Как свойство алмаза используется в технике

Алмазы и их применение

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

Физико-механические свойства стр.4

История происхождения стр.5

История добычи алмазов в РФ стр.6

Огранка алмаза стр.7

Синтетические алмазы стр.8-9

Список литературы стр.10

Алмазы представляют собой интереснейший и необыкновеннейший ресурс. Ранее, вплоть до XV века, человечество знало лишь одну сторону этого удивительного минерала: то, что они необыкновенно твёрдые. До средних веков они ценились ниже изумруда или рубина. И только в XVII веке гранильщики изобрели специальную огранку минерала: бриллиантовую, которая максимально подчёркивает его достоинства.

В ювелирном деле ценятся только бесцветные камни без оттенка, за исключением голубого, и без изъянов — так называемые алмазы «чистой воды». На ювелирные цели идёт не более 10-15% добытых камней.

Магические силы алмазов: какие уникальные свойства приписывают самому дорогому камню на планете

Основная масса алмазов используется в технике. Из них изготавливают абразивы, буры для проходки глубоких скважин в твёрдых породах, резцы для обработки металлов, и т.д.

Главные отличительные черты алмаза — высочайшая среди минералов твёрдость, наиболее высокая теплопроводность среди всех твёрдых тел 900—2300 Вт/(м·К), большие показатель преломления и дисперсия. Алмаз является диэлектриком.

У алмаза очень низкий коэффициент трения по металлу на воздухе — всего 0,1, что связано с образованием на поверхности кристалла тонких плёнок адсорбированного газа, играющих роль своеобразной смазки. Когда такие плёнки не образуются, коэффициент трения возрастает и достигает 0,5—0,55. Высокая твёрдость обусловливает исключительную износостойкость алмаза на истирание. Для алмаза также характерны самый высокий (по сравнению с другими известными материалами) модуль упругости и самый низкий коэффициент сжатия. Энергия кристалла составляет 10 5 Дж/г-ат, энергия связи 700 Дж/г-ат — менее 1 % от энергии кристалла.

Температура плавления алмаза составляет 3700—4000 °C. На воздухе алмаз сгорает при 850—1000 °C, а в струе чистого кислорода горит слабо-голубым пламенем при 720—800 °C, полностью превращаясь в конечном счёте в углекислый газ. При нагреве до 2000 °C без доступа воздуха алмаз переходит в графит за 15-30 минут . Средний показатель преломления бесцветных кристаллов алмаза в жёлтом цвете равен примерно 2,417, а для различных цветов спектра он варьируется от 2,402 (для красного) до 2,465 (для фиолетового). Способность кристаллов разлагать белый свет на отдельные составляющие называется дисперсией. Для алмаза дисперсия равна 0,063.

Одним из важных свойств алмазов является люминесценция. Под действием солнечного света и особенно катодных, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей алмазы начинают люминесцировать — светиться различными цветами. Под действием катодного и рентгеновского излучения светятся все разновидности алмазов, а под действием ультрафиолетового — только некоторые. Рентгенолюминесценция широко применяется на практике для извлечения алмазов из породы.

Большой показатель преломления, наряду с высокой прозрачностью и достаточной дисперсией показателя преломления (игра цвета) делает алмаз одним из самых дорогих драгоценных камней (наряду с изумрудом и рубином, которые соперничают с алмазом по цене). Алмаз в естественном виде не считается красивым. Красоту придаёт алмазу огранка, создающая условия для многократных внутренних отражений. Огранённый алмаз называется бриллиантом.

История происхождения алмаза

История бриллиантов тесно связана с историей алмазов. Никому не известно о том, кто, где и когда нашел самый первый в мире алмаз.

Первый алмаз был обнаружен в 4 тысячелетии до нашей эры в Индии. Уже тогда бриллиантам приписывали магическое действие, поэтому их часто использовали как талисманы. Алмазы были таже известны и очень ценились старыми римлянами. Плиний Старший в своем произведении Naturalis historia описывает применения алмазов в качестве инструменов. Около 600 г. нашей эры был обнаружен первый алмаз на индонезийском острове Борнео, но несмотря на то, что теперь Индия не являлась единственным месторождением алмазов, алмазы с Борнео не стали популярны, так как их количество было совсем незначительным, а транспортировка до торговых городов была слишком дорога.

В 13 веке обнаружили, что после обработки алмазы приобретают восхитительный вид, но все же от обработки алмазов отказывались, так как считали, что после обработки алмазы теряют свою магическую силу. Лишь в 1910 году была изобретена и воплощена в жизнь шлифовка алмазов, которая используется и по сей день.

По оценке компании «Де Бирс», в 2004 году добыча алмазов (в стоимостном выражении) в странах-лидерах составила:

Ботсвана — 2,9 млрд долл.;

Россия — 2 млрд долл.;

Канада — 1,4 млрд долл.;

ЮАР — 1,3 млрд долл.;

Ангола — 1,2 млрд долл.;

Намибия — 0,7 млрд долл.

История добычи алмазов в Российской Федерации

В России первый алмаз был найден 4 июля 1829 года на Урале в Пермской губернии на Крестовоздвиженском золотом прииске четырнадцатилетним крепостным Павлом Поповым, который нашёл кристалл, промывая золото в шлиховом лотке. За полукаратный кристалл Павел получил вольную. Павел привёл учёных, участников экспедиции немецкого учёного Александра Гумбольдта, на то место, где он нашёл первый алмаз (сейчас это место называется Алмазный ключик (по одноимённому источнику) и расположено приблизительно в 1 км от пос. Промысла? недалеко от старой автомобильной дороги, связывающей посёлки Промысла? и Тёплая Гора Горнозаводского района Пермского края), и там было найдено ещё два небольших кристалла. За 28 лет дальнейших поисков был найден только 131 алмаз общим весом в 60 карат.

