Примерно 97 % алмазов, которые используются в промышленности — синтетические . Давайте разберём как их получают! Технологией производства синтетических алмазов владеют всего около десятка компаний во всем мире.
История
Желание синтезировать алмаз появилось у людей в конце XVIII века сразу, когда стало ясно, что от графита он отличается лишь кристаллической решёткой. С конца XIX века ученые предпринимали попытки превратить дешевые и доступные формы углерода (уголь или графит) в алмаз. Однако на практике, разрушить структуру алмаза оказалось легче, чем сформировать. Многие учёные сообщали миру о достигнутом успехе, однако реальных свидетельств не было. Первый искусственный алмаз, предъявленный миру, был получен в 1954 году в лаборатории компании General Electric.
Компания GE вдохновилась естественными процессами образования алмазов. По догадкам учёных, натуральные алмазы образуются при температуре 1300°С и давлении 50 000 атм. на глубине около двухсот километров под поверхностью Земли в толще мантии планеты. на глубине сотен. Лампроиты, кимберлиты и другие магматические породы выносят кристаллы на поверхность Земли.
Горение алмазов и графита / Burning of diamonds and graphites
Технология, имитирующая такие условия, называется HPHT (High Pressure High Temperature — высокое давление, высокая температура). Именно она была взята за основу при получении недорогих технических алмазов и алмазного порошка.
Как выращивают алмазы сегодня
На сегодняшний день существует множество технологий по производству алмазов, однако промышленность использует для этих целей преимущественно одну из двух технологий — это вышеупомянутая технология HPHT и технология CVD .
HPHT
Выращивание алмазов производится при высокой температуре (около 1500 °C, с нужным градиентом) и высоком давлении (50−70 тыс. атм.). В данном методе используются затравочные кристаллы алмаза (до 0,5 миллиметров в диаметре), которые кладут на пласт из графита.
Сначала располагается основа с затравкой, потом идет сплав металла (железо, никель, кобальт и др.), который является катализатором, затем прессованный графит. Гидравлический пресс обжимает специальный контейнер со всеми вышеперечисленными компонентами. Сквозь камеру протекает электрический ток, разогревающий расплав до нужной температуры.
Под воздействием температур и давления ковалентные пи-связи графита преобразуются в сигма-связи алмаза. Металл в процессе плавится, и графит оседает на затравку. На подложке может находится одна или несколько затравок, поэтому синтез продолжается от 4 до 13 дней, все зависит от требуемых размеров камня. — небольших кристаллов алмаза.
Иллюстрация с сайта https://habr.com/ru/company/dronk/blog/393875/
CVD
Синтез CVD-алмазов (Chemical Vapor Deposition, осаждение из газовой фазы). Второе название процедуры — пленочный синтез. Технология более старая и проверенная, чем HPHT-производство. С помощью этой технологии производятся промышленные алмазы, например для лезвий в микрохирургии. Алмазная затравка помещается на подложку в специальной камере.
ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРЕСС ПРЕВРАЩАЕТ ГРАФИТ В АЛМАЗ
С помощью СВЧ-излучения углеводородный газ разогревается до высоких температур (~3000°С ), образуется ионизированный газ. Углерод, который был в газе, оседает на подложку, нагретую до температуры 600−700°С. Синтетический алмаз, созданный по этой технологии, получается более чистым, без примесей азота, однако он имеет ограниченное применение в электронике и оптике. Скорость роста — от 0,1 до 100 мкм/ч. Толщина пластин обычно ограничена 2−3 мм, поэтому вырезанные из нее алмазы можно использовать в качестве ювелирных, но их размер, как правило, не превышает 1 карата.
Иллюстрация с сайта https://habr.com/ru/company/dronk/blog/393875/
Детонационный метод синтеза
Методы взрывного синтеза алмазов основаны на кратковременном воздействии высоких давлений и температур на углеродсодержащий материал (графит, уголь, кокс) и с быстрым последующим охлаждением образовавшейся алмаза, чтобы он не перешёл в более стабильную форму — графит. Для этого используются взрывчатые вещества. Таким способом получают алмазные нанокристаллы диаметром 5 нм.
