Алмаз — минерал, который используют в ювелирном деле. Представляет собой аллотропную форму углерода. Отличается невероятной прочностью и другими необычными физическими свойствами. Формула идентична обычному графиту, который применяют в карандашных грифелях, уникальность и ценность алмаза обусловлена оригинальным строением кристаллической решетки.
Простое или сложное вещество — алмаз?
Алмаз — это простое или сложное вещество? Для ответа на этот вопрос необходимо изучить структуру и формулу элемента.
Алмаз — одна из форм углерода или карбона, поэтому алмаз в таблице Менделеева — это элемент под номером 6, обозначаемый литерой С. Номер алмаза в таблице Менделеева выступает одновременно атомным номером, зарядом ядра (+6) и показывает число протонов (Z=6).
Алмаз практически полностью состоит из углерода, примеси бывают, но их количество настолько незначительное, что в формуле не учитывается. Зная все эти свойства несложно ответить на вопрос, алмаз — это сложное или простое вещество. Алмаз относится к простым веществам, неметаллам. Это модификация углерода, возникшая при особых физических условиях.
Идентичную с алмазом формулу, помимо углерода, имеют и другие аллотропные (однокомпонентные) вещества:
- древесный уголь;
- графит;
- кокс;
- фуллерен и другие.
В отличие от других углеродистых веществ, атомы алмаза сложены в упорядоченную кубическую структуру, поэтому у минерала столь необычные свойства и внешний вид.
Формула и структура минерала
Из чего состоит алмаз, какая у него химическая формула? В химии у алмаза формула такая же, как и у углевода — C. Молярная масса — 12 г/моль, встречаются изотопы с показателями 13, 14 единиц.
Структурная формула алмаза — кристаллическая решетка, кубическая, с центрированными гранями. Гибридизация атомов углерода (ковалентная связь) — sp³. Каждый атом C расположен в центре тетраэдра, четыре соседних атома составляют вершины фигуры, между всеми элементами структуры надежная сигма-связь. Все атомы находятся друг от друга на одинаковом расстоянии — 0,15 нм. Именно такая структура и идеальная кубическая симметрия делает алмаз самым твердым веществом на Земле.
Характеристики вещества
У алмаза уникальное молекулярное строение, это один из самых необычных минералов на планете. Точное происхождение неизвестно. По одной из гипотез, алмаз возник из-за нагревания карбона при выходе магмы на поверхностью. По второй — алмазы попали на Землю с метеоритами.
Для отличия настоящего драгоценного камня от поделок используют специальный щуп, которым измеряют теплопроводность. Иногда проводят пробу особым жировым фломастером — при проведении по настоящему камню на поверхности остается сплошная линия. Еще один способ проверки — настоящий алмаз абсолютно невидим в прозрачной воде. Все методы направлены на выявления у вещества характерных особенностей, свойственных только настоящему алмазу.
Химические и физические свойства
Алмаз — это одно из самых плотных веществ, состоит не из атомов, а из молекул углерода, которые в природе практически не встречаются.
Свойства минерала:
- плотность по шкале Мооса 3,47-3,55 г/см.куб — поцарапать алмаз может только другой алмаз;
- устойчивость к кислотам, щелочам;
- высокие показатели износостойкости;
- алмаз отталкивает воду, но может прилипнуть к жиру;
- натуральный минерал желтый, но встречаются синие, красные, зеленые, голубые, розовые алмазы;
- плохая проводимость электрического тока, но высокая теплопроводность — настоящий алмаз никогда не станет теплым, если держать его в руках;
- низкий коэффициент трения по металлу — при отсутствии воздуха показатель составляет 0,1;
- самый высокий модуль упругости, самый низкий показатель деформации, сжимаемости;
- не плавится при стандартных показателях давления — без перехода в жидкое состояние сразу превращается в газ, температура сублимации — 3506, 85 градусов по Цельсию;
- при отсутствии кислорода с давлением 11 ГПа устойчив при нагревании. температура плавления 3700-4000 градусов по Цельсию;
- прозрачный, блестящий.
Несмотря на максимальную твердость, алмаз очень хрупкий, его можно разбить. Раскол кристалла идеальный, проходит строго по определенным плоскостям.
