Для каких целей применяется алмаз и графит

В чем отличие алмаза и графита и где используются минералы

Здравствуйте, дорогие наши читатели! Вы когда-нибудь задумывались, алмаз и графит — что может быть у них общего? Казалось бы, алмаз – это то, из чего делают дорогие украшения, радующие глаз человека даже с самым утонченным вкусом. Твердый, жесткий и практически неразрушимый. И графит – основной элемент для изготовления карандашей, очень хрупкий и легко ломается.

Вспомните, как часто у вас ломался грифель?

Тем не менее, оба минерала являются родственными друг другу. Более того, воссоздание специальных условий позволяет осуществить процесс превращения из графита в алмаз, так и наоборот.

Прочтение статьи позволит вам узнать какими свойствами обладают представленные в статье минералы, о том, как они вообще появились на Земле, куда нужно отправиться для того, чтобы добывать алмазы. Или, если повезет меньше, графит, а также, возможно ли изготовление алмазов и графита в домашних условиях.

Желаем приятного прочтения!

Углерод и его аллотропные формы алмаз и графит (Киевнаучфильм)

Особенности алмаза и графита

Главными отличительными особенностями алмаза являются:

• способность преломлять и отражать солнечный свет, что придает ему знаменитый блеск;
• самая высокая твердость (по сравнению с другими минералами) и хрупкость;
• метастабильность – способность не менять своей структуры и состояния на протяжении сотен лет при обычных условиях;
• высокие показатели теплопроводности;
• высокая устойчивость к кислотам и щелочам;
• обладает низким коэффициентом трения;
• диэлектрик, электрический ток не проводит.

Такие свойства минерала становятся возможными благодаря тому, что его внутренняя структура имеет сложную кристаллическую решетку, представляющую собой куб или тетраэдр. В основе строения лежит такой химический элемент как углерод.

При наличии в своей кристаллической решетке примесей способен менять свой привычный для всех цвет. Так, наличие в составе железа придаёт минералу коричневый оттенок, лития — желтый, алюминия — голубой, марганца — розовый или красный (в зависимости от концентрации), бора — синий, хрома — зеленый.

Графит является полной противоположностью алмазу. Его структура состоит из ряда слоев, внешне напоминающие собой тонкие пластины. Основным элементом строения является углерод. Имеет черный цвет с оттенком металла. Мягкий и немного жирноватый на ощупь.

Имеет следующие отличительные особенности:

• не пропускает и не преломляет свет;
• хорошие показатели теплопроводности;
• хорошая способность огнеупорности;
• хрупкость;
• низкий коэффициент трения;
• проводит электрический ток;
• можно смешивать с другими веществами.

Не смотря на столь отличающиеся свойства, современная наука научилась искусственно изготавливать представленные здесь минералы друг из друга.

Алмаз – это минерал или нет?

Для того, чтобы ответить на этот вопрос разберемся, а что же вообще такое «минерал». В современной науке минералом принято считать твердое тело природного происхождения, имеющее кристаллическую структуру, то есть расположение атомов строго упорядочено.

Так как структура алмаза представляет собой куб или тетраэдр, имеет четкую кристаллическую решетку, его с уверенностью можно отнести к минералам.

Аналогичная ситуация и с графитом, пластинчатая структура которого так же имеет строгую упорядоченность.

Происхождение алмазов и графита

Точных и достоверных данных, откуда появились эти минералы, нет. Существует лишь некоторые гипотезы, а именно:

1. Гипотеза о магматическом происхождении
2. Гипотеза о мантийном происхождении
3. Гипотеза о флюидном происхождении

Первые две теории являются самыми популярными и сводятся к тому, что появление произошло в недрах нашей Земли много миллионов лет назад на глубине от ста до двухсот километров. На поверхность кристаллы были вынесены в результате взрывов и извержений вулканов.

Графит в свою очередь может образовываться и в результате изменения осадочных пород.