Первый алмаз в Сибири был намыт также из шлиха неподалеку от города Енисейска в ноябре 1897 года на реке Мельничной. Размер алмаза составлял 2/3 карата. Из-за малого размера обнаруженного алмаза, и недостатка финансирования разведка алмазов не велась. Следующий алмаз был обнаружен в Сибири в 1948 году.

Поиск алмазов в России вёлся почти полтора века, и только в середине 50-х годов были открыты богатейшие коренные месторождения алмазов в Якутии. 21 августа 1954 года геолог Лариса Попугаева открыла первую кимберлитовую трубку за пределами Южной Африки. Её название было символично — «Зарница». Следующей стала трубка «Мир», что тоже было символично после Великой Отечественной войны.

Была открыта трубка «Удачная». Такие открытия послужили началом промышленной добычи алмазов на территории СССР. На данный момент львиная доля добываемых в России алмазов приходится на якутские горнообрабатывающие комбинаты. Кроме того, крупные месторождения алмазов находятся на территории Красновишерского района Пермского края, и в Архангельской области: Ломоносовское месторождение на территории Приморского района и месторождение Верхотина (им. В.Гриба) на территории Мезенского района .

Самым сложным и ответственным процессом при изготовлении из алмазов бриллиантов является огранка. Ее производят с помощью быстро вращающегося диска из медного сплава, в который впрессованы мелкие алмазы, или чугунного диска, в поверхность которого втирают алмазный порошок, разведенный в репейном или оливковом масле.

При этом форму камня и расположение граней в нем делают с таким расчетом, чтобы падающий свет не проходил сквозь камень, а, претерпев полное отражение от внутренних поверхностей граней, возвращался бы обратно, обеспечивая «игру» света.

Огранка бриллиантов – необычайно сложный и трудоемкий процесс. Крупные камни гранят месяцами, а уникальные – по нескольку лет. Масса алмаза от этой операции сокращается вдвое или втрое, пропорционально растет и его стоимость.

Поэтому, перед тем, как приступить к огранке крупных алмазов, тщательно обсчитывают форму будущего бриллианта, которая обеспечит наилучшую «игру» и позволит максимально сохранить массу исходного камня. Сейчас для этой цели используют компьютеры, которые максимально облегчают задачу.

Казалось бы, алмаз – безупречный камень. Но и у него есть недостатки. Он химически активен по отношению к железу и никелю. При повышенной температуре он образует с ними растворы внедрения и разрушается. То есть резать алмазом сталь на высокой скорости невозможно.

Алмаз бессилен даже против мягкого железа. Нагреваясь в процессе резания, железо начинает в больших количествах растворять в себе углерод. Тем самым оно «съедает» самый твердый в мире материал.

Впрочем, любой недостаток можно превратить в достоинство. Эту простую химическую реакцию можно использовать для обработки алмазов. Такое свойство неприступного алмаза позволяет легко разрезать его раскаленной стальной проволокой.

Если к алмазу приложить железный резец, нагретый до 1000°C, он начнет растворять в себе углерод, погружаясь вглубь алмаза со скоростью до 0,3 мм в час. Меняя форму головки резца, из алмазов можно изготавливать сложнейшие детали, например, втулки, шестеренки и прочие сложной формы изделия, которые невозможно изготовить по-другому.

В принципе, на алмазе можно было бы написать и эту статью, был бы алмаз подходящих размеров и раскаленный гвоздик!

Синтетические алмазы I

Синтез алмаза проводится в камере типа «чечевица» объемом несколько кубических сантиметров . Нагревание осуществляется индукционным методом или прямым пропусканием электрического тока. При сближении пуансонов реакционная смесь графита с никелем (а также со слоистым пирофиллитом) сжимается, при этом в камере развивается давление выше 5 • 102 МПа.

В результате происходит перекристаллизация гексагональной кристаллической решетки графита в кубическую структуру алмаза. Размер кристаллов алмаза зависит от времени синтеза, так как при времени реакции 3 минуты образуются кристаллы массой около 10 мг, а 30 мин – 70 мг. Наиболее прочны кристаллы размером до 0,5 – 0,8 мм, более крупные имеют невысокие физико-механические свойства. Кроме описанного метода разработан еще ряд способов выращивания алмазов.
В 1963 г. В.Ж. Эверсолом (США) был запатентован способ выращивания алмазов из газовой фазы (из метана, ацетилена или других углеводородов) при давлении ниже 103 МПа. Суть метода – создание перенасыщенной углеродом газовой фазы, образующаяся при этом избыточная поверхностная энергия на границе графит – воздух способствует формированию зародышей алмазов.

