Алмаз - характеристики дорогоцінного каміння

Алмаз. мінерал, кристалічна модифікація чистого вуглецю (С). Алмаз має найбільшу з усіх відомих і природі матеріалів твердістю, завдяки якій він застосовується в багатьох важливих галузях промисловості.

Алмаз природний. Алмаз кристалізується в кубічної сингонії. Найважливіші кристалографічні форми Алмаза: плоскограннимі - октаедр, ромбододекаедра, куб і різні їх комбінації; крівогранние - додекаедроіди, октаедроіди і кубоід. Зустрічаються складні комбіновані форми, двійники зрощення по шпінелевих закону, двійники проростання і зернисті агрегати. Грані кристалів зазвичай покриті фігурами зростання і розчинення в формі окремих виступів і поглиблень.

Різновиди Алмаза: баллас (кулястої форми сфероліти радіально-променевого будови), карбонадо (скрито- і микрокристаллические агрегати неправильної форми, щільні або шлакоподобние), борт (неправильної форми дрібно- і грубозернисті полікристалічні освіти).

Розмір природних Алмазов коливається від мікроскопічних зерен до вельми великих кристалів масою в сотні і тисячі каратів (1 карат = 0,2 г). Маса видобуваються Алмазов зазвичай 0,1-1,0 карат; крупні кристали понад 100 каратів зустрічаються рідко. Найбільший в світі Алмаз "Куллінан", масою 3106 каратів, знайдений в 1905года в Південній Африці; з нього було зроблено 105 діамантів, в т. ч. "Зірка Африки" ( "Куллінан I") в 530,2 карата і "Куллінан II" в 317,4 карата, які вставлені в королівський скіпетр і імператорську корону Англії. Там же знайдено Алмаз "Ексцельсиор" в 971,5 карата (1893) і "Джонкер" в 726 каратів (1934), з яких також виготовлені діаманти різної величини.

На світовому ринку розрізняють 2 види Алмазов - ювелірні та технічні. До ювелірних відносяться Алмази досконалої форми, високої прозорості, без тріщин, включень та інших дефектів. Алмази, ограновані спеціальної "діамантового" гранню, називаються діамантами. Ювелірні Алмази зазвичай застосовуються у вигляді прикрас і як надійне джерело вкладення капіталу. До технічних відносяться всі інші видобуваються Алмази, незалежно від їх якості і розмірів. Технічні Алмази застосовуються у вигляді порошків, а також окремих кристалів, яким шляхом ограновування надають потрібну форму (різці, фільєри тощо.).

Фізичні властивості. Елементарна комірка кристалічної решітки Алмаза має вигляд куба. Атоми вуглецю С розташовані в вершинах куба, в центрах його граней, а також в центрах 4 несуміжних октантів. Кожен атом З пов'язаний з 4 найближчими сусідами, симетрично розташованими по вершинах тетраедра, найбільш "міцної" хімічним зв'язком - ковалентного. Сусідні атоми знаходяться на відстані, рівному 0,154 нм. Ідеальний кристал Алмаза можна уявити собі як одну гігантську молекулу. Міцна зв'язок між атомами С обумовлює високу твердість Алмаза.

Структуру, подібну до Алмазу, мають і інші елементи IV групи періодичної системи Si, Ge, Sn. Однак в послідовності С-Si-Ge-Sn міцність ковалентного зв'язку зменшується відповідно зі збільшенням міжатомної відстані. Кристалічну решітку Алмаза мають також багато хімічних сполук, наприклад, з'єднання елементів III і V груп періодичної системи (решітка типу сфалериту - ZnS). Структури цих сполук (є напівпровідниками) завдяки додатковій іонної зв'язку (крім ковалентного), по-видимому, міцніше структур елементів 4-ї групи, що належать до того ж періоду системи елементів. Наприклад, з'єднання азоту з бором називається боразон, по твердості не поступається Алмазу.