Бриллиант — это ограненный алмаз
Чем различаются природные и синтетические алмазы?
Одно из существенных отличий природных алмазов — дефекты кристаллической решетки, которые придают камням окраску. Например, желтый — последствие вкраплений атомов азота, коричневый и розовый оттенок камня — последствия искривления кристаллической решетки. При этом, управляя процессом создания, в искусственных алмазах можно добиться кристаллической решетки, близкой к идеальной, а чистота содержания углерода в них может доходить до 99,999%.
Чем отличается алмаз от графита можно узнать в этой статье .
Уважаемый читатель, очень рад что ты дочитал статью, Спасибо! Надеюсь тебе понравилось. Оценивай статью и пиши комментарии 🙂
Источник: dzen.ru
1. Углерод. Аллотропия углерода
Углерод — химический элемент № (6). Он расположен в IVА группе втором периоде Периодической системы.
C 6 + 6 ) 2 e ) 4e
На внешнем слое атома углерода содержатся четыре валентных электрона, и до его завершения не хватает четырёх электронов. Поэтому в соединениях с металлами углероду характерна степень окисления (–4), а при взаимодействии с более электроотрицательными неметаллами он проявляет положительные степени окисления: ( +2) или (+4).
В природе углерод встречается как в виде простых веществ, так и в виде соединений. В воздухе содержится углекислый газ . В земной коре распространены карбонаты (например, Ca CO 3 образует мел, мрамор, известняк). Горючие ископаемые (уголь, торф, нефть, природный газ) состоят из органических соединений , главным элементом которых является углерод.
Углерод относится к жизненно важным элементам, так как входит в состав молекул всех органических веществ.
Простые вещества
Существует несколько аллотропных видоизменений, образованных атомами углерода. Наиболее распространены алмаз и графит .
Алмаз имеет атомную кристаллическую решётку. Каждый атом углерода в алмазе связан четырьмя прочными ковалентными связями с соседними атомами, расположенными в вершинах тетраэдра.
Рис. (1). Кристаллическая решётка алмаза
Благодаря такому строению алмаз — самое твёрдое из известных природных веществ. Все четыре валентных электрона каждого атома углерода участвуют в образовании связей, поэтому алмаз не проводит электрический ток. Это бесцветное прозрачное кристаллическое вещество, хорошо преломляющее свет.
Рис. (2). Алмаз
Графит тоже имеет атомную кристаллическую решётку, но устроена она иначе. Решётка графита слоистая. Каждый атом углерода соединён прочными ковалентными связями с тремя соседними атомами. Образуются плоские слои из шестиугольников, которые между собой связаны слабо. Один валентный электрон у атома углерода остаётся свободным.
Рис. (3). Кристаллическая решётка графита
Графит представляет собой тёмно-серое вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь. В отличие от алмаза графит непрозрачный, проводит электрический ток и оставляет серый след на бумаге. У графита очень высокая температура плавления ((3700) °С).
Рис. (4). Графит
Алмаз и графит взаимопревращаемы. При сильном нагревании без доступа воздуха алмаз чернеет и превращается в графит. Графит можно превратить в алмаз при высокой температуре и большом давлении.
Из мельчайших частиц графита состоят сажа , древесный уголь и кокс . Сажа образуется при неполном сгорании топлива. Древесный уголь получают при нагревании древесины без доступа воздуха, а кокс — переработкой каменного угля.
Древесный уголь имеет пористое строение и обладает способностью поглощать газы и растворённые вещества. Такое свойство называется адсорбцией .
Рис. (5). Уголь
Химические свойства
Аллотропные модификации углерода в химических реакциях могут проявлять и окислительные , и восстановительные свойства. Окислительные свойства углерода выражены слабее, чем у других неметаллов второго периода (азота, кислорода и фтора).
