Невероятно дорогой минерал алмаз, что превращается в удивительно сверкающие бриллианты при огранке, обладает особыми физическими и химическими свойствами. Ученые долго разгадывали его формулу, а затем и вовсе научились получать камни синтетическим путем.
Физико-механические свойства алмаза
Алмаз – не что иное, как одна из разновидностей углерода, только самая красивая и самая дорогая. В естественных условиях он отличается невероятной стабильностью, в нем не происходит никаких изменений столетиями и тысячелетиями. Зато, если поместить алмаз в среду инертных газов, создать условия вакуума, то он превратится в графит – другую форму углерода. Этот бесцветный минерал – эталон твердости по шкале Мооса. Если сравнивать с кварцем, то плотность алмаза выше в тысячу раз и в 150 раз от корунда. Алмаз невозможно поцарапать каким-либо веществом, кроме другого алмаза. Минералу не страшны даже кислоты, способные растворять металлы.
В расплавленных щелочах алмаз начинает постепенно растворяться.
Формула и структура минерала
С точки зрения химии, формула алмаза помещается в одну букву С, обозначающую углерод. Он обладает кристаллической решеткой, причем, гранецентрированной кубической. Атомы молекул углерода связаны между собой очень прочно, поэтому минерал обладает такой твердостью. Однако при этом он хрупкий, разрушение (раскалывание) будет идти только по определенным плоскостям. Каждый из углеродных атомов занимает ровно середину тетраэдра, в вершинах которого располагается ближайшая четверка атомов. Именно строго упорядоченная структура обеспечивает самоцвету уникальные свойства. Атомное расстояние имеет одинаковую периодичность, оно равняется 0,15 нм.
В свое время алмаз считали не чем иным, как кварцем. Только в XVIII веке Лавуазье, сжигая камень, обнаружил, что тот выделяет оксид углерода. В начале XIX века ученые окончательно определили, что алмаз, уголь и графит – химически одно и то же. Сажа и графен – также ближайшие родственники алмаза. Молярная масса алмаза – 12,01. Вместе с графитом алмаз – лидеры по показателю теплопроводности, у алмаза она даже выше – до 2300 Вт/(м⋅К). За счет того, что на гранях формируются специфические пленки адсорбированных газообразных веществ, у минерала невероятно низкий коэффициент трения по металлу (в условиях воздуха) – только 0,1.
Окраска
Большинство добываемых алмазов – полностью прозрачные и совершенно бесцветные камни. Однако они могут светиться под воздействием рентгеновских, ультрафиолетовых, катодных лучей голубоватым, синим или зеленым цветом. Минерал отличается сильным блеском. Это обеспечивает дисперсия вместе с высоким показателем преломления и прозрачностью минерала.
Также в природе встречаются цветные алмазы, что бывает очень редко. Причем камень не обязательно должен быть окрашен полностью, он может быть пятнистым, иметь цветными отдельные участки.
Наиболее распространенные оттенки – коричневый и желтый, что возникает из-за дефектов в структуре минерала. Цветные камни – редкое явление, особенно если они крупные. Так, желтый алмаз под названием «Тиффани» имел вес в 57 г (равный 287 каратам), а уникальный бриллиант зеленого цвета «Дрезденский» весил 8,2 г (41 карат). Такой необычный цвет камня обусловлен его естественной радиоактивностью. Еще реже находят красные, синие или розовые алмазы.
Встречаются даже черные алмазы, именуемые карбонадо. Некоторые ученые считают, что они образовались на Земле, другие считают их пришельцами из Космоса.
Гигантский черный алмаз весом более 3 тысяч карат был обнаружен на территории Бразилии.
Вес и масса алмаза
Стандартная единица для массы – это грамм, но для алмазов, а также полученных из них бриллиантов применяют другую единицу обозначения – карат. Один карат составляет 0,2 г. Такая единица измерения массы камня была окончательно принята в мире в 1907 году.
Чем объемнее минерал, тем в разы возрастает его цена. Большинство добываемых камней довольно мелкие, порядка 0,1 карата. Алмазы крупнее 5 карат встречаются очень редко, а более 15 карат – историческое событие. Рекордсменом по весу в алмазном мире считается «Звезда Африки» или «Куллинан». Вес минерала составил практически 3107 карат (относительно граммам – это 621 г). Этот рекорд, установленный в 1905 году, побить так и не удалось. Из-за природных появлений трещин огранить этот гигант в один бриллиант было нельзя, поэтому его раскололи.
Наличие трещин – это знак, который указывает на низкое качество самоцвета.
Синтезированные алмазы
Алмаз представляет большую ценность как режущий и абразивный элемент ввиду своей исключительной твердости. Но для этих целей природные камни слишком дорогие. Поэтому еще в XVII веке ученые экспериментировали с минералом, пытались сделать из мелких камней один крупный, исследовали химическую формулу алмаза. Первые экземпляры стали получать синтетическим путем в 1953-1954 годах, а массовое производство искусственных камней стартовало с 1963 года. При помощи специального «алмазного щупа» – прибора, что замеряет теплопроводность камня, искусственный минерал можно однозначно отличить от природного самоцвета.
Чтобы получить алмаз, как сырье обычно используют графит.
Существуют три технологии получения искусственных минералов:
- Методом взрыва. За счет ударной волны, что формируется в замкнутом металлическом контейнере (трубке), получается высокая температура и давление, графит трансформируется в алмаз.
- Химический способ. В этом случае происходит осаждение графита в виде алмазов за счет того, что процесс происходит в среде метана. Этот метод также называют CVD.
- При методе HPTH создают условия, близкие к природным, в которых формируются кристаллы алмаза. Два самых важных фактора для этого – высокое давление и температура. В роли центра кристаллизации используют мельчайшие алмазы, полученные другими технологиями, которые вырастают в более крупные камни.
Искусственные алмазы для изготовления ювелирных украшений не используют, хотя они полностью повторяют химический состав природных камней.
Примеси в составе алмаза
Синтетические минералы находят применение в ядерной промышленности, для изготовления часовых механизмов и компьютерной техники. Для некоторых случаев требуются особые свойства алмаза. Их можно придать камню, если вводить определенные добавки (примеси). Это может быть бор или фосфор.
Алмаз в таблице Менделеева является углеродом.
Даже натуральные алмазы включают микроколичества алюминия, кремния, азота, бора, кальция или магния. Также в роли примесей встречается титан, марганец или железо, которое обеспечивает желтоватый отлив окрашенных алмазов. За счет присутствия примеси бора камень приобретает голубой тон. Основная «добавка» в составе природных камней – это азот. Для ювелирных целей используют лишь те самоцветы, которые состоят не более чем из 5% примесей, причем, на долю одного вещества не должно выпадать более 2%. Если количество посторонних соединений, кроме углерода, выше, то из драгоценного камня он сразу переходит в технический. Преобразить промышленный алмаз можно с помощью молекулярного преобразователя.
Драгоценные камни всегда были востребованы. Природные минералы пользуются популярностью среди ювелиров, а искусственно созданные «работают» во многих отраслях промышленности. У алмазов нет конкурентов по твердости и многим другим характеристикам. Это всего лишь углерод, но особой структуры.