В Алмаз також зустрічаються тверді (олівін, піроксен, гранати, хромшпінеліди, графіт, кварц, оксиди заліза і т. П.), Рідкі (вода, вуглекислота) і газоподібні (азот і ін.) Включення.

Щільність Алмаза у різних мінералогічних зразків коливається в межах від 3470 до 3560 кг / м 3. Обчислена щільність Алмаза (за рентгенограмами)

3511 кг / м 3. Алмаз - еталон твердості шкали Мооса з числом твердості 10 (корунд - 9, кварц - 7, кальцит - 3). Мікротвердість Алмаза, яка вимірюється вдавленням алмазної пірамідки, становить від 60-70 до 150 Гн / м 2 [або від (6-7) 10 3 до 15 · 10 3 кгс / мм 2] в залежності від способу випробування (за Хрущовим і Беркович

10 4 кгс / мм 2. корунд

1,1 × 10 2 кгс / мм 2). Твердість Алмаза на різних кристалографічних гранях не однакова - найбільш твердої є октаедричні грань (111). Алмаз дуже крихкий, має досить досконалою спайність по межі (111). Анізотропія механічних властивостей враховується при обробці монокристалів Алмаза і їх орієнтуванні в однокристальному інструменті. Модуль Юнга - модуль нормальної пружності Алмаза 1000 Гн / м 2 (

10 13 дин / см 2), модуль об'ємного стиснення 600 Гн / м 2 (

6 х 10 12 дин / см 2). Тепловий коефіцієнт лінійного розширення зростає з температурою від 0,6 · 10 -6 ° С -1 в інтервалі 53-303 К до 5,7 · 10 -6 в інтервалі 1100-1700 К. Коефіцієнт теплопровідності зменшується зі збільшенням температури в інтервалі 100- 400 К від 6 до 0,8 кДж / м · К (від

2 кал / сек · см · С). При кімнатній температурі теплопровідність Алмаза вище, ніж у срібла, а мольная теплоємність дорівнює 5,65 кДж / С кмоль-К. Алмаз диамагнитен, магнітна сприйнятливість на одиницю маси дорівнює 0,49 · 10 -6 одиниць СГС при 18 ° С.

Колір і прозорість Алмаза різні. Зустрічаються Алмази безбарвні, білі, блакитні, зелені, жовті, коричневі, червонуваті (різних відтінків), темно-сірі (до чорного). Часто забарвлення розподілена нерівномірно. Алмаз змінює забарвлення при бомбардуванні α-частинками, протонами, нейтронами і дейтронами.

Показник заломлення Алмаза дорівнює 2,417 (для довжини хвилі λ = 0,5893 мкм) і зростає з температурою, дисперсія 0,063. Кут повного відображення дорівнює 24 ° 24 '. Деякі зразки Алмаза володіють оптичною анізотропією, наприклад подвійне променезаломлення, обумовленим внутрішніми пружними напруженнями, пов'язаними з неоднорідностями будови кристала. У більшості Алмазов спостерігається люмінесценція (в зеленого і синього частинах спектра) під дією ультрафіолетового та рентгенівського випромінювань, електронів, альфа-частинок і нейтронів. Опромінення Алмаза нейтронами не повідомляє йому стійкою радіоактивності, зменшує щільність Алмаза, "розпушує" грати і внаслідок цього погіршує його абразивні якості. Більшість Алмазов вибірково поглинає електромагнітне випромінювання в інфрачервоній області спектра (λ

8-10 мкм) і в ультрафіолетовій (нижче 0,3 мкм). Їх називають Алмазами 1-го типу. Значно рідше зустрічаються Алмази 2-го типу (виявлені вперше в 1933 році), що не мають ліній поглинання в області 8-10 мкм і прозорі до

0,22 мкм. Зустрічаються Алмази зі змішаними ознаками, а також володіють в одних частинах кристала ознаками 1-го типу, а в інших - 2-го. Основні спектроскопічні характеристики кристалів добре корелюються з кількістю азоту, що міститься в решітці Алмаза, і, мабуть, з тонкими відмінностями кристалічної будови.

