химическая формула алмаза – С. Алмаз и графит – это две аллотропные модификации углерода. Физические свойства алмаза и графита обуславливаются их строением, основные показаны в таблице:

Особая твёрдость алмаза обусловлена тем, что в его кристаллической решётке каждый атом углерода связан ковалентными связями с четырьмя другими атомами, размещёнными вокруг него на одинаковых расстояниях. Эти связи по всем направлениям одинаково прочные. В графите же атомы располагаются слоями, и расстояние между атомами, расположенными в разных слоях, гораздо больше, чем между атомами в одном слое.

То, что графит и алмаз состоят из атомов одного и того же элемента – углерода, – можно убедиться при сжигании обоих веществ. В результате сгорания образуется только оксид углерода (IV). Доказано также, что при определённых условиях алмаз превращается в графит, а графит – в алмаз.

Так, например, если алмаз без доступа воздуха нагревать выше 1000 °С, то он постепенно превращается в графит. Наоборот, если графит в присутствии катализаторов нагревать от 1200 до 1600 °С под давлением 104 МПа, то он превращается в алмаз. Высокая температура приводит к разрыву внутриатомных связей графита, а высокое давление содействует перестройке атомов в кристаллическую решётку алмаза. Так получают искусственные алмазы.

Статья подготовлена при поддержке стоматологической клиники «ЭСТЕЛАЙТ». Если зуб мудрости не дает покоя или требуется исправить прикус, то оптимальным решением станет обратиться в стоматологическую клинику «ЭСТЕЛАЙТ». Перейдя по ссылке: «стоматология Крылатское», вы сможете, не отходя от экрана монитора, записаться на прием к профессиональному стоматологу. Более подробную информацию о ценах и акциях действующих на данный момент вы сможете найти на сайте www.estelight.ru.

Английский химик С.Шеннант в 1798 г. проделал опыт: сжёг одинаковые количества алмаза и угля и убедился, что образуются совершенно одинаковые объёмы оксида углерода (IV). Этим было доказано, что алмаз является аллотропной модификацией углерода.

Алмаз химически инертен, он не окисляется и не взаимодействует ни с одной из известных кислот и щелочей, причём любой концентрации и даже при их подогревании.

Алмаз не уступает по твёрдости созданному в лабораторных условиях веществу борозону, но менее устойчив к окислению при высоких температурах.

Алмаз – самое твёрдое, но не самое прочное вещество: его легко разбить молотком или сжечь в струе кислорода при температуре выше 720 °С.

Учитель географии. До второй половины XIX в. все алмазы добывались россыпью в долинах как современных, так и давно исчезнувших рек. Благодаря своей твёрдости алмаз может перекатываться водными потоками на большие расстояния, поэтому поиски коренных месторождений в непосредственной близости от россыпей долгое время оставались безрезультатными.

Только в 1871 г. в Южной Африке у местечка Кимберли было обнаружено первое коренное месторождение алмазов. Содержащая алмаз горная порода получила название кимберлит. Сегодня на планете известно более 1000 месторождений этой горной породы.

На территории России первый выход кимберлита обнаружен в 1954 г., он был назван «Зарницей». Честь его открытия принадлежит ленинградскому геологу Л.А.Попугаевой.

Алмазы из кимберлитов и россыпей ничем не различаются. Средняя масса алмазов в различных месторождениях колеблется от сотых долей до 1 карата (1 карат = 200 мг).

Алмазы вместе с другими тяжёлыми минералами концентрируются в нижней части рыхлых речных отложений. Довольно часто встречаются россыпи, возникающие в процессе сползания выветренного кимберлита на склонах гор. В знойных пустынях, где сильные ветры дуют почти всегда в одном направлении, встречаются так называемые эоловые россыпи. Они образуются при выносе (выдувании) ветром глинистых и лёгких песчаных частиц.

Обогащённые алмазами кимберлиты находятся в южной половине Африки и Средней Сибири. Из общего количества добываемых во всем мире алмазов африканские месторождения дают 98%. Важную роль в добыче алмазов играют Ангола, Намибия, Сьерра-Леоне. Большое количество преимущественно технических камней добывается в Гане. Значительно реже алмазы встречаются в других районах.