Интересным фактом является наличие алмазной крошки в метеоритах. Это говорит о том, что кроме земного происхождения, существует еще и кристаллы метеоритного происхождения, принесенные из космоса.

Существует ряд гипотез о том, как могла образовываться крошка в метеоритах. Наиболее популярная теория заключается в том, что сам по себе метеорит не содержит в себе алмазную крошку в «чистом» виде, а лишь обогащен углеродом. При ударе о Землю развиваются идеальные условия для воссоздания минерала: высокая температура (две-три тысячи градусов) и давление (от 5 до 10 ГПа). Алмазы, образованные данным способом, называются импактитами.

К сожалению, космического происхождения кристаллы слишком малы для промышленной добычи и потому все используемые для добычи месторождения только природного происхождения.

Основные месторождения

Крупнейшие из алмазных месторождений расположены в Индийской Республике, Российской Федерации, провинция Кимберли (приходится 80% всей добычи).

Российские месторождения находятся в Республике Саха (Якутия), Пермском крае и Архангельской области.

Для того, чтобы обнаружить алмазное месторождение применяется рентген. На поиски уходят десятки лет. Очень малое количество открытых месторождений обладает минералами высокого качества, достаточного для использования в ювелирной отрасли.

Процесс добычи заключается в извлечении руды и ее измельчения, отделении сопутствующих пород. После этого, с помощью специальной техники, определяют категории и классы добытого материала.

Крупнейшие из графитовых месторождений расположены в Краснодарском крае и на Украине. Месторождения с низким качеством материала находятся на Мадагаскаре, в Бразилии, Канаде и Мексике.

Как правило, встречается вместе с известняковыми породами, такими как апатит и флогопит, а так же в образованиях пневматолита, а именно: кварца, полевого шпата, биотита, титаномагнетита.

Область применения

Применяются во многих областях промышленности.

• электрическая техника;
• радиоэлектроника и силовая электроника;
• бурильные установки;
• изготовление драгоценных украшений и аксессуаров.

Область применения графита:

• создание огнестойкого оборудования;
• изготовление смазочных материалов;
• выпуск грифелей для карандашей;
• ядерная энергетика (как замедлитель нейтронов);
• искусственное производство алмазов.

Самая популярная область применения – ювелирное дело. Минерал после обработки, называемый бриллиантом, имеет высокую стоимость и большую популярность на рынке украшений. Для многих людей он еще является отличным вариантом для вложения капитала.

Технология получение алмазов из графита

Для современной науки сущий пустяк вырастить искусственный алмазный кристалл. Если в естественных условиях уходят сотни миллионов лет на его образование, в специально оборудованной лаборатории это осуществляется в гораздо меньшие сроки.

Принцип получения неестественным путем заключается в воссоздании оптимальных условий, наиболее благоприятных для изменения формы углерода. Необходима одновременно высокая температура (от 1500 до 3000 градусов) и давление (в несколько ГПа). Самый простой способ получения заключается в импульсном нагреве графита до двух тысяч градусов. При поддержании высокого давления осуществляется процесс преобразования графита в алмазы. В то же время, при снижении давления запускается обратный процесс, при котором один минерал превращается в другой.

В связи с этим для получения алмазного кристалла необходимо стабильное поддержание высоких параметров температуры и давления в течение длительного времени. Это делает технологию преобразования энергоемкой и затратной. Кроме того, в ходе данного процесса получается получить только технический алмаз, непригодный к использованию в ювелирных изделиях.

По этим причинам неестественное алмазное производство признано нерентабельным по сравнению с добычей.

Получение искусственного графита

Существуют следующие виды искусственных графитов: доменные, коксовые, реторные, ачесоновские.

Самым популярным ненатуральным видом является коксовый. Способ получения заключается в получении плотной углеродной массы из песка и кокса, ее обжиге, связанном с карбонизацией. На последнем этапе происходит кристаллизация (графитизация). Для уменьшения пористости, полученный минерал пропитывают синтетическими смолами и повторяют обжарку.