Подобный метод был разработан в СССР Б.В. Дерягиным и Д.В. Федосеевым. При давлении ниже атмосферного им удалось получить на затравках из алмаза нитевидные кристаллы синтетического алмаза из газовой фазы. Скорость роста кристаллов очень низкая – около 0,1 мкм/ч.
В 1961 г. в США фирмой «Эллайд Хемикал и Дю Пон» был предложен взрывной метод получения синтетических алмазов. При направленном взрыве происходит мгновенное повышение давления до 200 • 102 МПа и температуры до 2000 ?С, при этом в графите образуются мелкие (до 10 – 30 мкм) синтетические алмазы. В СССР в Институте сверхтвердых материалов АН УССР была отработана подобная технология получения искусственных алмазов, получивших название АВ.
В США фирмой «Дженерал Электрик К0» в 1970 г. был разработан метод получения крупных синтетических кристаллов алмазов ювелирного качества на затравках в виде пластин. Однако стоимость выращивания таких алмазов гораздо выше, чем добыча природных.
Главные центры производства синтетических алмазов – США («Дженерал Электрик К°»), ЮАР («Де Бирс»), Англия, Япония. Схема камеры типа «чечевица»: 1 – пуансоны; 2 – реакционная смесь графита с никелем; 3 – пирофилитовая прокладка; 4 – муфта. В мире выпускаются синтетические алмазы следующих видов: АСО – алмазы обычной прочности, АСР – алмазы повышенной прочности, АСВ – алмазы высокой прочности, АСК и АСС – алмазы монокристаллические. Размер алмазов АСО, АСР и АСВ 0,04 – 0,63 мм.

Синтетические алмазы II

Кроме того, выпускаются две марки микропорошков – АСМ и АСН с размером зерен 1 – 60 мкм. Монокристаллические синтетические алмазы АСК и АСС имеют размер зерен до 1 мм.
Эксплуатационные свойства шлифовальных порошков из синтетических алмазов зависят от формы зерен, характера их поверхности и механической прочности. Наиболее развитая поверхность характерна для алмазов АСО, а наименее развитая – для алмазов АСС. Механическая прочность алмазов АСС приближается к прочности природных алмазов.
Синтетические алмазы широко применяются для производства алмазно-абразивного инструмента, брусков, кругов шлифовальных и отрезных, паст для шлифования, стеклорезов, резцов, буровых коронок, долот и т.д. В настоящее время более 80% потребности в технических алмазах покрывается за счет синтетических. Кроме перечисленных марок синтетических алмазов в СССР выпускаются поликристаллические алмазы типа карбонадо, балласы, СВС, используемые в технике, а также ряд синтетических сверхтвердых материалов, приближающихся по своим физическим свойствам к природным алмазам – эльбор (или кубонит), гексанит и др. «Блестящее будущее рисуется нам для алмаза, когда человек сумеет овладеть тайной искусственно¬го его получения. Алмаз до сих пор упорно хранит эту тайну, и то немногое, чего добилась наука, еще далеко от разрешения проблемы в целом. » – так писал А.Е. Ферсман в 1945 г., а уже через несколько лет синтетические алмазы заняли ведущее положение в технике.
Около 200 лет пытаются создать синтетические алмазы. Десятки лабораторий в различных странах продолжают поиски более рациональной и эффективной методики выращивания алмазов как для технических нужд, так и для ювелирных целей.

Нерешенных проблем в этой области очень много, однако каждый день приближает нас к цели и не исключено, что в скором времени будут найдены экономичные способы получения синтетических алмазов любой формы, размера, цвета и качества. Природные драгоценные камни в десятки, а иногда и в сотни раз стоят дороже своих синтетических аналогов, несмотря на то что синтетические камни по качеству и цвету часто значительно превосходят природные. Г. Банк пишет: «Тем не менее и синтетические камни принадлежат к миру драгоценных камней. Каждому дано решить для себя, как он представляет себе свой мир драгоценных камней: намерен ли он удовлетвориться хорошей копией или же по прежнему ценит лишь оригинал!».

Источник

Камень Алмаз: описание, свойства, виды, применение

Природа подарила людям множество самоцветов. Алмаз считается самым лучшим и известным из них. Свое имя сияющий кристалл получил от слова адамас, которое с греческого переводится как несокрушимый. А в Англии минерал называли «даймонд».

Необработанный алмаз выглядит не очень привлекательно.

Только после того, как драгоценные камни побывают в руках ювелира, они превращаются в бесподобные бриллианты.

Кристаллы, поражающие всех своим прекрасным внешним видом, с древности используются для создания украшений. В некоторых государствах несколько веков назад они были твердой валютой.

• Соублз – имеет правильную октаэдрическую форму;
• Мэйкблз – кристаллы неправильной или округлой формы;
• Кливаж – кристаллы с преобладанием трещин

• Круглая – нанесено 57 граней;
• Фантазийная: ступенчатая, клиньевая, смешанная.

VVS1 – от 1 до 3 микро инородных включений

VVS2 – от 1 до 3 микро инородных включений

VS1 – от 3 до 6 инородных включений

VS2 – от 3 до 6 инородных включений

SI1 – до 8 вкраплений

SI2– до 8 вкраплений

SI3– до 8 вкраплений

I1 – большое количество вкраплений, наличие трещин

I2– большое количество вкраплений, наличие трещин

Физические свойства

Минералоги признают, что физические свойства алмаза необыкновенны, отличаются от всех других минералов. Он обладает:

• алмазным блеском;
• совершенной прозрачностью;
• устойчивостью к нагреванию;
• совершенной спайностью;
• высокой теплопроводностью;
• неспособностью проводить электричество;
• изломом раковистым до занозистого;
• кубической сингонией;
• показателем преломления от 2,417 до 2,421;
• сильной дисперсией.

Цветовая гамма адамаса весьма разнообразна. Есть экземпляры бесцветные, а есть с голубым, зеленым, желтым, розовым, красным, коричневым отливом.