В качестве примера можно указать месторождение в штате Минас-Жераис (Бразилия), где встречаются камни массой свыше 7–8 карат. Не случайно здесь во времена рабства существовал обычай: отпускать на свободу невольника, нашедшего алмаз более 17,5 карат.

Самый большой из всех известных алмазов, «Кулинан», найден в 1905 г. в Южной Африке. Его масса 621 г, а размер 10 6,5 5 см. В Алмазном фонде России хранится один из самых больших и красивых алмазов в мире – «Орлов» (37,92 г).

Учитель истории. Исключительность свойств алмаза порождала множество легенд, в которых наряду с чистейшим вымыслом встречались и описания некоторых реальных свойств камня. Так, по мнению древних индусов, алмазы образуются из «пяти начал природы»: земли, воды, неба, воздуха и энергии.

Многие индийские и арабские легенды об алмазе были повторены в начале нашей эры в работе древнеримского естествоиспытателя Плиния Старшего: «Человек должен носить алмаз с левой стороны, поскольку тогда камень оказывает большее действие. Алмаз передаёт владельцу твёрдость и мужество, сохраняет члены его тела. Он даёт человеку победу над врагами, если дело его правое.

Алмаз придаёт и сохраняет остроту ума, предохраняет от разгула, печали и колдовства, от фантазий и злых духов. Никакой дикий зверь не осмелится напасть на человека, который носит алмаз. Алмаз делает человека более серьёзным, вылечивает его от лунатизма».

В китайских легендах, относящихся к IV в. н.э., рассказывается, что в королевстве Фу-Най добывают алмазы, которые могут резать яшму. По своему виду они напоминают плавиковый шпат и растут подобно сталактитам на дне моря, на глубине в сотни метров. Пловцы ныряют за ними утром и выплывают только к концу дня. При ударе по алмазу молотком алмаз остаётся неповреждённым, а молоток раскалывается. Однако если удар нанести бараньим рогом, то алмаз разламывается, как лёд.

Плиний Старший, а вслед за ним и другие учёные древности, утверждает, что алмаз родится только в золоте и вместе с золотом. Кое-где в мире действительно имеются россыпи, в которых присутствуют и алмаз, и золото. В коренных месторождениях, однако, алмазы с золотом никогда не встречаются вместе, поскольку связаны с совершенно различными по составу и строению горными породами.

Крупные алмазные камни встречаются в природе крайне редко. Их находка становится событием, им присваиваются даже собственные имена, в мире они все наперечёт.

Учитель биологии. В известной сказке о путешествии Синдбада-морехода рассказывается о хитроумном способе добычи алмазов. Где-то в далёкой стране будто бы есть необычно глубокое ущелье, дно которого усеяно алмазами. Доступ к сокровищам преграждают несметные полчища огромных змей. Однако люди нашли способ извлекать драгоценные камни и оттуда.

Для этого с окружающих гор они сбрасывают в ущелье большие куски мяса. Алмазы прилипают к мясу, а огромные орлы уносят их в свои гнёзда. Смелые и ловкие искатели добираются до орлиных гнёзд и собирают сверкающие кристаллы. В этой сказке есть два момента, которые увязываются с фактическими данными. Одним из них является способность алмаза прилипать к жирам, а второй – «посредническая» роль птиц.

Существуют многочисленные и достоверные данные, относящиеся к XIX в. В раннем периоде истории алмазных разработок в Южной Африке считалось выгодным разводить домашнюю птицу. Птицы рылись в отвалах горных выработок и, завидев блестящие зёрна, проглатывали их. Зоб каждой зарезанной птицы тщательно осматривали, надеясь найти драгоценный кристалл. Надежды эти нередко оправдывались. Так, например, документально засвидетельствовано, что в зобу одного голубя, убитого на территории алмазного рудника, были обнаружены 23 алмаза массой 5,5 карата.

В русских газетах второй половины XIX в. сообщалось об уральской курице, которая снесла алмаз.

Учитель литературы. Запишите творческое домашнее задание: вспомните пословицы и поговорки на тему «Алмаз – труженик»; составьте кроссворд с ключевым словом «алмаз».

(Пример выполнения: · Мал карат, да трудиться рад · Малы караты, да трудом богаты · Лентяй когда-то был алмаз, теперь он трудится на нас · В соревнованиях первым будешь, если про алмаз не позабудешь · Алмазу дело поручишь – большую прибыль получишь · Алмаз в работу запряжёшь – свои силы сбережёшь.)

