Отличный теплопроводник
Уже в древности, люди знали о невероятной плотности алмаза. С древнегреческого языка этот слово переводится, как «несокрушимый». Тысячи лет назад ним торговали на территории Египта и Индии. Европейцы познакомились с алмазом позже. Произошло это во времена Александра Макидонского, который привез его вместе с другими захваченными у врага артефактами.
почему АЛМАЗ САМЫЙ твердый минерал?
В Древней Греции люди считали, что этот камень является слезами богов, чудом попавшими на землю.
Однако, ученые доказали, что сила этого минерала отнюдь не в магии или мистике. Такую прочность ему обеспечивают уникальные связи между составляющими его атомами и структурной решетке, которая имеет вид тетраэдров. Подобная структура дает возможность алмазу отлично проводить тепло. Например, если бы кто-то сделал из него чайную ложечку, то нею невозможно было бы пользоваться по назначению, так как при ее прикосновении к кипятку, потому что человек моментально получил бы ожог.
Сравнение твердости
Пытаясь выяснить, какой минерал является самым прочным, немецкий ученый Карл Моос еще в начале XIX века создал специальную шкалу, используя значений которой оценивался этот показатель. Она включала в себя 10 пунктов. За основу брался какой-то природный минерал, а ему в свою очередь присваивалась определенная отметка на шкале.
На первом месте был самый мягкий из них, а на последнем (10) – соответственно самый прочный. Далее проводились эксперименты, во время которых опытный образец царапался определенным материалом, который был взят за основу при составлении шкалы прочности. Например, если образец можно было повредить флюоритом, занимающим 3 строчку, но нельзя поцарапать гипсом, размещенным на 4 позиции, то испытуемому образцу присваивалась твердость, равная 3 по данной шкале.
В результате было определено, что самым твердым минералом является именно алмаз. Несмотря на то, что шкалу ученого Мооса создали более 200 лет назад, ученые пользуются нею по сей день.
Где использовался алмаз
На протяжении многих столетий, алмаз использовался исключительно для создания дорогих ювелирных украшений. Но во времена бурного развития промышленности, ученые все чаще стали обращать внимание на его уникальные физические свойства.
В промышленности в начале использовали природные камни, которые не подлежали огранке, то есть в них были определенные дефекты, не дававшие возможность ювелиру использовать их для своих творений. Такие алмазы получили название – технические.
Со временем потребность в изготовленных из минерала инструментах возросла. Например, в строительстве большую популярность получили алмазные сверла. Их достоинство состоит в том, что такие сверла не дают трещин обрабатываемого материала. К тому же с их помощью можно качественно и легко обработать самые разные материала: от камня до металла.
Использование в медицине
Самый твердый минерал используется не только для грубой обработки различных твердых материалов. Свое применение он нашел и в медицине, где из него делают инструменты, используемые во время самых сложных операций, требующих аккуратного и тонкого разреза тканей.
К тому же имеющие алмазную обработку медицинские инструменты, в частности скальпели, остаются очень острыми очень долго, что позволяет существенно сэкономить на их замене.
Использование в электрике
В настоящее время, еще одной областью применения минерала стала электроника. К примеру, для создания микросхем, алмаз используется в качестве подложки. Изготовленная по такой технологии техника отличается устойчивостью к резким изменениям напряжения или температуры. В телекоммуникации их применяют для быстрой и надежной передачи данных без помех. Особенностью материала стала возможность передавать разночастотные сигналы в пределах одного кабеля одновременно.
Использование в космической промышленности
Благодаря своей прочности, алмазу не страшны химически-агрессивные условия. Физики предложили использовать его в квантовой физике и во время космических полетов.
Синтез алмаза
Так как спрос на данный материал стал превышать его предложение, ученые предложили метод его искусственного синтезирования. В результате длительных экспериментов, им все же удалось сделать качественный аналог природного минерала. Поэтому сегодня их производство получило промышленные масштабы.
В настоящее время используется несколько способов его синтеза. Первый – предполагает создать специальные условия, которые будут максимально похожи на естественные. Для этого необходимо большое давление и сверхвысокие температуры.
Второй способ дает возможность получить его из пара. Для этого требуется пленочная технология, при которой тончайшая пленка из алмазных кристаллов наносится на кромку изготавливаемого инструмента. Более всего этот метод стал популярным при производстве медицинских инструментов.