Химические свойства

Алмаз по химическому составу является одной из модификаций кристаллического углерода. Химические свойства алмаза таковы:

• твердостью по шкале Мооса 10 единиц;
• удельным весом 3,48-3,55 г/см3;
• минерал устойчив к воздействию кислот;
• в его состав могут входить примеси.

Магические свойства

Магические показатели алмазов выявляли богатые люди, которые могли позволить себе украшения со сверкающими камнями. Многие приближенные к императорским дворам замечали, как кристаллы влияли на жизнь людей или их семей.

• Бриллиантовое колье поможет справиться с трудностями на работе. Благодаря ожерелью девушка привлечет к себе внимание состоятельного человека. Это знакомство станет началом длительного сотрудничества, при котором у обладательницы бриллиантов будет возможность улучшить свое материальное положение.
• Кольцо с алмазом одарит владельца талантом. Одна из способностей человека будет активно развиваться, что станет основой для новых попыток проявить себя в разных профессиональных областях.
• Браслет с бриллиантовыми вставками станет залогом счастливой личной жизни. Хозяин сможет найти свою вторую половинку и избавиться от чувства одиночества.
• Серьги умножат в разы мыслительные способности человека. У владельца появится расположенность к длительной упорной работе, а сложные задачи больше не будут выглядеть нерешаемыми.

Оптические свойства

Минералоги выделяют оптические свойства алмаза:

• преломление сияющего кристалла — 2,4175, примеси могут увеличивать этот показатель;
• дисперсия составляет 0,63;

Эти способности и придают драгоценному минералу способность после профессиональной огранке переливаться всеми цветами радуги.

Люминесценция (способность переливаться под солнечными, катодными, ультрафиолетовыми и рентгеновскими лучами) является важным свойством неповторимого самоцвета. Катодное и рентгеновское излучение заставляет светиться все алмазы, ультрафиолетовое — лишь некоторые.

При нагревании до 900 градусов драгоценный минерал превращается в графит.

Виды алмазов

Выделяют несколько классификаций драгоценного камня. Согласно первой есть такие разновидности алмазов:

Кроме этого деления на виды, все алмазы после добычи делят в зависимости от размера:

1. К мелким относят минералы, вес которых не достигает одной трети карата.
2. Средними называют те камни, которые не превышают веса 1 карата, но и не относятся к мелким.
3. Крупные бриллианты — это самоцветы более одного карата.

Формула вещества

Формула алмаза отражает химический состав этого вещества. Алмаз представляет собой чистый углерод. Carboneum встречается в природе в разных соединениях, в зависимости от количества атомов, изменяется внешний вид минералов. Этим можно объяснить необычную метаморфозу прочнейшего бриллианта в хрупкий графит при определенных условиях внешней среды. Влияние на химический состав и формулу приводит к переменам во внешнем виде и физических характеристиках.

Примеси в составе алмаза

Для продажи ювелирного изделия необходимо, чтобы состав алмаза был безупречным. Именно такие самоцветы используются в ювелирной промышленности. Однако в природе встречаются алмазы с вкраплениями других химических элементов помимо углерода. Наиболее распространены примеси:

Иногда примеси появляются даже в непрозрачных экземплярах. Тогда они не влияют на внешнюю привлекательность, однако меняют показатели прочности и веса. Такие природные дефекты трудно предугадать, поэтому при ювелирной отделке алмазы с незаметными вкраплениями могут сломаться, иногда не поддаются огранке.

Обработка алмазов

Перед тем, как обработать алмаз, ювелир выбирает самый лучший материал без значительных повреждений или природных дефектов. Если на алмазах есть микротрещины, то их удаляют или маскируют с помощью специальных приборов, изменяющих строение с помощью показателей окружающей среды.

После этого производят огранку. Наиболее популярные формы бриллиантов — это двенадцатигранники. Этот тип огранки считается универсальным, так как подходит алмазам независимо от вида, цвета и природных особенностей экземпляров. Более того, такая форма позволяет сохранить естественную величину крупных и средних самоцветов и не уменьшать еще больше размер небольших кристаллов. Огранки алмазов очень хорошо ценятся.

Происхождение алмаза

Основные алмазные месторождения находятся в:

• Африке;
• России;
• Австралии;
• Канаде;
• Ботсвана;
• Индии;
• ЮАР.

Так как добыча началась задолго до исследований кристалла, природные сокровищницы значительно истощились. Это отражается и на цене, и на качестве добываемого материала. Однако бразильские и южно-африканские залежи, открытые только полтора века назад, продолжают одаривать человечество редкими, но очень изящными самоцветами.

Большую часть алмазов находят в кимберлитовых трубках, она представляет собой трубку распространения взрыва при вулканическом извержении. Имеет форму трубообразного канала. Эти трубки содержат алмазы, которые добывают в ЮАР, Индии, а с 1954 года на Среднесибирской платформе — в Якутии. Кимберлитовые трубки — своеобразные древние вулканы, наземная часть которых в большей степени разрушена в результате эрозионных процессов. Происхождение каждого алмаза влияет на его физико-химические показатели, а так же на его цену и внешний вид.

Применение алмазов

Структура алмаза, высокая прочность и неотразимый внешний вид — все это позволяет самоцвету быть востребованным во многих промышленных областях.

• Драгоценные камни украшают и девушек, и мужчин, дополняя образы роскошным блеском и радужными переливами.
• Показатель твердости, который значительно выше, чем у многих других драгоценных пород, определил применение алмазов для создания ножей, свёрл, кинжалов и других острых предметов.
• Алмазы часто используются для изготовления отдельных частей приборов для научно-исследовательских центров по всему миру.