Ольга Алексеевна Черникова – учитель физики и астрономии высшей квалификационной категории, классный руководитель 8М класса, лауреат конкурса «Лучшие учителя России-2006»

Источник

Свойства, твердость и структура алмаза

Многие знают, что алмаз самый твердый в мире природный материал. Некоторые слышали или, возможно, сталкивались с таким понятием, как алмазное напыление или алмазные головки режущих инструментов. Но что на самом деле представляет собой такое понятие, как твердость алмаза, и с чем она связана?

Понятие твердости и ее измерение долгое время оставалось довольно спорным вопросом. Очень долго не могли разработать методику, по которой можно было бы определить количество этого параметра. Пока Моос не придумал измерять этот параметр путем пробы поцарапать один минерал другими минералами. Если один из них поддавался царапанию другим, то ему автоматически присваивалось более низкое значение твердости. Приняв за каждую единицу какой-либо эталон, он разработал собственную шкалу твердости с показателями от 1 до 10.

За 10 баллов отвечала твердость алмаза, эталоном для одного балла твердости стал тальк. Другой распространенный драгоценный камень — корунд, который делится на рубины и сапфиры имеет показатель 9. Таким образом была закреплена такая самая распространенная шкала и соответствующие значения.

Почему алмаз имеет такой высокий показатель твердости? Как оказалось, химическая структура алмаза представляет собой чистый углерод. Тот же самый углерод, который в нормированном состоянии является графитом и твердость по шкале Мооса которого равняется единице.

Почему же тогда они имеют такие разные свойства, если состоят из одного и того же атома? Это происходит за счёт химических связей и строения решетки кристалла. Атомы углерода в этих двух веществах по-разному между собой связаны, что дает разное строение структуры.

Как известно, в природе нет материала, который был бы тверже алмаза. Но недавно учеными было разработано синтетическое вещество, которое, по их заявлению, имеет такой показатель на 58% больше. Это вещество получило название лонсдейлит. Лонсдейлит может выдержать давление, которое на 55 ГПа превышает давление, которое может выдержать самый твердый алмаз.

Его использование практически невозможно из-за высокой стоимости. В применении такого материала особой необходимости нет.

Другие характеристики

Если алмаз самый твердый минерал, означает ли это, что если его невозможно сломать? К сожалению, это не так. Дело в том, что в разных направлениях кристалла его твердость неодинакова. На этом свойстве как раз и основана его огранка, шлифовка и распиловка.

Поэтому прочность алмаза невелика, от сильного удара он может расколоться на части. Это несколько ограничивает его применение. Высокая твердость обуславливает его высокую износостойкость и сопротивление стиранию, но не гарантирует, что алмаз не сломается.

Кажется, что если алмаз имеет такую высокую твердость то как минимум должен быть очень плотным. На самом деле его плотность составляет всего около 3,5 грамма на сантиметр кубический. Это в три раза больше, чем воды, но, например, в шесть раз меньше, чем у золота.

Тем не менее для камня такая плотность является достаточной, можно даже сказать большой, что также влияет на его прочность. Бриллианты имеют характерный блеск и игру цвета, которые объясняются таким параметром, как показатель преломления. Показатель преломления бриллиантов составляет примерно 2,4, что является наибольшим значением для драгоценного камня. Еще одним важным параметром является дисперсия. Дисперсия представляет собой различие показателей преломления в зависимости от длины волны применяемого освещения.

Чем больше показатель дисперсии, тем сильнее выражена игра цветов. У алмазов этот показатель высокий, что и дает ему уникальное сияние. Сочетание преломления и дисперсии, а также твердости минерала, которая позволяет отполировать его без малейшего изъяна или трещины, составляют вместе тот необходимый набор, который делает этот камень самым дорогим в мире.

Алмаз имеет еще одно интересное свойство — он характеризуется самой высокой теплопроводностью, которая является наибольшей среди всех твердых тел. Это позволяет рассматривать его в качестве перспективного полупроводника для применения в электронике. Однако это возможно только при условии, что научатся синтезировать дешевые алмазы. Кремниевые полупроводники могут работать при температуре до 100 градусов по Цельсия в то время, как микросхема на алмазах будет выдерживать намного большие температуры.

