Как какому типу относится кристаллическая решетка алмаза

Какая кристаллическая решетка у алмаза и в чем ее уникальность

Кристаллической решеткой алмаза ученые заинтересовались давно. Благодаря ее характеристикам, камень имеет особые свойства и ценность. Существуют аллотропные модификации, используемые в промышленности, электронике, медицине, космонавтике, авиации. В настоящее время развивается отрасль по созданию искусственных алмазов, но она требует больших затрат.

Строение кристалла и способ образования

Камень алмаз – кубическая аллотропная форма углерода, шестого элемента таблицы Менделеева. Образуется после сверхбыстрого охлаждения под действием сильного давления. Добывается в кимберлитовых трубках – вертикальных образованиях, возникших при прорыве магмы сквозь кору земли.

Под фразой «кристаллическая решетка алмаза» понимают пространственное расположение и соединения атомов углерода, обусловливающие твердость минерала.

По сути алмаз – это модификация углерода.

К какому типу относится кристаллическая решетка алмаза

Минерал имеет атомную кристаллическую решетку, т. е. в узлах расположены атомы углероды.

Особенности строения кристаллической решетки алмаза обусловливают его прочность, т. к. каждый атом находится в центре тетраэдра (треугольная или трехгранная пирамида) и связан ковалентными связями. При этом каждый атом плотно связан с четырьмя соседними атомами.

Для алмаза характерна кубическая сингония, т. е. элементарная ячейка представлена в форме куба.

Строение кристаллической решетки алмаза:

  • по одному атому углерода – на вершинах куба;
  • по одному атому – в каждой грани;
  • четыре атома – внутри куба.

Атомы, расположенные в центре граней – общие для двух ячеек. Атомы, расположенные на вершинах – общие для восьми ячеек. Между собой они соединены наиболее прочным подвидом ковалентной связи – сигма-связью.

Всего химики выделяют 4 типа связи атомов между собой:

Последний тип связи, формирующий кристаллическую решетку у алмаза, считается самым прочным.

Не все алмазы состоят исключительно из углерода. Иногда в составе встречаются посторонние примеси (кальций, алюминий, бор, магний, кремний, гранит, газы). Если примеси расположены поверхностно, то их можно удалить при огранке. Если же внутри камня, то такие алмазы не представляют ювелирной ценности и используются в промышленности.

Пример кристаллической решетки камня в видео:

Физические и химические свойства

Химическая формула минерала – C. Кристалл хорошо проводит тепло, но не проводит (или слабо проводит) электрический ток. Имеет хорошие преломляющие и отражающие свойства.

Плавится при температуре свыше 3700 градусов. Горит в сочетании с кислородом при температуре более 721 градуса. Устойчив к кислотам и щелочам.

  1. Цвет: бесцветный, прозрачный. Возможны оттенки голубого, желтого, синего, розового, красного, бурого, черного.
  2. Форма: кристалл с разным количеством граней.
  3. Блеск: сильный алмазный.
  4. Плотность: 3,5 г/см3.
  5. Твердость: абсолютная, 10 баллов. Но при этом камень очень хрупкий.
  6. Спайность: средняя.
  7. Электропроводность: слабая или отсутствует.
  8. Люминесцирует при ультрафиолете.
  9. Под действием рентгеновского излучения снижается прочность связей.
Читайте также:  Евгений топаз кто это

Аллотропные модификации

Некоторые другие химические элементы имеют схожую с алмазом структуру, но несколько отличную молекулярную кристаллическую решетку. Различие – в расположении атомов.

У алмаза атомы углерода располагаются близко друг другу. А у других элементов с большей атомной массой – расстояние между атомами больше, что снижает их прочность.

Из аллотропных модификаций известны:

  1. Лонсдейлиты – недостаточно изучены, добываются из метеоритов или создаются искусственно, имеют гексагональную кристаллическую решетку.
  2. Графит – имеет похожее строение, но отличается пи-связями и наличием свободных электронов (гексагональная кристаллическая решетка).
  3. Уголь – используется как сырье для получения тепла.
  4. Карбин – мелкие черные кристаллы в форме порошка, искусственно созданные.
  5. Фуллерены – кристаллическая решетка выглядит в виде мяча, собранного из восьмиугольников, искусственно созданные.
  6. Углеродные нанотрубки – используются как каркас к наноизделиям.

Аллотропные модификации способны к трансформации: под действием температуры 1800 градусов они преобразуются в графит.

Дополнительно смотрите видеоматериал об аллотропных формах углерода — алмазе и графите:

Способы применения вещества

Обработанные и ограненные камни высокого качества – бриллианты с идеальной кристаллической решеткой и составом (без примесей и дефектов) – используют для производства ювелирных украшений. Это наиболее прибыльная сфера применения минерала.

Дефектные камни идут на другие нужды:

  • производство подшипников, сверл;
  • использование в электронике и телекоммуникациях;
  • изготовление механизмов из алмазного порошка;
  • обрамление шлифовочных кругов;
  • создание оптических линз;
  • использование в качестве абразивов;
  • создание квантовых компьютеров;
  • применение в ядерной энергетике;
  • изготовление медицинского инструментария.

Получение искусственных минералов

В настоящее время разработаны методики получения алмаза из графита.