Каждый повторенный цикл значительно уменьшает пористость. Всего циклов может быть до пяти.

На этом все! Большое спасибо за проявленный интерес и внимание! Не забудьте порекомендовать статью к прочтению друзьям в социальных сетях!

Источник

Отличия и сходства алмаза и графита: наглядное сравнение в таблице и взаимопревращения

Оба камня используют при производстве. Свойства минералов делают их незаменимыми. Алмазы также часто используют в ювелирном деле, что обосновано внешними параметрами материала. Подобные бриллианты считаются одними из самых дорогих элементов украшений.

Графит же относится к наиболее дешевым материалам, однако это не уменьшает его востребованность.

Сходства

Главной и единственной схожестью камней является тот факт, что они состоят из одного вещества – углерода. Несмотря на огромную разницу в других показателях, в плане химических свойств они отличаются только формой молекулярной решетки. Таким образом, формула обоих камней будет крайне проста – С. Также оба минерала выделяются способностью проводить тепло.

ГРАФИТ

Отличия

Графит и алмаз невозможно спутать друг с другом. Их строение оказало сильное влияние на физические параметры камней.Основные отличия заключаются в следующем:

1. Прозрачность. Алмаз известен своей чистотой. Графит не является прозрачным.
2. Распространенность. Если ювелирный представитель выделяется своей редкостью, то менее привлекательный собрат встречается крайне часто.
3. Цветовая гамма. Алмаз чаще всего бесцветен, но может иметь синие, черные или красные оттенки. Второй минерал исключительно темно-серый.
4. Электропроводность. Редкий представитель является изолятором. Графит же хорошо проводит электричество.

Однако самым главным отличием камней считается их твердость. Именно она определяет назначение этих двух минералов. Алмаз является самым твердым материалом в мире. Его собрат, наоборот, отличается высокой мягкостью: он крошится при малейшем воздействии.

Состав минералов

Первое, с чего начнем рассмотрение характеристики алмаза и графита, это состав минералов. Оба – из углерода, шестого элемента периодической системы.

Поскольку алмаз и графит состоят из частиц углерода, тип вещества у них – индивидуальный, а качественный состав образован соединениями атомов углерода. Формула алмаза и графита в химии проста – С, углерод. Этот химический элемент не имеет запаха, поэтому ни алмаз, ни графит ничем не пахнут.

Хотя химическая формула алмаза имеет схожесть с формулой графита, у структур, в которые соединяются атомы углерода, образуя кристаллическую решетку, есть разница.

Когда у минералов кристаллические решетки имеют отличие, но для них характерен идентичный химический состав, их называют полиморфами. Рассматриваемые минералы – разные виды полиморфных модификаций углерода.

Характеристики алмаза и графита

Плотность драгоценного камня составляет 10 баллов по шкале Мооса (максимально возможный показатель). Это также означает, что обработать алмаз весьма сложно. Он может полностью противостоять даже воздействию сильных кислот. Плавление начинается с температуры 3700-4000°C. Форма образований исключительно кристаллическая.

Образец, не прошедший огранки, обладает шероховатой поверхностью с крайне слабым блеском. Цвет может варьироваться в зависимости от наличия примесей.

СИНИЙ АЛМАЗ

Графит отличается слоистостью структуры. Он имеет волнистую форму минимальной выраженности. Его принято делить по 3 параметрам:

• вид (крупные или мелкие кристаллы);
• степень проявления (явные или скрытые формы);
• варьирование размеров кристаллов.

Природные представители чаще всего отличаются скрытностью кристаллической формы. Подобные образования выделяются довольно высокой твердостью. Однако добытый материал является более мягким, а при нагревании вовсе становится хрупким. Блеск графита металлический, степень проявления может варьироваться от почти незаметного до сильного.

Его плотность по шкале Мооса составляет всего 1 балл. Плавление происходит при температуре 2500-3000°C. Цвет камня от серого до черного.

