К какому типу относится кристаллическая решетка алмаза физические свойства

Химический элемент углерод (C) — один из самых важных в природе. Он входит в основные строительные соединения человеческой ДНК, имеет множество соединений с другими элементами. Получаемые в результате вещества используются во многих сферах жизни. Под давлением элемент имеет свойство перестраивать свою внутреннюю структуру, превращаясь сначала в графит, а при усилении воздействия образуется кристаллическая решётка алмаза.

Строение кристалла и способ образования

В химико-физическом смысле — это аллотропная разновидность химического элемента углерода. Имеет так называемую эталонную твёрдость в шкале Мооса — она равняется десяти и делает его самым прочным материалом на Земле. В естественных условиях на поверхности практически вечен, если находится долгое время в разреженной газовой среде, то возможно его превращение в графит.

Алмаз имеет кристаллическую решётку в форме куба. Являясь самым компактным видом взаимного расположения атомов вещества, именно она является причиной всех его свойств, относящихся к прочности.

Другие характеристики алмаза:

• Хоть и твёрдый, но очень хрупок. Для того чтобы легко разрушить кристалл, достаточно одного резкого удара.
• Имеет сравнительно высокую температуру плавления — около тысячи градусов Цельсия. Под давлением в десять гигапаскалей может выдерживать и втрое большие термические нагрузки.
• Природный цвет — бледно-жёлтый. Если в составе присутствуют добавления железа или других естественных металлов, может иметь оранжевые, красные или даже зелёные оттенки.

Кубический тип кристаллической решётки алмаза состоит из 18 атомов углерода. Они сгруппированы по четыре, формируя правильные пирамиды с четырьмя вершинами — тетраэдры. Связаны между собой все эти структуры самым прочным видом связи между различными химическими соединениями — ковалентным. Это происходит из-за того, что сам кристалл в основном состоит из одноатомного вещества.

Способы применения вещества

Всевозможные пути использования алмаза обусловлены его прочностью и способностью преломлять свет. Его способностью хорошо поддаваться огранке уже давно используется в изготовлении красивейших ювелирных изделий. Основные отрасли производства, в которых используются эти кристаллы:

• Квантовые компьютеры. Используются при построении вычислительных единиц, кубитов, которые одновременно являются и оперативной памятью, и процессором таких устройств. Для использования в качестве кубита алмаз должен быть «дефектным» — содержать в своей толще атом другого вещества. Тогда хранить информацию на таком кристалле можно с использованием электронов чужеродного вещества. С помощью их спинов можно не только записывать, но и обрабатывать блоки данных. В качестве таких атомов используются, как правило, азот или кремний.
• Ядерная энергетика — отработанные в качестве замедлителей и облучённые радиоактивными изотопами графитовые стержни устаревших реакторов можно использовать в качестве вторичного топлива для более новых. Для этого стержни нагреваются, часть радиоактивных изотопов углерода высвобождается в газообразной форме и улавливается специальными датчиками. После этого такой газ прессуется в искусственные алмазы. Имея в радиоактивном состоянии некоторое значение электропроводимости, такие кристаллы впитывают ими же выпущенные гамма-лучи, являясь довольно эффективной формой топлива.
• Промышленность — кристаллы алмазов используются для изготовления режущих инструментов, причём как при заточке новых средств обработки, так и при модернизации старых путём напыления на их кромку тонкой плёнки из алмазной пыли.

Самым распространённым является, конечно, применение огранённых алмазов — бриллиантов — в ювелирном деле. В зависимости от того, какой тип кристаллической решётки у алмаза, а так же от его размера и естественной формы получаются разные вариации огранки этого вещества. Тип изделия тоже накладывает свои ограничения на форму камня — например, круглая огранка применяется в кулонах, перстнях или ожерельях, тогда как фантазийная может использоваться для украшения подвесок или сережек.

При огранке исходный кусок теряет больше половины своей массы. Масса бриллиантов измеряется в каратах, равных одной пятой грамма или 200 миллиграммам. Типичный камень, поддающийся огранке, например, в Индии, очень мелкий, массой до трети карата.

Другие лидеры в сфере производства бриллиантов — Израиль, Соединённые Штаты, Россия, Украина — занимаются огранкой камней среднего и крупного размера. Всё зависит от оплаты труда специалистов этой области в конкретной стране.