Искусственные аналоги алмазов

Благодаря исследованиям удалось открыть метод синтеза агломерата, благодаря которому удается создать алмазы, идентичные по структуре алмазам природным. Синтетические экземпляры — фианиты — по своим характеристикам приближены к настоящим кристаллам. Создание синтетических бриллиантов — вынужденная мера, так как существующих запасов в месторождениях недостаточно, чтобы обеспечить все сферы промышленности большим количеством алмазов. Несмотря на старания ученых, существуют незначительные различия во внешнем виде и строении алмазов и фианитов.

Природные и синтетические алмазы очень похожи, но не идентичны.

Интересные факты об алмазах

Широкое производство качественных синтетических алмазов началось с 2004 года. До этого времени созданием искусственных бриллиантов занимались только в целях подделки, однако, начиная с 21 века, вопрос о изготовлении подобных минералов был вынесен на научный уровень.

Совместимость

Несмотря на свою удивительную красоту, алмаз подходит не всем знакам зодиака. Как отмечали с древности, самоцвет подходит только сильным людям. Алмаз – это солнечный бриллиант, и подходит он огненным знакам: овнам, весам, и львам. Этим знакам зодиака, алмаз подходит безоговорочно, они могут содержать сильную энергетику камня и направлять ее в нужное русло.

Дева, стрельцы и телец — алмаз довольно сильно влияет на ваши положительные качества. Оберегает от заболеваний. Имея самоцвет в своей копилке, обеспечите защиту от сглаза. Помогает улучшить настроение.

Близнец, скорпион, водолей — вам лучше не стоит приобретать данную драгоценность.

Рыбы, козерог, рак- вам следует использовать алмаз в качестве талисмана. Он поможет найти и укрепить любовь в ваших отношениях, послужит лечебным оберегом.

Украшения из алмазов

Современный рынок ювелирных изделий предлагает множество украшений с бриллиантами разной величины.

Обручальное кольцо с алмазами выделит жениха и невесту, ведь дорогое украшение будет указывать на их материальное положение и статус.

Набор украшений, полностью испещренный небольшими алмазами, ненавязчиво укажет на богатство состоятельной женщины в возрасте от 40 лет.

Стоимость

В среднем, качественный бриллиант весом в один карат обойдется человеку в 7.500 — 9.000 рублей.

Многолетняя история алмазов делает их еще более привлекательными и интересными большому кругу людей. Внешняя привлекательность и множество полезных характеристик обеспечат минералам нескончаемую популярность среди женщин и мужчин.

В моём личном блоге я познакомлю вас с особенностями разных драгоценных камней, влиянием зодиакальных камней в отношении каждого знака зодиака, а также целебными свойствами некоторых из них.

Источник

Природный минерал алмаз: структура, физические и химические свойства

Алмаз — природный минерал, один из самых известных и дорогих. Вокруг него ходит множество домыслов и легенд, особенно что касается его стоимости и выявления подделок. Отдельной темой для изучения является связь алмаза и графита. Многие знают, что эти минералы схожи, но далеко не всем известно, чем именно. Да и на вопрос о том, чем они отличаются, тоже не каждый сможет ответить.

А что мы знаем о структуре алмаза? Или о критериях оценивания драгоценных камней?

Структура алмаза

Алмаз — один из трех минералов, представляющих собой кристаллическую модификацию углерода. Два других — это графит и лонсдейлит, второй можно обнаружить в метеоритах либо создать искусственным путем. И если эти камни — гексагональные модификации, то тип кристаллической решетки алмаза — куб.

В этой системе атомы углерода расположены таким образом: по одному на каждой вершине и в центре грани, и четыре внутри куба. Таким образом, получается, что атомы расположены в виде тетраэдров, и каждый атом находится в центре одного из них. Частицы связаны между собой самой прочной связью — ковалентной, благодаря чему алмаз и имеет высокую твердость.

Химические свойства

• азот;
• бор;
• алюминий;
• кремний;
• кальций;
• магний.

Также в состав могут входить кварц, гранаты, оливин, прочие минералы, окиси железа, вода и другие вещества. Зачастую эти элементы находятся в составе минерала в виде механических минеральных включений, но некоторые из них могут замещать углерод в структуре алмаза — это явление называется изоморфизмом. В таком случае включения могут значительно влиять на физические свойства минерала, на его цвет, отражение света, а включения азота придают ему люминесцентные свойства.

Физические свойства

Структура алмаза обуславливает его физические свойства, они оцениваются по четырем критериям:

• твердость;
• плотность;
• дисперсия и преломление света;
• кристаллическая решетка.

Твердость минералов оценивается по шкале Мооса, его оценка по этой системе равняется 10, это максимальный показатель. Следующий в списке корунд, его показатель — 9, однако его твердость меньше в 150 раз, что означает абсолютное первенство алмаза по этому показателю.

Однако твердость минерала вовсе не означает его прочность. Алмаз достаточно хрупкий и легко раскалывается, если ударить его молотком.

Удельный вес алмаза (плотность) определяется в промежутке от 3,42 до 3,55 гр/см 3 . Он определяется в соотношении веса минерала к весу воды того же объема.

Помимо твердости, он обладает и высокими показателями преломления света (2,417-2,421) и дисперсии (0,0574). Такое сочетание свойств позволяет алмазу быть самым драгоценным и идеальным ювелирным камнем.