Запропоновано підрозділ Алмаз 2-го типу на 2а і 2б, що розрізняються електричними властивостями. Питомий електричний опір Алмаза 1-го типу р

10 12 х 10 14 ом · м, типу 2а - р

10 12 ом · м. Алмаз, що належать до типу 2б, мають р

0,5 · 10 ом · м, вони є домішковими напівпровідниками р-типу, мають фотопроводимостью і при нагріванні виявляють лінії поглинання на довжинах хвиль λ> 6 мкм (вони вкрай рідкісні, відкриті тільки в 1952). Зустрічаються кристали Алмаз з виключно малим опором р

10 -2. які можуть пропускати великі струми. Серед неполупроводнікових Алмазов 2-го типу іноді зустрічаються кристали, електропровідність яких різко зростає при опроміненні альфа-частками, електронами і гамма-променями. Глибина проникнення альфа-частинок в Алмаз не більше 10 мкм, електронів (з енергією

1 МеВ) - 1 мм. Такі Алмаз можуть використовуватися в кристалічних лічильниках. До переваг алмазних лічильників відноситься здатність працювати при кімнатній температурі, які тривалий час працювати в безперервному режимі, виділяти вузькі пучки радіації. Їх можна стерилізувати, що дуже важливо, наприклад, для біологічних досліджень.

Алмаз стійкий до дії кислот і розчинів лугів (навіть киплячих), розчиняється в розплавах селітри (нітрату натрію або калію) і соди (t

Родовища і видобуток. Алмаз відомий людству за багато століть до н. е. Вперше Алмаз почали добувати в Індії, в 6-10 століттях - на о. Борнео, в 1725 - в Бразилії. З 70-х років 19 століття центр видобутку Алмазов з Азії та Південної Америки перемістився в Африку (спочатку в Південну Африку, потім в Центральну, Західну і Східну Африку).

Єдиної думки про генезис Алмазов в кімберлітах немає. Одні дослідники припускають, що Алмаз кристалізується на великих глибинах в межах верхньої мантії, інші вважають, що Алмаз утворюється на глибинах 2-4 км в проміжних осередках виникають на кордоні порід фундаменту і осадового чохла платформ.

Основний видобуток Алмаз йде з розсипів (80 - 85%) різних генетичних типів (делювіальні, алювіальні, прибережно-морські розсипи, які експлуатуються при змісті 0,25-0,50 кар / м 3).

ВУкаіни Алмази вперше були виявлені в 1829 на Середньому Уралі (в басейні річки Койву). За роки Радянської влади в СРСР створена сировинна база Алмазов. Виявлені родовища Алмазов на Уралі об'єднуються в Уральську алмазоносних провінції, розташовану на західних схилах Південного, Середнього і Північного Уралу, де є розсипи з високоякісними Алмазами. У 1954-55 родовища Алмазов були відкриті в Східному Сибіру, ​​на території Якутії. Сибірська алмазоносная провінція приурочена до Сибірської платформи; в її межах відомі як розсипних, так і корінні родовища (останні представлені кімберлітами трубчастої форми). Родовища зосереджені в західній Якутії (трубки "Мир", "Вдала", "Айхал" і ін.). Знайдено також Алмази на Тімане.

Понад 80% видобутих Алмаз використовується в промисловості. До 30-х років 20 століття перше місце в світовому видобутку Алмазов міцно займав ПАС (з 1961 - ПАР) де переважають ювелірні камені. Згодом у зв'язку з сильним зростанням попиту на технічні Алмази на перше місце за кількістю видобутих Алмазов висунувся Заїр, де є великі запаси технічних Алмазов.