Основное химическое свойство — инертность, что связано с повышенной твердостью минерала. Основная реакция — высокая температура горения в кислороде с выделением углекислоты: 2C+O2=2CO, C+O2=CO2. При этом для горения минерала достаточно температуры 750-800 градусов по Цельсию.
Особенности внешнего вида
Благодаря своей уникальной структуре у алмаза совершенная форма, что сделало камень популярным в ювелирном деле. Минерал отличается высокими показателями прозрачности, дисперсии, преломления лучей света.
Ограненный алмаз красиво переливается на свету всеми цветами радуги. Преломление света уникально, зависит от свойств среды и длины волн. При высоких показателях преломления наглядно можно увидеть спектр волн разной длины. Световые волны, пересекаясь в границах сред, преломляются под разными углами. Возникает дисперсия, которая в алмазе максимальная. Такое явление называют игрой цвета.
В плотной среде скорость света замедляется, волны, которые человеческий глаз не распознает, становятся видимыми. Это называется люминесценцией. Алмаз делает видимыми ультрафиолетовые и рентгеновские волны.
В природе встречаются алмазы разных форм. Чаще всего это восьмигранный кристалл в форме правильного треугольника. Реже — ромбододекаэдр, у которого 12 идеальных граней. Можно встретить камни круглые, в форме куба. При огранке стараются сохранить первоначальную форму минерала, чтобы минимизировать потери и увеличить прибыль от продажи бриллиантов (обработанных алмазов).
Примеси, которые встречаются в минерале, могут негативно отразиться на качестве и стоимости драгоценного камня, но при этом придают ему красивые, необычные оттенки.
Добыча и производство
Алмаз — природное ископаемое, однако химики научились создавать искусственный минерал из графита под воздействием высоких температур и давления.
Истории добычи алмазов более тысячи лет. Впервые драгоценные камни нашли в Индии, точная дата в летописях не сохранилась. Но точно известно, когда впервые была сделано описание кристалла — IV век до н. э. Уже тогда этот камень называли ценным, уникальным, но не драгоценным.
На заметку. Алмазы были популярны у древнеегипетских фараонов. В Европу первый драгоценный камень завезли во времена правления Александра Македонского.
В XIX веке начались «алмазные лихорадки». Недалеко от современного города Кимберли в Южной Африке образовалось поселение искателей алмазов. Камней в этой области было много, но промышленную добычу начал Сесиль Родс. Разбогатеть в качестве старателя у не него не получилось, поэтому он решил зарабатывать на обслуживании процесса добычи минерала. Поставлял искателям пищу, откачивал воду из шахт при помощи единственной в Африке помпы, продавал необходимый инструмент. Платили Родсу не деньгами, а паем с прибыли и алмазами.
Родс быстро стал монополистом в алмазной промышленности, помогли ему в этом представители семьи Ротшильдов. Бриллианты стали продавать, они перестали быть доступными только королям. В середине XX века после введения антимонопольного закона в США началась массовая добыча алмазов в странах, в которых невозможно было захватить рынок.
Впервые камень огранили в XVII веке, с того времени это искусство постоянно совершенствовалось. Несколько столетий ювелиры пробовали разные способы обработки минерала, придавали разную форму. В 1919 году Марсель Толковский изобрел идеальную огранку для бриллианта, применяют этот способ до сих пор.
В природных условиях
Алмазы — природные ископаемые, большая часть которых находится в кимберлитовых трубках, названных в честь города Кимберли. Из вертикальных геологических тел, которые образовались при прорыве магмы, ежегодно добывают примерно 20 тонн различных алмазов. Небольшое количество драгоценных камней можно найти в щелочных магматических горных породах (лампоритах), встречаются и алмазные россыпи.
Страны, в которых находятся самые крупные алмазные месторождения:
- Россия (в Якутии три месторождения, одно в Архангельской области);
- Ботсвана (Джаванег, Орапа);
- Канада;
- ЮАР (Венеция);
- Ангола (Катока);
- Австралия (Аргайл).
Алмазы в горных породах ищут при помощи рентгеновских лучей. Большая часть камней, в которых более 5% разных примесей или более 2% примесей одного вещества, используют для промышленных нужд. В ювелирное дело отправляют только чистые кристаллы без выраженных структурных дефектов.
