Алмаз — это простое вещество-неметалл, которое почти полностью состоит из углерода. Этот минерал известен благодаря своему широкому использованию в ювелирном деле, а также из-за своих необычных физических свойств, среди которых выделяется высочайшая прочность. При этом химическая формула алмаза такая же, как у обычного графита — C, а его уникальность и ценность обусловлена исключительно строением кристаллической решётки.
Формула и структура минерала
Углерод, он же карбон — это элемент, имеющий в таблице Менделеева шестой порядковый номер и записывающийся как C. Именно из него целиком состоит алмаз — количество примесей, если они есть, настолько мало, что они не учитываются в формуле. Помимо алмаза, углерод принимает такие аллотропные, то есть состоящие из одного вещества, формы:
- древесный уголь;
- сажа;
- графит;
- графен;
- карбин;
- кокс;
- алмаз гексагональный, или лонсдейлит;
- фуллерен;
- поликумулен;
- УНТ или углеродные нанотрубки.
Некоторым трудно поверить, что прозрачный и прочный алмаз имеет одинаковый состав с обычной сажей, углём или графитом, но это так. Дело в том, что, в отличие от прочих веществ, состоящих из углерода, атомы алмаза образуют кубическую упорядоченную структуру, чем и объясняются его необычные качества и внешний вид.
Кристаллическая решётка минерала имеет кубическую форму. Каждый атом в её структуре находится в центре тетраэдра, вершины которого представляют собой 4 других атома, при этом между ними образуется надёжная сигма-связь. Расстояние между всеми атомами одинаково и составляет примерно 0,15 нм. Кроме того, для решётки минерала характерна кубическая симметрия. Все эти качества и особенности структурной формулы алмаза и обусловливают его огромную прочность по сравнению с веществами-«родственниками».
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.
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.
Добыча и производство
История добычи и продажи этих драгоценных камней насчитывает тысячи лет. Впервые их обнаружили в Индии — точная дата неизвестна, но описание кристалла было сделано ещё в IV до н. э. Ещё тогда он считался очень ценным, даже несмотря на то, что люди того времени не умели гранить минерал и только шлифовали его. Известно, что алмазы были популярны ещё и в древнем Египте, а в Европу их завезли во времена Александра Македонского.
Гранить кристаллы научились с XVII века, и с тех пор это искусство постоянно совершенствовалось. На протяжении столетий появлялись всё новые формы и способы обработки драгоценного минерала, до тех пор, пока в 1919 году Марсель Толковский не изобрёл идеальную огранку бриллиантов, которую применяют и сейчас.
В природных условиях
Алмазы относятся к природным ископаемым. Основная часть драгоценных камней — около 90% — содержится в кимберлитовых трубках, также их некоторое количество можно найти в лампроитах и россыпях. Наличие этого ценного минерала в горной породе определяют с помощью рентгеновских лучей. При этом бо́льшая часть добытых камней идёт не в ювелирное дело, а на промышленность — это происходит из-за наличия в них большого количества (>5% в целом или >2% вещества одного типа) примесей, а также структурных дефектов. Промышленные кристаллы бывают таких типов:
- борт — мелкая алмазная крошка, которую невозможно огранить, используется для резки некоторых огнеупорных материалов;
- баллас — мелкозернистые кристаллы, оболочка которых твёрже ядра, обычно имеют мутно-белый или серый цвет и используются для производства буровых коронок;
- карбонадо — непрозрачный или полупрозрачный чёрный алмаз, похожий на уголь, обычно содержит много примесей железа, графита или сульфитов.
Искусственный синтез
В лабораториях можно получить алмаз из графита. Это достигает путём влияния на его кристаллическую решётку, но такой переход представляет собой очень дорогой, трудоёмкий и энергозатратный процесс. Более дешёвые кристаллы, по своим свойствам напоминающие алмаз, можно искусственно выращивать. В целом лабораторное создание этих драгоценных камней можно поделить на три типа:
- HPTH (High Temperature High Pressure, что переводится как высокая температура и давление) — создание условий, похожих на природную среду формирования минерала, с помощью особых приборов. Синтез вещества при этом происходит из графита, оседающего на кристаллической решётке затравочного алмаза.
- CVD (Chemical vapor deposition или химическое парофазное осаждение) — получение вещества из паров метана химическим путём. Этот способ также использует осаждения графита.
- Взрывной синтез — переход структуры углерода из графита в алмаз при ударно-волновом нагружении.
Ни один из этих способов пока что не может создать камни, по своему качеству близкие к натуральным, потому их редко используют в ювелирном деле. Кроме того, все виды производства далеки от массовых, потому старания учёных в этом деле пока продолжаются.
Применение алмаза
Огранённый алмаз, он же бриллиант — это очень популярный драгоценный камень, являющийся также одним из самых дорогих. Хотя на продажу в качестве ювелирных украшений поступает только малая часть минерала, именно она составляет основную часть дохода с его добычи. В значительной степени дороговизна камня обусловлена монополизацией производства бриллиантов — более 50% их оборота принадлежит одной компании.
Помимо ювелирного дела, есть ещё множество отраслей, в которой минерал нашёл своё применение. В основном ценится его высочайшая прочность, обусловленная структурной формулой алмаза. В химии его применяют для защиты от кислот и некоторых очень едких веществ. В промышленности алмазную плёнку наносят на резцы, свёрла, ножи, части добывающих установок и другие подобные инструменты Алмазную крошку используют как абразив для шлифования точильных поверхностей.
Используют его и в создании медицинских инструментов, так как острота и прочность алмазных изделий может обеспечить максимально точные надрезы при операциях. Ещё его применяют для изготовления деталей для современных квантовых компьютеров и часов, в ядерной промышленности, а также во многих других отраслях.