Третий способ предполагает создание россыпи кристаллов благодаря детонации и моментальному охлаждению.
Источник: topkin.ru
Твердость, свойства и применение алмаза
Твердость алмаза — одна из характеристик драгоценного камня. Именно за это и ценится минерал. Материал используется не только в ювелирном деле, но и в промышленности, где твердость играет важную роль. Поэтому эта характеристика исследована учеными и по ней даже составлена специальная шкала для остальных минералов.
Исследование характеристик камня
Конечно, самая простая проверка твердости алмаза не обойдется без использования шкалы Мооса. Фридрих Моос предложил использовать такую классификацию еще в 1811 году, и до сих пор она не утратила актуальности и используется геммологами. Твердость алмаза — это не что иное, как сопротивление материала при попытке поцарапать его другим камнем.
Коэффициент твердости выставляется от 1 до 10, где единица обозначает наименее твердый материал, а 10, в свою очередь, наиболее твердое вещество, то есть алмаз. Кроме алмаза, оценку 10 не получил ни один камень. По шкале Мооса наименее твердым является тальк. Остальные вещества имеют промежуточные значения.
Даже сейчас продолжают определять твердость таким же образом. Но способ может несколько повредить поверхность минералов, за исключением алмазов, поэтому производится царапание на наименее видных местах. Алмазы можно пробовать царапать любым веществом — так определяется подделка экземпляра или подлинник.
Даже искусственные вещества вроде карборунда все равно не дотягивают до показателей алмаза. Не удалось ученым также воспроизвести и сплав стали, который был бы тверже алмаза. Но все коэффициенты и число твердости по шкале Мооса не являются абсолютными, а только относительными числами.
Камень алмаз является таким твердым вследствие процесса формирования. На него повлияли, в том числе, и тектонические сдвиги, и высокие температуры почвы, а также остывание раскаленных пород. Некоторые ученые считают, что алмаз имеет космическое происхождение, именно его присутствие в составе метеоритов и обуславливает такую твердость. Но ни одна гипотеза не может объяснить, как все-таки появился алмаз с такими высокими показателями твердости.
Название минерала также говорит о его качествах. Например, с греческого языка созвучное слово «адамас» переводится, как «несокрушимый», «твердый». А с персидского «ал-ма» также имеет значение твердого.
Но не стоит путать показатель твердости и плотности. Плотность алмаза не самая высокая среди веществ и равняется 3,5 — этот показатель свидетельствует о количестве веса на единицу объема материала. Еще самой значимой характеристикой является показатель преломления, он также самый высокий у алмаза среди всех естественных минералов. А вот твердость и хрупкость — разные вещи. Алмаз, или бриллиант, — хрупкий камень, поэтому требует бережного ухода.
Разбить алмаз довольно легко, поэтому нельзя подвергать его механическим ударам или сотрясениям. Из-за такой характеристики работать ювелирам с камнем сложно, поскольку камень от неосторожного движения может рассыпаться на мелкие частицы.
Химическая сторона твердости
Интересным явлением можно назвать разницу твердости аллотропных модификаций алмаза. Дело в том, что камень состоит из атомов углерода. Кроме этого вещества в нем ничего не должно быть. Конечно, в природе встречаются примеси, портящие структуру и влияющие на твердость. Но на показатели большинства экземпляров это не влияет.
Кристаллическая решетка алмаза и графита
Не только алмазы целиком состоят из углерода, у вещества есть много аллотропных модификаций, но уже не настолько твёрдых. Так, из элемента получаются такие материалы, как:
- графит;
- углеродные нанотрубки;
- уголь и сажа;
- фуллерены;
- лонсдейлит.
Среди всех модификаций хорошо изучен графит, именно этот материал, вместе с тальком, обладает твердостью по шкале Мооса равной единице. На самом деле такая разница в твердости объясняется кристаллическим строением решетки атомов.
Атомы углерода в алмазе выстроены в форме тетраэдров — это фигуры с четырьмя гранями, которые по углам содержат атомы углерода, связанные между собой ковалентными сигма-связями. Сигма-связи в химии — самые прочные, а такой материал, как алмаз, полностью состоит из них. В графите, в свою очередь, плоские связи, также ковалентные сигма-структуры, а вот пространственные являются ковалентными пи-связями, которые менее прочны и неустойчивы к разрывам. Пи-связи подразумевают наличие свободных электронов, поэтому графит обладает незначительной электропроводностью.