Получение искусственных алмазов

В природе алмазные кристаллы получаются в результате действия на протяжении очень большого времени геологических процессов. Для того чтобы появился естественный кристалл, должно пройти несколько тысяч или даже миллионов лет. Вещество, которое превращается в него, должно быть на протяжении всего чудовищно длительного периода под чрезвычайно высоким давлением. Поэтому советскими учёными в конце 30-х годов XX века были сначала сформулированы оптимальные физические условия для получения искусственных алмазов.

Только почти через 15 лет, после большого количества неудачных попыток, в Швеции были синтезированы первые камни. К концу девяностых годов прошлого века был разработан и опробован ещё один метод — взрывной. Для этого использовалась углеродсодержащая взрывчатка. На месте её подрыва всегда можно было обнаружить некоторое количество алмазной пыли.

Создавать искусственные алмазы можно и с помощью ультразвука. Это очень дорогой и трудозатратный метод, который пока не применяется в широких производственных целях.

Основной метод создания камней — подвергание графитовых стержней одновременному воздействию высоких температуры и давления. Примерные характеристики установок:

• Максимальная температура нагрева — 1500 градусов Цельсия.
• Предельно возможное давление — 5 гигапаскалей.

Под прессом и воздействием нагрева кристаллическая решётка графита постепенно преобразуется из гексагональной (десятиугольной) в кубическую постепенным передвиганием атомов углерода внутрь вещества.

Несмотря на то что процесс очень энергозатратный, а установки, позволяющие проводить его, очень сложны в конструкции, около 95% всех алмазов, используемых в промышленных целях на производстве — искусственные.

Алмаз — самый твёрдый минерал, кубическая полиморфная (аллотропная) модификация углерода(C), устойчивая при высоком давлении. При атмосферном давлении и комнатной температуре метастабилен, но может существовать неограниченно долго, не превращаясь в стабильный в этих условиях графит. В вакууме или в инертном газе при повышенных температурах постепенно переходит в графит.

СТРУКТУРА

Сингония алмаза кубическая, пространственная группа Fd3m. Элементарная ячейка кристаллической решетки алмаза представляет собой гранецентрированный куб, в котором в четырех секторах расположенных в шахматном порядке, находятся атомы углерода. Иначе алмазную структуру можно представить как две кубических гранецентрированных решетки, смещенных друг относительно друга по главной диагонали куба на четверть её длины. Структура аналогичная алмазной установлена у кремния, низкотемпературной модификации олова и некоторых других простых веществ.

Кристаллы алмаза всегда содержат различные дефекты кристаллической структуры (точечные, линейные дефекты, включения, границы субзерен и тп.). Такие дефекты в значительной степени определяют физические свойства кристаллов.

СВОЙСТВА

Алмаз может быть бесцветными водянопрозрачным или окрашенным в различные оттенки желтого, коричневого, красного, голубого, зеленого, черного, серого цветов.
Распределение окраски часто неравномерное, пятнистое или зональное. Под действием рентгеновских, катодных и ультрафиолетовых лучей большинство алмазов начинает светиться (люминесцировать) голубым, зелёным, розовым и др. цветами. Характеризуется исключительно высоким светопреломлением. Показатель преломления (от 2,417 до 2,421) и сильная дисперсия (0,0574 ) обуславливают яркий блеск и разноцветную «игру» огранённых ювелирных алмазов, называемых бриллиантами. Блеск сильный, от алмазного до жирного.Плотность 3,5 г/см3. По шкале Мооса относительная твердость алмаза равна 10, а абсолютная — в 1000 раз превышает твёрдость кварца и в 150 раз — корунда. Она самая высокая как среди всех природных, так и искусственных материалов. Вместе с тем довольно хрупок, легко раскалывается. Излом раковистый. С кислотами и щелочами в отсутствие окислителей не взаимодействует.
На воздухе алмаз сгорает при 850° С с образованием СО2; в вакууме при температуре свыше 1.500° С переходит в графит.

МОРФОЛОГИЯ

Морфология алмаза очень разнообразна. Он встречается как в виде монокристаллов, так и в виде поликристаллических срастаний («борт», «баллас», «карбонадо»). Алмазы из кимберлитовых месторождений имеют только одну распространенную плоскогранную форму — октаэдр. При этом во всех месторождениях распространены алмазы с характерными кривогранными формами — ромбододекаэдроиды (кристаллы похожие на ромбододекаэдр, но с округлыми гранями), и кубоиды (кристаллы с криволинейной формой ). Как показали экспериментальные исследования и изучение природных образцов в большинстве случаев кристаллы в форме додекаэдроида возникают в результате растворения алмазов кимберлитовым расплавом. Кубоиды образуются в результате специфического волокнистого роста алмазов по нормальному механизму роста.