Химическая связь в углеродных минералах

Частицы, из которых состоят твердые вещества, соединены в кристаллические решетки. Науке известны 4 вида таких решеток – ионная, молекулярная, атомная и металлическая.

Внешне драгоценный кристалл схож с кристаллами соли, но у солей ионная кристаллическая решетка.

Тип кристаллической решетки алмаза, как и его полиморфа графита, атомная. В ее узлах лежат атомы углерода. Агрегатное состояние – твердое тело. Но все же по твердости углеродные полиморфы различны.

Свойство алмаза быть таким прочным обусловлено силой химической связи атомов. Структура диаманта трехмерная, атомы углерода в нем расположены в форме трехгранной пирамиды, тетраэдра. Каждая атомарная частица одинаково крепко соединяется со всеми четырьмя соседними, это осуществлено посредством ковалентной связи.

Атомарно графит – это множество слоев шестиугольных фигур, в каждой вершине которых расположен атом углерода. Его слоистая структура двухмерна. Связь в слоях ковалентная сильная, а между слоями гораздо слабее, как у веществ с молекулярной кристаллической решеткой. Пласты связаны непрочно. Поэтому твердость графита меньше по сравнению с бриллиантом.

Где и как добывают

• Россия;
• Австралия;
• Ангола (Африка);
• США;
• Канада.

Перечисленные зоны славятся относительно большим количеством алмазов, однако на редкость минерала влияет и сложность его добычи. Обнаруженные камни измельчают, а также сортируют для подбора пригодных образцов. Лишь малая часть сырья может быть использована для ювелирной обработки. Графит, с другой стороны, добывается во многих странах:

• Китай;
• Мексика;
• Россия;
• Чехия;
• Канада;
• Южная Корея;
• США;
• Мадагаскар.

Данный материал находится глубоко под землей, поэтому для его добычи необходимы бурильные установки. Также сырье, перед сортировкой и применением требуется раздробить. Образования этого вида сырья отличаются довольно высокой прочностью, что приводит к дополнительным затратам на обработку.

Как добыть алмаз из графита

Превращение графита в алмаз является не только возможным, но и часто используемым методом добычи. Такой драгоценный камень не будет считаться натуральным, поэтому его стоимость ниже. Однако подобное сырье более многочисленно, легче поддается огранке. Большинство бриллиантов на самом деле являются искусственными. Однако у них есть определенное преимущество – их твердость еще выше, чем у натуральных образцов.

Возможность добычи алмаза из графита была доказана в 1995 году. Обладая идентичным составом, оба представителя различаются лишь условиями образования. Для того, чтобы получить драгоценный материал из распространенного камня, повышается температура и давление. Первый показатель должен достигать 2500 °C. Второй – 120000 атмосфер.

При соблюдении условий алмаз образуется за несколько месяцев. Однако сейчас существуют методы ускоренной обработки, позволяющие создать новый минерал за 2-3 недели.

Получение искусственного графита

Данный процесс проводится заметно реже, т. к. он не востребован. Для превращения алмаза в менее ценного собрата требуется наличие достаточно высокой температуры – 1500 °C. Также важным требованием является полное отсутствие воздуха. Давление может быть различным, ибо оно не считается одним из главных условий. Относясь к дополнительному воздействию, давление ускоряет процесс образования графита.

Однако существует и другой способ создания искусственного материала. Кристаллы такого образца выражены слабо, а также он отличается наличием некоторой прозрачности. Сырье представляет собой нефтяной кокс, антрацит, уголь светильного газа и различные отходы производства. Такой образец имеет одно преимущество перед натуральным аналогом – его текстура менее пористая, он легче поддается обработке.

Определение

– минерал, основой которого является углерод. Характеризуется метастабильностью, то есть способностью в обычных условиях неограниченно долго существовать в неизменном виде. Помещение алмаза в специфические условия, например в вакуум при повышенной температуре, приводит к его переходу в графит.