Алмаз не растворяется в кислотах и щелочах. Обладает низким коэффициентом трения в воздухе, что происходит за счёт образования пленок абсорбера на поверхности камня. Температура плавления составляет 3500-4000 градусов Цельсия при определенных условиях давления. Если он находится на воздухе при температуре около 860 градусов, начинается процесс горения. Если его нагревать до высокой температуры без доступа кислорода, он переходит в углерод за несколько минут.

Структура кристаллической решетки

В конце XVIII века была обнаружено, из чего состоит алмаз. После этого было сделано огромное количество попыток, чтобы получить его в лабораторных условиях. Для этого были проведены эксперименты с техническими условиями, так как долго не могли понять при каких именно он образуется.

Как оказалось, алмаз состоит из атомов углерода, которые соединяются между собой в пространстве в особом порядке. Такой порядок называется кристаллической решеткой. Расположение частиц и тип такой решетки как раз и задают плотность алмаза и его твердость. Каждая ячейка имеет форму куба, поэтому кристаллическая решетка называется кубической.

Атомы расположены в порядке тетраэдра, между которыми действуют ковалентные связи. Каждый атом связан с четырьмя другими и поэтому имеет наивысший возможный показатель валентности для углерода. Последнее приводит к тому, что все связи заняты и не взаимодействуют со сторонними веществами. Именно такой тип решетки и объясняет высокую твердость алмазов.

Ещё известны две разновидности кристаллического вещества, которые состоят из атомов углерода: углерод и лонсдейлит, который был описан выше. Такой минерал встречается в останках метеорита. Графит же можно увидеть на каждом шагу. Отличия в кристаллической решетке между графитом и алмазом приводит к тому, что графит имеет очень мягкую структуру и легко слоится, тогда как алмаз почти ничем нельзя поцарапать.

У графита решетка имеет гексагональный характер. Частицы углерода расположены слоями, дистанция между которыми больше, чем между атомами в одном слое. Это обуславливает такие основные свойства графита, как электропроводность и поглощение света.

Расстояние между атомами кубической решетки алмаза везде имеет одинаковое значение — этим объясняется прозрачность минерала и его способность оказывать сопротивление и не проводить электрический ток. В минерале могут содержаться такие металлы в виде примесей:

• магний;
• алюминий;
• кремний;
• гранит;
• кальций.

Часто встречаются кристаллы с включением воды, углекислоты или других газообразных веществ.

Примеси неравномерно распределяются и больше всего их наблюдается на периферии кристалла. Такой тип кристаллической структуры встречается и у других элементов 4 группы с такой валентностью. Однако по мере увеличения атомной массы расстояние между ними растет и прочность ковалентной связи падает. Поэтому алмаз имеет самую высокую прочность, так как его атомы расположены ближе всего.

Благодаря своей прочности, алмаз находит применение не только в ювелирном деле, но и в промышленности. Например, используются в строительстве и когда нужно просверлить что-нибудь или обрезать в сложных конструкциях из бетона и стали. Кроме того, алмазные конструкции используются в ремонте для резки по граниту, мрамору и другим твердым материалам.

Используется минерал в точном приборостроении и для изготовления инструмента начиная от любительских пил и ножниц по металлу, стеклорезов, фрез, шлифовальных кругов и заканчивая инструментами хирурга и космическими носителями.

Строительство тоннелей и прокладка кабелей невозможны без этого материала. Проходческий комбайн, ножи которого покрыты тонким напылением алмазной крошки, применяются там, где невозможно построить туннель другим способом. В медицине применяются скальпели из алмаза, где невозможно использовать обычный. Ведутся активные разработки медицинского лазера, в котором он будет использоваться в качестве полупроводника.

В телекоммуникациях и электронике алмаз используют для прохождения сигналов разных частот по одному кабелю. В качестве защитного элемента используется в лабораторном оборудовании для физических и химических научных исследований.

Постоянно ведутся новые разработки возможности получения синтетических алмазов высокого качества и небольшой цены для того, чтобы широко использовать его во всех сферах промышленности. Твердость этого камня также влияет на его высокие показатели износостойкости при использовании в ювелирном деле.

Источник