Значение имеют также и другие физические свойства минерала, такие как теплопроводность (900-2300 Вт/м·К), также самая высокая из всех веществ. Можно также отметить способность минерала не растворяться в кислотах и щелочах, свойства диэлектрика, низкий коэффициент трения по металлу в воздухе и высокую температуру плавления 3700-4000 °C при давлении 11 ГПа.

Сходства и отличия алмаза и графита

Углерод — один из самых распространенных элементов на Земле, он содержится во многих веществах, в особенности в живых организмах. Графит, как и алмаз, состоит из углерода, однако структуры алмаза и графита сильно отличаются.

Алмаз может превращаться в графит под действием высоких температур без доступа кислорода, но в нормальных условиях он способен бесконечно долго оставаться в неизменном виде, это называют метастабильностью, к тому же тип кристаллической решетки алмаза — куб. А вот графит — минерал слоистый, его структура выглядит как ряд пластов, расположенных в разных плоскостях. Эти пласты составляются из шестиугольников, формирующих систему, похожую на соты. Сильные связи образуются только между этими шестиугольниками, а вот между пластами они крайне слабые, это и обуславливает слоистость минерала. Помимо низкой твердости, графит поглощает свет и имеет металлический блеск, чем также сильно отличается от алмаза.

Эти минералы являются самым ярким примером аллотропии — явления, при котором вещества имеют разные физические свойства, хоть и состоят их одного химического элемента.

Происхождение алмаза

Нет однозначного мнения по поводу того, как образуются алмазы в природе, существуют магматическая, мантийная, метеоритная и прочие теории. Однако наиболее распространенной является магматическая. Считается, что алмазы образуются на глубине около 200 км под давлением в 50 000 атмосфер, а после выносятся на поверхность вместе с магмой во время формирования кимберлитовых трубок.

Возраст алмазов варьируется от 100 миллионов до 2,5 миллиарда лет. Также научно доказано, что алмазы могут образовываться при ударе метеорита о поверхность земли, а также находиться в самой метеоритной породе. Однако кристаллы такого происхождения имеют крайне мелкие размеры и редко подходят для обработки.

Месторождения алмазов

Первые месторождения, в которых были обнаружены и добывались алмазы, располагались в Индии, но уже к концу XIX века они были сильно истощены. Однако именно там были добыты самые известные, крупные и дорогостоящие образцы. А в XVII и XIX столетиях были обнаружены месторождения минерала в Бразилии и Южной Африке. История пестрит легендами и фактами об алмазной лихорадке, которые связаны именно с южноафриканскими рудниками. Последние обнаруженные месторождения алмазов находятся в Канаде, их освоение началось лишь в последнем десятилетии XX века.

Особенно интересны рудники Намибии, хотя добыча алмазов там является делом сложным и опасным. Залежи кристаллов сосредоточены под слоем грунта, что хоть и усложняет работу, но говорит о высоком качестве минералов. Алмазы, прошедшие путь в несколько сотен километров до поверхности при постоянном трении о прочие породы, являются высокосортными, менее качественные кристаллы просто не выдержали бы такого путешествия, а потому 95 % добытых камней — ювелирного качества. Также известные и богатые минералами кимберлитовые трубки есть в России, Ботсване, Анголе, Гвинее, Либерии, Танзании и других странах.

Обработка алмазов

Обработка алмазов требует огромного опыта, знаний и умений. Прежде чем приступать к работе, необходимо досконально изучить камень, чтобы впоследствии максимально сохранить его вес и избавиться от вкраплений. Наиболее распространенный тип огранки алмазов — круглый, он позволяет камню заиграть всеми красками и максимально выгодно отражать свет. Но такая работа является и самой сложной: круглый бриллиант имеет 57 плоскостей, и при его огранке важно соблюдать точнейшие пропорции. Также популярными типами огранки являются: овал, слеза, сердце, маркиза, изумрудная и другие. Выделяют несколько этапов обработки минералов:

• разметка;
• раскалывание;
• распиловка;
• закругление;
• огранка.

До сих пор считается, что после обработки алмаз теряет около половины своего веса.

Критерии оценивания алмазов

При добыче алмазов лишь 60 % процентов минералов пригодны для обработки, их называют ювелирными. Естественно, стоимость необработанных камней значительно уступает цене бриллиантов (более чем в два раза). Оценка стоимости бриллиантов проводится по системе 4C:

1. Carat (вес в каратах) — 1 карат равен 0,2 г.
2. Color (цвет) — чисто белых алмазов практически не встречается, большинство минералов имеют определенный оттенок. От окраски алмаза во многом зависит его стоимость, большинство встречающихся в природе камней имеют желтый или коричневый оттенок, реже можно обнаружить розовые, голубые и зеленые камни. Наиболее редкими, красивыми, а оттого и дорогими являются минералы насыщенных оттенков, их называют фантазийными. Наиболее редкие из них — зеленый, фиолетовый и черный.
3. Clarity (чистота) — также важный показатель, который определяет присутствие дефектов в камне и значительно влияет на его стоимость.
4. Cut (огранка) — от огранки сильно зависит внешний вид бриллианта. Преломление и отражение света, своеобразное «бриллиантовое» сияние делают этот камень столь ценным, а неправильная форма или соотношение пропорций при обработке могут напрочь его испортить.