– минерал, выступающий модификацией углерода. При трении от общей массы вещества отделяются чешуйки. Наиболее известное применение графита – изготовление из него карандашного грифеля.
Графит

Области применения графита и алмаза

Графит и алмаз часто используют в промышленности. Более распространенный представитель применяют для:

• изготовление грифелей карандашей;
• создание некоторых элементов оборудования, связанного с электроугольной промышленностью;
• производство смазочных материалов;
• изготовление огнеупорных деталей.

Наиболее распространенным при этом считается именно натуральное сырье. Искусственный материал используется реже. Запасы алмазов значительно ниже, соответственно использовать натуральный камень невыгодно. По этой причине основная масса подобных минералов, которые используются для промышленных целей, являются искусственными. Они применяются для:

• буровых установок;
• радиоэлектроники;
• электротехники;
• приборостроения.

Кроме того, этот ценный камень считается самым востребованным, а также популярным элементом украшения. Поэтому большая часть натуральных алмазов используется как ювелирный материал.

Медицинская сфера использования

Благодаря вышеописанным качествам, алмаз стал незаменимым материалом в медицинской сфере. Хотя это сравнительно новая область его применения (в отличие от промышленности), уже сейчас понятно, что за ним будущее.

Пока основная сфера применения алмазного порошка в медицине – создание качественного инструмента. Скальпель со специальным покрытием используется в хирургии, делая разрезы более точными. Он незаменим при сложных операциях. Например, на спинном или головном мозге.

Помимо скальпеля, алмаз используется для создания ножниц и зажимов. Материал применяется при изготовлении стоматологического оборудования. В стадии разработки находится проект медицинского лазера, где минерал выступит в качестве проводника.

Интересно, что начиная с 1953 года, около 97% технологических алмазов, заменили искусственные кристаллы. Узнать о них больше вы можете, прочитав статью «Об искусственных алмазах и бриллиантах».

Как отличить алмаз от подделки

Чаще всего для создания искусственных образцов используется стекло. Графит требует больше вложений и времени, а также внешне никак не отличается от настоящего образца. Натуральный камень должен удовлетворять следующим критериям:

1. Дефекты. Даже самый чистый бриллиант с идеальной огранкой должен иметь минимальные изъяны (мелкие трещины, шероховатость). Искусственный аналог чаще всего обладает идеальной формой без каких-либо изъянов.
2. Прозрачность. Хотя алмаз отличается высокой чистотой, через него нельзя увидеть четких очертаний предметов. В противном случае изделие является подделкой из стекла.
3. Блеск. Наличие огранки усиливает изначальную степень преломления света. Настоящий минерал должен сверкать, причем весьма ярко.
4. Запотевание. Если образец подобным образом реагирует на повышенную влажность, то он является искусственным.
5. Прочность. Натуральный материал крайне сложно повредить, поэтому можно смело попробовать оцарапать его поверхность. Если на ней остаются следы, это говорит о подделке.
6. Влияние тепла. Украшение не должно быстро нагреваться. Если через короткий промежуток времени после контакта с человеческим телом оно стало теплым, значит бриллианты не являются настоящими.

ИСКУССТВЕННЫЙ АЛМАЗ
На такое дорогостоящее изделие часто выдается специальный сертификат, который служит доказательством его происхождения. Также бриллиант не должен блестеть различными цветами радуги – это признак низкого качества (наличие примесей) или подделки. Блеск должен быть исключительно одного оттенка (зависит от цвета камня, чаще всего серый).

Украшения с алмазом

Подобные изделия обычно делаются из дорогих металлов, таких как платина или золото. При их чистке ювелиры рекомендуют избегать прикосновений рук (воздействие жира), горячей воды и щелочи. Иначе камень может потерять свою прозрачность, став мутным. Золото от этого темнеет. Домашнюю чистку необходимо осуществлять 1 раз за месяц.

Рекомендуется дополнительно проводить процедуру в ювелирном салоне (там это делают с помощью ультразвуковой ванночки). Делать это нужно 1 раз в год. Также украшения с таким элементом можно промывать с помощью спирта.

Источник