Виды промышленных алмазов:
- борт — мелкая алмазная крошка, применяют для резких огнеупорных материалов;
- баллас — кристаллы с мелкозернистой структурой, оболочка тверже ядра, мутные или серые, применяют в производстве буровых колонок;
- карбонадо — полупрозрачный или непрозрачный алмаз черного цвета, внешне схож с углем, в составе много примесей железа, сульфитов, графита.
Искусственный синтез
В лабораторных условиях искусственные алмазы получают из графита — высоким давлением воздействуют на кристаллическую решетку. Метод трудоемкий, требует много финансовых вложений затрат энергии.
Дешевые кристаллы, которые по свойствам схожи с алмазом, искусственно выращивают в лабораториях. Существует три вида синтеза:
- Создание специальными приборами условий, максимально приближенных к природной среде формирования алмаза. Это высокое давление и температура. Для синтеза искусственных алмазов используют графит, который оседает на кристаллической решетке затравочного камня. В качестве растворителя применяют расплав из кобальта, никеля, железа.
- Химическое парофазное осаждение — алмазы получают из паров метана в результате сложных химических реакций, применяют осаждения графита.
- Взрывной метод — углеродная структура графита при ударно-волновом нагружении переходит в алмаз.
Несмотря на разнообразие методов, создать в лабораторных условиях алмаз, похожий на натуральный драгоценный камень, не удалось. Искусственно воссоздать природные качества минерала невозможно.
Ученые продолжают искать новые методы создания искусственных алмазов. Пока лабораторное производство позволяет создавать в год до 20 млрд карат искусственных алмазов. Научились изготавливать синтетические камни для ювелирных изделий, но качество невысокое, масса не более 1 карата.
Синтетические алмазы не стоит путать с фианитами. Искусственные камни действительно похожи внешне, но абсолютно разные с точки зрения химического состава, свойств. Алмаз — это углерод, фианит — диоксид циркония.
Применение алмаза
Бриллиант (ограненный алмаз) — один из основных камней в создании дорогих ювелирных украшений. Именно продажа изделий с драгоценным камнем составляет основную часть дохода с добычи алмазов. Для выражения массы драгоценных камней используют внесистемную единицу массы, которая называется карат, равна 0,2 г.
На заметку. Высокая стоимость ювелирных украшений с бриллиантами связана с монополией на производство. Более половины всего оборота принадлежит одной компании.
Существует несколько способов огранки, при которой наблюдается максимальная игра света. Это круглая с 57 гранями, овальная, в форме груши, квадрата, овала с заостренным концом. Блеск ювелирного изделия зависит от качества огранки. Маркировка А означает, что огранка поверхностная, придает бриллианту максимальный блеск, используют на наиболее качественных минералах. Камни категории Б вытянуты в высоту, группы В — в диаметре. Эти виды огранки используют, если у алмаза непропорциональный размер, есть дефекты.
Редким камням придают уникальную форму, часто дают имена. Самый известный и дорогой алмаз — «Звезда Африки» («Куллинан). Вес камня — 621,25 г, что составляет 3106,75 карат. Нашли его в шахте «Премьер», которая находится в Южной Африке, в январе 1905 года. Считается, что алмаз — осколок огромного кристалла-октаэдра, но обнаружить его не удалось.
Помимо ювелирного дела, алмаз применяют в различных отраслях. Пленку из прочного минерала наносят на сверла, ножи, резцы, буры в добывающих установках. Используют в микроэлектронике, ядерной промышленности, для создании деталей для современных компьютеров, часов, применяют в качестве абразива при шлифовании точильных поверхностей.
В химии алмаз используют для защиты от кислот и некоторых других едких веществ. Применяют в производстве медицинских инструментов — алмазные скальпели самые прочные, острые, позволяют делать точные разрезы при хирургических вмешательствах.
Заключение
Алмаз как химический элемент это обычный углерод, такой же как сажа или уголь. Но благодаря уникальной структуре, это уникальный минерал, у которого нет натуральных и искусственных аналогов. Это простое углеродистое вещество отличается максимальной твердостью. После огранки алмаз становится бриллиантом — любимым камнем женщин и ювелиров.