Синтетические кристаллы, выращенные при высоких давлениях и температурах, часто имеют грани куба и это является одни их характерных отличий от природных кристаллов. При выращивании в метастабильных условиях алмаз легко кристаллизуется в виде пленок и шестоватых агрегатов.

Размеры кристаллов варьируют от микроскопических до очень крупных, масса самого крупного алмаза «Куллинан», найденного в 1905г. в Южной Африке 3106 карат (0,621кг).
На изучение огромного алмаза было потрачено несколько месяцев и в 1908 году он был расколот на 9 крупных частей.
Алмазы массой более 15 карат — редкость, а массой от сотни карат — уникальны и считаются раритетами. Такие камни очень редки и часто получают собственные имена, мировую известность и своё особое место в истории.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Хотя при нормальных условиях алмаз метастабилен, он в силу устойчивости своей кристаллической структуры может существовать неопределенно долго, не превращаясь в устойчивую модификацию углерода — графит. Алмазы, которые вынесены на поверхность кимберилитами или лампроитами кристаллизуется в мантии на глубине 200 км. и более при давлении более 4 Гпа и температуре 1000 — 1300° С. В некоторых меторождениях встречаются и более глубинные алмазы, вынесенные из переходной зоны или из нижней мантии. Наряду с этим, они выносятся к поверхности Земли в результате взрывных процессов, сопровождающих формирование кимберлитовых трубок, 15-20% которых содержит алмаз.

Алмазы встречаются также в метаморфических комплексах сверхвысоких давлений. Они ассоциируют с эклогитами и глубокометаморфизованными гранатовыми гнейсами. Мелкие алмазы в значительных количествах обнаружены в метеоритах. Они имеют очень древнее, досолнечное происхождение. Также они образуются в крупных астроблемах — гигантских метеоритных кратерах, где переплавленные породы содержат значительные количества мелкокристаллического алмаза. Известным месторождением такого типа является Попигайская астроблема на севере Сибири.

Алмазы редкий, но вместе с тем довольно широко распространённый минерал. Промышленные месторождения алмазов известны всех континентах, кроме Антарктиды. Известно несколько видов месторождений алмазов. Уже несколько тысяч лет алмазы добывались из россыпных месторождений. Только к концу XIX века, когда впервые были открыты алмазоносные кимберлитовая трубка, стало ясно, что алмазы не образуются в речных отложениях. Кроме этого алмазы были найдены в коровых породах в ассоциациях метаморфизма сверхвысоких давлений, например в Кокчетавском массиве в Казахстане.

И импактные, и метаморфические алмазы иногда образуют весьма масштабные месторождения, с большими запасами и высокой концентрацией. Но в этих типах месторождений алмазы настолько мелкие, что не имеют промышленной ценности. Промышленные месторождения алмазов связаны с кимберлитовыми и лампроитовыми трубками, приуроченными к древним кратонам. Основные месторождения этого типа известны в Африке, России, Австралии и Канаде.

ПРИМЕНЕНИЕ

Хорошие кристаллы подвергаются огранке и используются в ювелирном деле. Ювелирными считаются около 15% добываемых алмазов, еще 45% считаются околоювелирными, то есть уступают ювелирным по размеру, цвету или чистоте. В настоящее время общемировой объем добычи алмазов составляет порядка 130 миллионов карат в год.
Бриллиант (от франц. brillant — блестящий), — алмаз, которому посредством механической обработки (огранки) придана специальная форма, бриллиантовая огранка, максимально раскрывающая такие оптические свойства камня, как блеск и цветовая дисперсия.
Совсем мелкие алмазы и осколки, непригодные для огранки, идут в качестве абразива для изготовления алмазного инструмента, необходимого для обработки твёрдых материалов и огранки самих алмазов. Скрытокристаллическая разновидность алмаза чёрного или тёмно-серого цвета, образующая плотные или пористые агрегаты, носит название Карбонадо, обладает более высоким сопротивлением истиранию, чем у кристаллов алмаза и благодаря этому особенно ценится в промышленности.

Мелкие кристаллы также в больших количествах выращиваются искусственным путём. Синтетические алмазы получают из различных углеродсодержащих веществ, главным образом из графита, в спец. аппаратах при 1200-1600°С и давлениях 4,5-8,0 ГПа в присутствии Fe, Co, Сr, Мn или их сплавов. Они пригодны для использования только в технических целях.

Алмаз (англ. Diamond) — C

КЛАССИФИКАЦИЯ

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА