Химическая формула алмаза, основные свойства

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.

https://youtube.com/watch?v=N4MlI_xeUis

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.

Свойства и основные характеристики

Каждый природный минерал образуется в определенных условиях и с конкретным составом характеристик. Далее подробно рассмотрим физические свойства алмаза, структуру и окраску для основной информации.

Физико-механические свойства

Минерал представляет собой аллотропный вид углерода, при природных условиях может существовать очень долго, но при повышении температуры структура меняется в графит. Карат – единица измерения алмаза. Отличительной чертой алмаза от других натуральных камней является его характерная твердость, по шкале Мооса имеет показатель 10 баллов. Особенность твердого алмаза – хрупкость минерала. К физическим свойствам относится диэлектрик, то есть самоцвет не проводит электрический ток. Расплавиться алмаз может только в случае температуры свыше 3700 градусов и при давлении 11 гигапаскалей. Если направить на алмаз струю кислорода, то минерал горит голубым пламенем при температуре свыше 700 градусов, и впоследствии превращаясь в углекислый газ. Плотность алмаза равна 3510 кг/м³.

Структура

Алмаз относится к виду кристаллографии – строение сингонии типа кубической формы. Внутренний образ структуры минерала представлен геометрической формой – сетки или решетки в количестве двух штук. Относится к группе пространственных кристаллических форм и имеет формулу Fd3m. В решетке, внутри кубической плоскости атомы располагаются вверху и в центре. Такая же структура существует у других минералов, например, кремний, преобразованное олово и прочие. Благодаря дефектам, алмаз принимает различные цветовые окраски.

Окраска

В мире, помимо традиционных прозрачных камней, существует 1% минералов с розовым, желтым, красным, черным, фиолетовым и голубым оттенком. Это очень редкие алмазы, их стоимость за 1 карат может превышать 1 миллион долларов:

• алмазы с преобладанием желтых или коричневых оттенков образуются за счет включения в состав железа;
• зеленая палитра минерала зависит от облучения;
• мутную или дымчатую структуру можно увидеть, если компонент алмаза составит примесь бора;
• черные тона кристалла получаются за счет включения в состав алмаза углеродных примесей;
• розовую или лиловую палитру получают за счет деформации структуры камня.

За счет признака высокого преломления алмаз получает свой невероятный блеск и сверкание.

При добыче алмаз непрезентабельного вида, редко можно увидеть тот самый яркий блеск, но с современными технологиям огранки в реалии человек получает бриллиант.

Применение алмаза и графита

Оба минерала широко используются в промышленности.

Алмазы применяют:

• в электротехнике;
• приборостроении;
• радиоэлектронике;
• на буровых установках
• в ювелирном деле.

Графит используется при:

• производстве тиглей и иного огнеупорного оборудования;
• изготовлении смазочных материалов;
• изготовлении карандашей;
• производстве оборудования для электроугольной промышленности.

Несмотря на разнообразие применения как графита, так и алмаза в различных отраслях промышленности, можно смело говорить о большей пользе графита. Алмаз по причине идеальности своей кристаллической решетки инертен. Его можно использовать только как алмаз. Большая часть добываемых в природе алмазов уходит на нужды ювелирной промышленности, поскольку минерал является одним из самых дорогих драгоценных камней, становясь бриллиантом, он стимулирует оборот денег, и это его основное свойство в экономике.

https://youtube.com/watch?v=N4MlI_xeUis

Графит, изъятый из природы, становится не самодостаточной ценностью, а великим тружеником производства. Благодаря своим свойствам он используется и в своем истинном, природном виде, то есть как графит, и в качестве средства, на основе которого могут быть получены новые вещества, например, тот же алмаз.

Киноиндустрия

Наверное, каждый смотрел фильм «Титаник». Кто смотрел этот шедевр киноиндустрии, прекрасно помнит знаменитый кулон Розы в виде сердца. В середине кулона имеется алмаз синего цвета, имеющий чуть меньше 14 карат. Он был продан на аукционе за неимоверную сумму.

Благодаря популярной песни, которую исполнила Мэрилин Монро в фильме «Джентльмены предпочитают блондинок», появилось выражение «Лучшие друзья девушек – это бриллианты». Камень, который украшал шею Мэрилин, в 1990 году был продан на аукционе почти за 300 тыс. долларов.

Как понятно, алмазы были и остаются самыми популярными и драгоценными камнями. За их обладание начинались битвы, о них ходят легенды и сказания. Адамант (старое название алмаза) способен принести своему обладателю как счастье, так и беду. Поэтому к выбору любого украшения, особенно старинного, стоит подходить с ответственностью, и лучше заранее узнать историю камня. При этом не имеет значения, синий алмаз это или какой-нибудь другой.

Судьба углерода в графите и алмазе

Углерод относится к самым массовым элементам биосферы и всей планеты Земля. Он в тех или иных состояниях присутствует в атмосфере (углекислый газ), в воде (растворенный углекислый газ и иные соединения) и в литосфере. Здесь, в тверди земной, он входит в состав больших залежей угля, нефти, природного газа, торфа и т.п. Но в чистом виде он представлен залежами алмаза и графита.

Больше всего углерода сконцентрировано в живых организмах. Любые организмы строят свое тело из углерода, концентрация которого в живых телах превышает содержание углерода в неживой материи. Мертвые организмы оседают на поверхности литосферы или океана. Там они разлагаются в разных условиях, образуя месторождения, богатые углеродом.

Происхождение чистых залежей алмазов и графита вызывает много споров. Есть мнение, что это бывшие организмы, попавшие в особые условия и минерализовавшиеся наподобие угля. Считается также, что алмазы имеют магматическое происхождение, а графит – метаморфическое. Это означает, что в концентрации алмазов на планете участвуют сложные процессы в недрах земли, где самопроизвольно в присутствии кислорода возникает взрыв и горение. В результате взаимодействия молекул метана и кислорода и возникают кристаллы алмаза. При этих же процессах, но в определенных условиях возможно появление и графита.

Примечания

1. The Merk Index
2. Физические свойства алмаза. — Киев: Наукова думка, 1987. — (Справочник).
3. Бриллиант, алмаз // Большая советская энциклопедия : в 66 т. (65 т. и 1 доп.) / гл. ред. О. Ю. Шмидт. — М. : Советская энциклопедия, 1926—1947.
4. Алмаз // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
5. Алмаз // Толковый словарь живого великорусского языка : в 4 т. / авт.-сост. В. И. Даль. — 2-е изд. — СПб. : Типография М. О. Вольфа, 1880—1882.
6.  (недоступная ссылка)
7. ↑
8. Дронова Нона Дмитриевна. Изменение окраски алмазов при их обработке в бриллианты (системный подход и экспериментальные исследования). — Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата геолого-минералогических наук. Специальность 04.00.20 — минералогия, кристаллография. Москва, 1991.
9. Алмаз // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
10. Ольга Вандышева. Падение бриллиантов // Эксперт, № 4 (972), 25-31 января 2016
11. была вручена другим геологам. Только в 1970 году Попугаева была награждена почётным дипломом и знаком «Первооткрыватель месторождения»
12. Лейпунский О. И. Об искусственных алмазах // Успехи химии. — 1939. — Вып. 8. — С. 1519—1534.
13. Алмаз Украины. — Киев: Азимут-Украина, 2011. — 448 с.
14. Alder B.J.,Christian R.H. Behavior of strongly shocked carbon. //Phys. Rev. Lett., 1961, 7, 367
15. В. Н. Бакуль, В. Д. Андреев. Алмазы марки АВ, синтезируемые взрывом. //Синтетические алмазы, 1975, вып. 5 (41), с. 3-4
16. В. Д. Андреев. О механизме образования алмаза при ударном нагружении. //Синтетические алмазы, 1976, вып. 5 (47), с. 12-20
17. В. А. Лукаш и др. Методы синтеза сверхтвёрдых материалов с помощью взрыва. //Синтетические алмазы,1976, вып. 5 (47), с. 21-26
18. К. В. Волков, В. В. Даниленко, В. И. Елин //Физика горения и взрыва,1990, вып. 26, т. 3, с. 123—125
19. Дерягин Б. В., Федосеев Д. В. «Рост алмаза и графита из газовой фазы». М.: Наука, 1977.

Примечания

1. The Merk Index
2. Физические свойства алмаза. — Киев: Наукова думка, 1987. — (Справочник).
3. Бриллиант, алмаз // Большая советская энциклопедия : в 66 т. (65 т. и 1 доп.) / гл. ред. О. Ю. Шмидт. — М. : Советская энциклопедия, 1926—1947.
4. Алмаз // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
5. Алмаз // Толковый словарь живого великорусского языка : в 4 т. / авт.-сост. В. И. Даль. — 2-е изд. — СПб. : Типография М. О. Вольфа, 1880—1882.
6.  (недоступная ссылка)
7. ↑
8. Дронова Нона Дмитриевна. Изменение окраски алмазов при их обработке в бриллианты (системный подход и экспериментальные исследования). — Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата геолого-минералогических наук. Специальность 04.00.20 — минералогия, кристаллография. Москва, 1991.
9. Алмаз // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
10. Ольга Вандышева. Падение бриллиантов // Эксперт, № 4 (972), 25-31 января 2016
11. была вручена другим геологам. Только в 1970 году Попугаева была награждена почётным дипломом и знаком «Первооткрыватель месторождения»
12. Лейпунский О. И. Об искусственных алмазах // Успехи химии. — 1939. — Вып. 8. — С. 1519—1534.
13. Алмаз Украины. — Киев: Азимут-Украина, 2011. — 448 с.
14. Alder B.J.,Christian R.H. Behavior of strongly shocked carbon. //Phys. Rev. Lett., 1961, 7, 367
15. В. Н. Бакуль, В. Д. Андреев. Алмазы марки АВ, синтезируемые взрывом. //Синтетические алмазы, 1975, вып. 5 (41), с. 3-4
16. В. Д. Андреев. О механизме образования алмаза при ударном нагружении. //Синтетические алмазы, 1976, вып. 5 (47), с. 12-20
17. В. А. Лукаш и др. Методы синтеза сверхтвёрдых материалов с помощью взрыва. //Синтетические алмазы,1976, вып. 5 (47), с. 21-26
18. К. В. Волков, В. В. Даниленко, В. И. Елин //Физика горения и взрыва,1990, вып. 26, т. 3, с. 123—125
19. Дерягин Б. В., Федосеев Д. В. «Рост алмаза и графита из газовой фазы». М.: Наука, 1977.

Аллотропные модификации камня

Если химический состав алмаза — углерод в чистом виде, то стоит выяснить, что это за элемент, а также разобраться в его модификациях и физических формах. Согласно мнению ученых, это вещество изначально входило в газовое облако, из которого постепенно образовывались планеты. Так или иначе, в составе каждой из планет Солнечной системы присутствует углерод в каком-то агрегатном состоянии.

Если говорить о земной коре, то она на 0,14% состоит из этого неметаллического элемента. А также по одной из теорий происхождения человека считается, что углерод — один из четырех макроэлементов, являющихся «стройматериалом» тела.

Наиболее известные модификации одного углерода называют так:

• алмаз — наиболее дорогая форма;
• графит — известное вещество, которое используется в промышленности;
• карбин;
• лонсдейлит — содержится в метеоритах;
• фуллерены — наиболее молодые формы, которые были открыты;
• углеродные нанотрубки — применяются в каркасах к наноизделиям;
• графен;
• уголь — вещество, которое используется в качестве промышленного сырья для получения тепла;
• сажа.

Казалось бы, что общего может быть у кристально чистого алмаза с графитом или углем? А вот состав этих веществ говорит об обратном и наглядно демонстрирует важность расположения атомов в кристаллической решетке. Притом, что кроме углерода, в веществах ничего нет

Вполне реально, что кроме этих элементов, существуют другие не открытые формы. А их исследование во многом зависит от алмазов, поскольку во время работы с этим драгоценным камнем ученые пытаются расшифровать его структуру, чтоб производить искусственно, и, вместе с тем, находят новые модификации элемента.

Исходя из структуры алмаза, можно сделать вывод, что камень абсолютно прозрачен и пропускает весь видимый спектр через себя. Но ничего идеального в природе не существует. Поэтому даже у такого кристалла могут быть примеси в решетке.

Если рассматривать наиболее чистые экземпляры камня, то там содержится до 1018 атомов на 1 кубический сантиметр. И это нормальное явление, поскольку количество примесей зависит от процессов, в которых рос камень. И не факт, что посторонние вещества будут видны невооруженным глазом.

Среди примесей встречаются такие элементы, как:

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

Конечно, если их много, то от этого страдает чистота камня и, соответственно, падает стоимость. Или же такие алмазы направляют для использования в промышленность. При этом в алмазах встречаются не только твердые, но и жидкие и даже газообразные формы включений.

Они могут располагаться неравномерно, а также скапливаться в центре либо на периферии камня. Все они влияют на свойства камня, на его оттенок и способность преломлять свет. Например, азот влияет на люминисцентность алмаза.

По спектрам поглощения в ИК- и УФ-диапазонах выделяют три типа алмазов:

• Первый тип. В них азот содержится либо в виде пар атомов и плоских встроек, либо в виде одиночных атомов, которые равномерно распределены по объему камня.
• Второй тип. В них азот, как правило, отсутствует. В подтипе IIа нет примесей, а в подтипе IIб присутствуют атомы бора.
• Третий тип может включать в себя примеси кремния.