Изготовление искусственных алмазов

Сейчас технологии позволяют «выращивать» алмазы, практически неотличимые от натуральных. Существует несколько способов синтеза:

1. Создание HPHT-алмазов — наиболее близкая к природным условиям методика. Минералы создаются из графита и затравочного алмаза при температуре 1400 °С под давлением в 50 000 атмосфер. Этот метод позволяет синтезировать камни ювелирного качества.
2. Создание CVD-алмазов (пленочный синтез) — изготовление камней в вакуумных условиях с использованием затравки и газов метана и водорода. Этот способ позволяет синтезировать чистейшие минералы, однако крайне маленьких размеров, потому в основном они имеют промышленное назначение.
3. Взрывной синтез — это способ позволяет получить мелкие кристаллы алмаза посредством детонации взрывчатых веществ и последующего охлаждения.

Как отличить оригинал от подделки

Говоря о методах определения подлинности алмазов, стоит различать проверку подлинности бриллиантов и необработанных алмазов. Неопытный человек может спутать алмаз с кварцем, хрусталем, другими прозрачными минералами, и даже со стеклом. Тем не менее исключительные физические и химические свойства алмаза позволяют с легкостью определить подделку.

В первую очередь стоит вспомнить о твердости. Этот камень способен поцарапать любую поверхность, а вот на нем оставить следы может только другой алмаз. Также на натуральном кристалле не остается испарины, если на него подышать. На мокром камне будет след как от карандаша, если провести по нему алюминием.

Можно проверить его рентгеном: натуральный камень под излучением имеет насыщенный зеленый окрас. Или посмотреть сквозь него на текст: сквозь натуральный алмаз его будет невозможно разобрать. Отдельно стоит отметить, что натуральность камня можно проверить на преломление света: поднеся к источнику света подлинник, можно увидеть лишь светящуюся точку в центе.

Источник

Состав, структурная формула и прочие особенности алмаза

Алмаз — это простое вещество-неметалл, которое почти полностью состоит из углерода. Этот минерал известен благодаря своему широкому использованию в ювелирном деле, а также из-за своих необычных физических свойств, среди которых выделяется высочайшая прочность. При этом химическая формула алмаза такая же, как у обычного графита — C, а его уникальность и ценность обусловлена исключительно строением кристаллической решётки.

Формула и структура минерала

Углерод, он же карбон — это элемент, имеющий в таблице Менделеева шестой порядковый номер и записывающийся как C. Именно из него целиком состоит алмаз — количество примесей, если они есть, настолько мало, что они не учитываются в формуле. Помимо алмаза, углерод принимает такие аллотропные, то есть состоящие из одного вещества, формы:

• древесный уголь;
• сажа;
• графит;
• графен;
• карбин;
• кокс;
• алмаз гексагональный, или лонсдейлит;
• фуллерен;
• поликумулен;
• УНТ или углеродные нанотрубки.

Некоторым трудно поверить, что прозрачный и прочный алмаз имеет одинаковый состав с обычной сажей, углём или графитом, но это так. Дело в том, что, в отличие от прочих веществ, состоящих из углерода, атомы алмаза образуют кубическую упорядоченную структуру, чем и объясняются его необычные качества и внешний вид.

Кристаллическая решётка минерала имеет кубическую форму. Каждый атом в её структуре находится в центре тетраэдра, вершины которого представляют собой 4 других атома, при этом между ними образуется надёжная сигма-связь. Расстояние между всеми атомами одинаково и составляет примерно 0,15 нм. Кроме того, для решётки минерала характерна кубическая симметрия. Все эти качества и особенности структурной формулы алмаза и обусловливают его огромную прочность по сравнению с веществами-«родственниками».

Характеристики вещества

Алмаз — это очень необычное вещество, не имеющее ни природных, ни искусственно созданных аналогов. Его происхождение неизвестно, но есть несколько гипотез, среди которых выделяются две наиболее правдоподобные: нагревание карбона при высоком давлении из-за подъёма магмы на поверхность планеты и падение на Землю большого количества содержащих этот минерал метеоритов.

От подделок и имитаций настоящий драгоценный камень отличают с помощью «алмазного щупа», который измеряет его теплопроводность. Ещё иногда используют пробу специальным жировым фломастером, который должен оставлять на поверхности минерала сплошную линию. Оба метода позволяют подтвердить наличие у вещества особенностей, характерных только для подлинного алмаза.

Химические и физические свойства

Стоит отметить, что алмаз состоит из атомов, а не из молекул углерода — последние очень редки и в природе почти не встречаются. Кроме того, строение драгоценного камня наделило его множеством уникальных свойств, среди которых выделяются:

Наивысшая твёрдость среди минералов по шкале Мооса — 3,47 — 3,55 г/см³. Это значит, что поцарапать поверхность алмаза способен только другой алмаз.
• При этом минерал очень хрупок, и его можно разбить. Раскалывается кристалл строго по определённым плоскостям.
• Ещё для него характерна очень высокая устойчивость к воздействию как кислотной, так и щелочной среды, а также отличная износостойкость.
• Минерал отталкивает воду, но при этом прилипает к жиру.
• При обычном давлении алмаз не плавится, а сублимирует (сразу превращается в газ, минуя жидкое состояние) при температуре в примерно 3500 °C. Если нагревание проводится при отсутствии кислорода с давлением в 11 ГПа, его температура плавления составляет 3700—4000 °C.
• При этом если есть свободный доступ кислорода, минерал горит при температуре всего 750—800 °C. В процессе сгорания он выделяет углекислоту.
• Ещё для него характерна очень высокая теплопроводность. Благодаря ей минерал не нагревается в руках — это самый простой способ проверить его подлинность. Кроме того, у вещества плохая проводимость электричества.
• Отличает алмаз и крайне небольшой коэффициент трения по металлу: если присутствует воздух, оно составляет всего 0,1. Ещё у него самая низкая среди всех веществ способность к деформации (и, соответственно, самый высокий модуль упругости) и сжимаемость.