Средними по твердости являются фуллерены, поскольку их решетка по углам содержит не атомы, а молекулы углерода. Связи между атомами в молекуле очень прочные, а вот ковалентные связи между молекулами можно разорвать. Именно сложностью построения связей объясняется сложность в работе по созданию искусственного алмаза. Разрушить между собой связи можно, а вот выстроить их и получить твердый минерал из графита — чрезвычайно сложно. Для этого нужны специальные условия по давлению и температуре.
Прочность алмаза, или твердость, можно проверить только с помощью постепенного давления. Если давление на материал повысится резко, то это будет считаться механическим воздействием, проще говоря, ударом. А постепенное повышение показателя выявит либо пластичность, либо твердость вещества.
Ученые придумали материал, который на 58% тверже этого минерала, его они назвали лонсдейлитом. Причем состав материала идентичен — атомы углерода. Вещество выдерживает давление на 55 ГПа больше, чем алмаз, но получить такую кристаллическую структуру и синтезировать лонсдейлит — очень сложная и материально затратная работа. Поэтому применение лонсдейлита ограничено.
Применение камня
Используется показатель твердости алмаза и в промышленности. Не все камни, которые обнаруживают в трубках на месторождениях, пригодны для ювелирной обработки. Большинство материала имеет слишком много дефектов. Такие минералы отправляются на потребности промышленности, где алмаз используется в качестве абразива. Аппаратура, которая имеет покрытие алмазной крошкой, работает дольше и качественнее. Алмаз используется в таких приборах и инструментах, как:
- оборудование в медицине (скальпели, хирургические инструменты);
- сверла, фрезы, шлифовальные круги, стеклорезы, ножницы и пилы по металлу, буровые установки;
- в телекоммуникациях и электронике алмаз используют для прохождения сигналов разных частот по одному кабелю;
- защитный элемент в химической и физической промышленности;
- космическая отрасль, где используются даже лонсдейлиты, которые прочнее алмаза.
Алмаз — вещество, которое имеет уникальные свойства. В том числе и твердость минерала дает возможность использовать его в разных сферах. Применение камня актуально, и его стоимость продолжает расти. А искусственные вещества, которые крепче алмаза, пока недоступны для широкого использования.
Источник: dedpodaril.com
Физические и химические свойства алмазов
Алмаз — самый твердый минерал на планете
(10 по шкале Мосса), обладающий, к тому же,
очень низким коэффициентом трения. Этим физическим свойством алмаза можно воспользоваться при его идентификации.
Ни один другой камень или металл не сможет повредить его поверхность, а вот сам минерал алмаз, наоборот,
очень легко оставляет царапины и другие дефекты на поверхности менее твердых камней.
Твердость алмаза — самая высокая среди всех существующих на сегодняшний день минералов.
Ему присвоена высшая степень твердости по шкале Мооса — 10. Это значит,
что с помощью алмаза можно обрабатывать такие высокотвердые минералы как гранат (твердость 7), берилл (твердость 8), сапфир (твердость 9) и даже сам алмаз.
Обработку алмаза (распиловку, шлифовку, обточку и полировку) производят как раз с помощью алмазных инструментов (алмазных пил и алмазного порошка).
Высокая твердость алмаза лежит в основе метода идентификации алмаза как драгоценного камня, ведь его невозможно поцарапать ни сапфиром, ни рубином,
а если такое произошло, значит, царапали не алмаз.
Известное выражение «Вечные бриллианты» — это не просто слова. Физические и химические свойства алмаза таковы,
что у него чрезвычайно низкая износостойкость: он не истирается,не уменьшается в размерах, не «стареет и не портится».
Хотя надо различать понятия «истирание» и «хрупкость». Если ударить алмаз о твердую поверхность,
то скорее всего он расколется или обзаведется несколькими трещинами.
Химические свойства алмаза. Плавится алмаз (неограненный или ограненный) при температуре 3700-4000 °C,
полностью сгорает (превращается в углекислый газ) на воздухе уже при температуре 1000°С. Без доступа воздуха алмаз превращается в графит при 2000°С.
Источник: svoylombard.ru