Розробка родовищ Алмазов. Розсипних родовищ Алмаз розробляються відкритим способом із застосуванням екскаваторів або драг. Видобуток алмазоносних породи з трубок спочатку здійснюється за допомогою відкритих гірничих виробок; на великих глибинах переходять до підземного способу розробки. Підземна розробка включає магазінірованіє алмазоносних порід в камерах і видачу їх на транспортні горизонти через рудоспуски.

Здобута алмазоносная порода після попередньої обробки (в пісках - видалення глинистих частинок і великої гальки, в кімберлітах - дроблення і виборче подрібнення) збагачується до отримання концентрату на отсадочних машинах або у важких суспензіях (див. Гравітаційне збагачення). Витяг Алмаз в концентрат досягає 96% від вмісту їх в гірничій масі.

Алмаз синтетичний являє собою Алмаз, одержуваний штучним шляхом з неалмазного вуглецю і вуглець речовин. Синтетичний Алмаз має кристалічну структуру і основний хімічний склад природного Алмаза.

Хімічний склад Алмаза визначено в кінці 18 століття. Це дало початок численним спробам отримання штучних (синтетичних) Алмазов в різних країнах. Надійні результати синтезу Алмазов отримані в середині 50-х років 20 століття майже одночасно в кількох країнах (США, Швеція, ПАР).

Алмаз є кристалічною модифікацією вуглецю стабільною лише при високому тиску. Тиск термодинамічної рівноваги між Алмазом і графітом при абсолютному нулі (0 К = -273,16 ° С) становить близько 1500 Мн / м 2 (15 кбар) і зростає зі збільшенням температури. При тиску, меншому рівноважного, стійкий графіт, а при більш високому - Алмаз. Однак взаємні перетворення Алмаза в графіт і графіту в Алмаз при тиску, відповідно меншому або більшому рівноважного, відбуваються з помітною швидкістю лише при досить високих температурах. Тому Алмаз при нормальному тиску і температурах до 1000 ° С зберігається практично необмежений час (метастабільний стан).

Безпосереднє перетворення графіту в Алмаз вимагає високої температури і відповідно високого тиску. Тому для полегшення синтезу використовують різні агенти, що сприяють руйнуванню або деформації кристалічної решітки графіту, або знижують енергію, необхідну для її перебудови. Такі агенти можуть надавати каталітичну дію. Процес синтезу Алмазов пояснюють також розчиненням графіту або утворенням нестійких з'єднань з вуглецем, який, виділяючись з розчину або при розпаді з'єднань, кристалізується у вигляді Алмазов. Роль таких агентів можуть грати деякі метали (наприклад, залізо, нікель і їх сплави).

Речовини, що застосовуються при синтезі або додаються до реакційної суміші, можуть входити в Алмаз у вигляді домішок, обумовлюючи при цьому деякі їх властивості (в першу чергу електричні та оптичні). Наприклад, домішка бору повідомляє кристалів Алмаза забарвлення від світло-синьої до темно-червоної; бор і алюміній надають алмазів певні температурні залежності електроопору. Форма і забарвлення кристалів залежать також від температурного режиму: для синтезу при високій температурі характерні досконаліші прозорі октаедричні кристали. Зниження температури призводить до появи кубооктаедріческіх і кубічних кристалів, а в низькотемпературної області зазвичай утворюються чорні кубічні кристали. Мікроскопічні кристали Алмаза можуть виходити і без участі каталізаторів при стисненні графіту в ударній хвилі.

Порівняно швидке зростання кристалів синтетичних Алмазов і специфічні домішки обумовлюють їх особливі фізичні і механічні властивості. Варіювання умов синтезу дозволяє отримувати кристали різних розмірів (до 4 мм), ступеня досконалості, чистоти і, отже, з заданими механічними та іншими фізичними властивостями. При певних умовах утворюються микрокристаллические агрегати типу баллас (діаметром в декілька мм) і карбонад, що відрізняються високою міцністю і, зокрема, стійкістю проти ударних навантажень.