Особенности внешнего вида

Алмаз известен в первую очередь благодаря своему внешнему виду, сделавшему его очень популярным и роскошным ювелирным украшением. Среди прочих драгоценных минералов его выделяют высокие показатели прозрачности и преломления цвета, а также дисперсии. Именно благодаря ей огранённый камень обладает очень красивой люминесценцией, то есть сверкает всеми цветами радуги, переливаясь на свету.

В идеале драгоценный камень должен состоять из чистого углерода, но в природе такое встречается редко. Примеси в минерале могут как отрицательно влиять на его качество, снижая цену, так и придавать ему красивые и необычные оттенки. Ещё на цвет иногда может повлиять радиоактивное излучение. Обычно натуральные алмазы — жёлтые, но встречаются и голубые, синие, зелёные, розовые и даже красные экземпляры. Несмотря на разнообразие оттенков, чистый минерал всегда должен быть прозрачен.

В природе алмазы имеют самые разные формы. Чаще всего встречается кристалл с восемью гранями в форме правильного треугольника. На втором месте — ромбододекаэдр с двенадцатью гранями. Бывают также кубические и круглые камни, но они очень редки. При огранке минерала потери вещества стараются свести к минимуму, чтобы максимизировать прибыль от производства бриллиантов.

Добыча и производство

История добычи и продажи этих драгоценных камней насчитывает тысячи лет. Впервые их обнаружили в Индии — точная дата неизвестна, но описание кристалла было сделано ещё в IV до н. э. Ещё тогда он считался очень ценным, даже несмотря на то, что люди того времени не умели гранить минерал и только шлифовали его. Известно, что алмазы были популярны ещё и в древнем Египте, а в Европу их завезли во времена Александра Македонского.

Гранить кристаллы научились с XVII века, и с тех пор это искусство постоянно совершенствовалось. На протяжении столетий появлялись всё новые формы и способы обработки драгоценного минерала, до тех пор, пока в 1919 году Марсель Толковский не изобрёл идеальную огранку бриллиантов, которую применяют и сейчас.

В природных условиях

Алмазы относятся к природным ископаемым. Основная часть драгоценных камней — около 90% — содержится в кимберлитовых трубках, также их некоторое количество можно найти в лампроитах и россыпях. Наличие этого ценного минерала в горной породе определяют с помощью рентгеновских лучей. При этом бо́льшая часть добытых камней идёт не в ювелирное дело, а на промышленность — это происходит из-за наличия в них большого количества (>5% в целом или >2% вещества одного типа) примесей, а также структурных дефектов. Промышленные кристаллы бывают таких типов:

• борт — мелкая алмазная крошка, которую невозможно огранить, используется для резки некоторых огнеупорных материалов;
• баллас — мелкозернистые кристаллы, оболочка которых твёрже ядра, обычно имеют мутно-белый или серый цвет и используются для производства буровых коронок;
• карбонадо — непрозрачный или полупрозрачный чёрный алмаз, похожий на уголь, обычно содержит много примесей железа, графита или сульфитов.

Искусственный синтез

В лабораториях можно получить алмаз из графита. Это достигает путём влияния на его кристаллическую решётку, но такой переход представляет собой очень дорогой, трудоёмкий и энергозатратный процесс. Более дешёвые кристаллы, по своим свойствам напоминающие алмаз, можно искусственно выращивать. В целом лабораторное создание этих драгоценных камней можно поделить на три типа:

• HPTH (High Temperature High Pressure, что переводится как высокая температура и давление) — создание условий, похожих на природную среду формирования минерала, с помощью особых приборов. Синтез вещества при этом происходит из графита, оседающего на кристаллической решётке затравочного алмаза.
• CVD (Chemical vapor deposition или химическое парофазное осаждение) — получение вещества из паров метана химическим путём. Этот способ также использует осаждения графита.
• Взрывной синтез — переход структуры углерода из графита в алмаз при ударно-волновом нагружении.

Ни один из этих способов пока что не может создать камни, по своему качеству близкие к натуральным, потому их редко используют в ювелирном деле. Кроме того, все виды производства далеки от массовых, потому старания учёных в этом деле пока продолжаются.

Применение алмаза

Огранённый алмаз, он же бриллиант — это очень популярный драгоценный камень, являющийся также одним из самых дорогих. Хотя на продажу в качестве ювелирных украшений поступает только малая часть минерала, именно она составляет основную часть дохода с его добычи. В значительной степени дороговизна камня обусловлена монополизацией производства бриллиантов — более 50% их оборота принадлежит одной компании.

Помимо ювелирного дела, есть ещё множество отраслей, в которой минерал нашёл своё применение. В основном ценится его высочайшая прочность, обусловленная структурной формулой алмаза. В химии его применяют для защиты от кислот и некоторых очень едких веществ. В промышленности алмазную плёнку наносят на резцы, свёрла, ножи, части добывающих установок и другие подобные инструменты Алмазную крошку используют как абразив для шлифования точильных поверхностей.

Используют его и в создании медицинских инструментов, так как острота и прочность алмазных изделий может обеспечить максимально точные надрезы при операциях. Ещё его применяют для изготовления деталей для современных квантовых компьютеров и часов, в ядерной промышленности, а также во многих других отраслях.

Источник