- Взаимодействие с металлами.
Углерод реагирует с металлами при высокой температуре с образованием карбидов :
4 Al 0 + 3 C 0 = t Al + 3 4 C − 4 3 .
В этой реакции углерод выступает как окислитель .
- Взаимодействие с водородом.
Реакция происходит при сильном нагревании. Образуется метан . Углерод — окислитель .
C 0 + 2 H 0 2 = t C − 4 H + 1 4 .
- Взаимодействие с кислородом.
Углерод горит в кислороде с образованием углекислого газа и проявляет в этой реакции восстановительные свойства:
C 0 + O 0 2 = t C + 4 O − 2 2 .
- Взаимодействие с оксидами металлов.
Углерод способен восстанавливать металлы из их оксидов:
2 Cu + 2 O + C 0 = t 2 Cu 0 + C + 4 O 2 .
Применение простых веществ
Алмаз применяется:
- для обработки твёрдых поверхностей;
- для резки стекла;
- для изготовления буров и свёрл;
- для изготовления ювелирных украшений.
Графит используется:
- при изготовлении карандашей;
- как твёрдая смазка в подшипниках;
- для изготовления электродов;
- в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах;
- для получения искусственных алмазов.
Сажа :
- входит в состав типографской краски, крема для обуви;
- используется как наполнитель для производства резины.
Уголь используется:
- в противогазах, промышленных и бытовых фильтрах;
- для очистки сахарного сиропа, спирта и т. д.;
- в медицине.
Источник: www.yaklass.ru
Что общего между алмазом и графитом?
Что общего между алмазом и графитом? С первого взгляда, кажется, ничего. Алмаз прозрачный, графит темный.
Твердость графита за шкалой Мооса — 2, у алмаза — 10 [самая большая из всех минералов], и поэтому алмаз тверже всего земного, но достаточно провести по графиту пальцем и на пальце останется темный след.
Алмаз является самым замечательным изолятором электрического тока, который не пробивает даже молния, а графит хорошо проводит электрический ток, и применяется при изготовлении электродов.
Алмаз плотен и очень тяжел, графит в полтора раза легче.
Кажется, алмаз и графит ничем не похожи друг на друга,
и в то же время они — родные братья.
Несмотря на то, что графит и алмаз полярны по своим свойствам, они имеют одинаковый химический состав, состоящий из химического элемента — углерода. Отличает эти материалы лишь различная кристаллическая структура.
Атомы графита расположены в виде решеточек, и каждая такая решеточка слабо связана с другой. У алмаза же атомное строение совсем иное, – атомы располагаются близко друг к другу и прочно связаны один с другим, – это делает алмаз очень и очень твердым.
Именно это изменение происходит в графите при температуре 3000 градусов Цельсия и давлении 12 ГПа, превращая его в алмаз. Под давлением графит приобретает «характер».
Подобно давлению жизненных обстоятельств, давление способно произвести многочисленные изменения в структуре и свойствах окружающих нас веществ. Благодаря высокому давлению, азот, из которого на три четверти состоит воздух, становился твердым; желтый фосфор окрашивается в черный цвет; жидкость может просочиться сквозь сталь, а стекло может раствориться в обыкновенной воде.
«С великою радостью принимайте, братия мои, когда подвергаетесь различным испытаниям, зная, что испытание вашей веры производит в вас терпение; терпение же должно иметь совершенствующее действие, чтобы вы были совершенны во всей полноте, без всякого недостатка»
– Библия, Новый Завет, п. Иакова 1:2-4
Привалов И.С. — богослов, публицист; администратор сайта Uucyc.ru [с 2000 г.]; руководитель Детских Олимпийских Игр, г. Киев [2003-2011]; лидер молодёжного и подросткового движений [2005-2012]; основатель движения «Жизнь в Истине».
Источник: uucyc.ru