Искусственные алмазы

Научные опыты по созданию искусственных алмазов начались в 1797 году, но первый минерал, выращенный в лаборатории, и метод его получения был запатентован американской компанией General Electric лишь в 1956 году.

С тех пор технологии продвинулись настолько далеко, что сегодня многие искусственно выращенные камни совершенно неотличимы от природных без специального оборудования и большого опыта, а обычные способы распознания подделки работают далеко не всегда.

Однако, насыщение рынка такими камнями сдерживается законом спроса и предложения, так как падение цен на бриллианты невыгодно ни добытчикам натуральных ни производителям искусственных камней.

Известные аналоги природных алмазов

Стоит упомянуть наиболее распространенные камни, которые используются в украшениях вместо бриллиантов. Во-первых, это всем известные фианиты, впервые синтезированные в российском институте ФИАН. Во-вторых, это муассаниты, которые особенно сложно отличить от настоящего драгоценного камня, не имея нужных для этого знаний.

Кроме того, сравнительно недавно появились алмазы ASHA, поверхность которых покрыта слоем атомов углерода (из которого и состоит природный минерал), что фактически делает подобный камень композитным материалом и при этом дарит ему больше блеска и «огня» по сравнению с теми же фианитами.

Отдельно стоит упомянуть ВДВТ (высокое давление, высокая температура)алмазы. Этот метод был разработан в 1950-е годы и фактически полученные в результате обработки камни являются абсолютно натуральными.

Суть метода понять не сложно, если вспомнить об условиях формирования камня. В природе алмаз формируется под влиянием колоссального давления и температуры в течение определенного времени. Иногда такие камни попадают на поверхность раньше времени, представляя собой по сути «полуфабрикат».

И для того, чтобы превратить его в красивый сверкающий алмаз, который в последствии будет огранен и инкрустирован, камень повторно подвергают воздействию высокого давления и высокой температуры, аналогичных природным, но уже в лаборатории. Такой алмаз остается полностью натуральным, но как бы «доработанным» людьми.

Образование и месторождения алмаза

Трудно поверить, но алмаз и графит являются практически братьями-близнецами. И тот и другой представляют собой чистый углерод. Для того, чтобы графит кристаллизовался необходимы особые условия: давление 45 000–60 000 атмосфер и температура 900–1300 °С, которые обеспечиваются на глубине 80–150 км под землей. Вместе с вулканической магмой камни выбрасываются из земных недр, формируя при этом коренные месторождения — кимберлитовые трубки.

Ученым известны также минералы метеоритного происхождения, образующиеся при столкновении космического тела с поверхностью Земли. Температура в момент удара достигает 3000 °С, а давление до 100 ГПа, в этих условиях формируется алмазоносная импактная порода. «Неземные» камни были обнаружены в Большом Каньоне в США в осколках метеорита, упавшего около 30 тысяч лет назад. В Якутии тоже имеется свое подобное месторождение — Попигайская астроблема, образовавшаяся 35 млн. лет назад.

Разработка импактитов является нерентабельной из-за малого размера кристаллов, поэтому промышленная добыча ведется традиционными методами на «земных» месторождениях, которые встречаются практически на всех континентах, а наиболее крупные расположены в Южной Америке (Бразилия), России (Якутия), Африке (Ботсвана, Ангола).

На данный момент признанным монополистом на рынке является американская компания De Beers, контролирующая 75% мировой добычи и оборота алмазов. Во всем мире высоко ценятся и пользуются большим спросом камни российского производства. Основной алмазодобытчик России — компания «Алроса», добывающая 95% алмазов в стране.

Помимо качественных бесцветных камней при удачном стечении обстоятельств иногда удается добыть фантазийные ярко-желтые, ярко-розовые и голубые алмазы, составляющие всего 1% от общего объема.

Еще более редкими являются красные камни — алмазодобывающая компания Rio Tinto выставляетих на своем тендере всего несколько штук в год. Самыми ценными же среди цветных алмазов являются фиолетовые камни — они настолько уникальны, что цена их нередко превышает 1 миллион долларов за карат.

Отдельного внимания заслуживают черные алмазы. Являясь долгое время фактически отходами при добыче классически бесцветных камней, сегодня черные алмазы, и, как следствие, бриллианты задают собственный тренд в украшениях. Ювелирные изделия с черными бриллиантами зачастую становятся выбором тех, кто хочет выделиться из толпы и не любит идти на поводу у общепринятых канонов и правил.

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