По HPHT методу, формирование искусственного камня достигается воздействием 3000-градусной температуры при давлении более 1000 Па и добавлением металлов. Это приводит к изменению ковалентных связей в кристаллической решетке и образованию пористых мутных камней.

Но считается, что лучший способ получения искусственных самоцветов – это выращивание при температуре 1500 градусов. Но это затратный метод, как и создание алмазов с помощью ультразвука. Поэтому принято получать камни из паров метана. Метод основан на пленочном осаждении графита.

Технологии неуклонно развиваются, и возможно в скором будущем, ученые научатся синтезировать искусственные алмазы при минимальных затратах.

Может быть, вам известны еще какие-то особенности строения или получения алмазов? Поделитесь своими знаниями в комментариях. Делайте репост в соцсети.

Источник

Алмаз

507-каратный алмаз Cullinan Heritage

Алмаз – самый твёрдый минерал, кубическая полиморфная (аллотропная) модификация углерода(C), устойчивая при высоком давлении. При атмосферном давлении и комнатной температуре метастабилен, но может существовать неограниченно долго, не превращаясь в стабильный в этих условиях графит. В вакууме или в инертном газе при повышенных температурах постепенно переходит в графит.

Смотрите так же:

СТРУКТУРА

Кристаллическая структура алмаза

Сингония алмаза кубическая, пространственная группа Fd3m. Элементарная ячейка кристаллической решетки алмаза представляет собой гранецентрированный куб, в котором в четырех секторах расположенных в шахматном порядке, находятся атомы углерода. Иначе алмазную структуру можно представить как две кубических гранецентрированных решетки, смещенных друг относительно друга по главной диагонали куба на четверть её длины. Структура аналогичная алмазной установлена у кремния, низкотемпературной модификации олова и некоторых других простых веществ.

Читайте также:  Драгоценный рубин карос где падает

Кристаллы алмаза всегда содержат различные дефекты кристаллической структуры (точечные, линейные дефекты, включения, границы субзерен и тп.). Такие дефекты в значительной степени определяют физические свойства кристаллов.

СВОЙСТВА

Алмаз может быть бесцветными водянопрозрачным или окрашенным в различные оттенки желтого, коричневого, красного, голубого, зеленого, черного, серого цветов.
Распределение окраски часто неравномерное, пятнистое или зональное. Под действием рентгеновских, катодных и ультрафиолетовых лучей большинство алмазов начинает светиться (люминесцировать) голубым, зелёным, розовым и др. цветами. Характеризуется исключительно высоким светопреломлением. Показатель преломления (от 2,417 до 2,421) и сильная дисперсия (0,0574 ) обуславливают яркий блеск и разноцветную “игру” огранённых ювелирных алмазов, называемых бриллиантами. Блеск сильный, от алмазного до жирного.Плотность 3,5 г/см 3 . По шкале Мооса относительная твердость алмаза равна 10, а абсолютная – в 1000 раз превышает твёрдость кварца и в 150 раз – корунда. Она самая высокая как среди всех природных, так и искусственных материалов. Вместе с тем довольно хрупок, легко раскалывается. Излом раковистый. С кислотами и щелочами в отсутствие окислителей не взаимодействует.
На воздухе алмаз сгорает при 850° С с образованием СО2; в вакууме при температуре свыше 1.500° С переходит в графит.

МОРФОЛОГИЯ

Морфология алмаза очень разнообразна. Он встречается как в виде монокристаллов, так и в виде поликристаллических срастаний (“борт”, “баллас”, “карбонадо”). Алмазы из кимберлитовых месторождений имеют только одну распространенную плоскогранную форму – октаэдр. При этом во всех месторождениях распространены алмазы с характерными кривогранными формами – ромбододекаэдроиды (кристаллы похожие на ромбододекаэдр, но с округлыми гранями), и кубоиды (кристаллы с криволинейной формой ). Как показали экспериментальные исследования и изучение природных образцов в большинстве случаев кристаллы в форме додекаэдроида возникают в результате растворения алмазов кимберлитовым расплавом. Кубоиды образуются в результате специфического волокнистого роста алмазов по нормальному механизму роста.

Алмаз Куллинан разбитый на 9 частей

Синтетические кристаллы, выращенные при высоких давлениях и температурах, часто имеют грани куба и это является одни их характерных отличий от природных кристаллов. При выращивании в метастабильных условиях алмаз легко кристаллизуется в виде пленок и шестоватых агрегатов.

Размеры кристаллов варьируют от микроскопических до очень крупных, масса самого крупного алмаза “Куллинан”, найденного в 1905г. в Южной Африке 3106 карат (0,621кг).
На изучение огромного алмаза было потрачено несколько месяцев и в 1908 году он был расколот на 9 крупных частей.
Алмазы массой более 15 карат – редкость, а массой от сотни карат – уникальны и считаются раритетами. Такие камни очень редки и часто получают собственные имена, мировую известность и своё особое место в истории.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Хотя при нормальных условиях алмаз метастабилен, он в силу устойчивости своей кристаллической структуры может существовать неопределенно долго, не превращаясь в устойчивую модификацию углерода – графит. Алмазы, которые вынесены на поверхность кимберилитами или лампроитами кристаллизуется в мантии на глубине 200 км. и более при давлении более 4 Гпа и температуре 1000 – 1300 ° С. В некоторых меторождениях встречаются и более глубинные алмазы, вынесенные из переходной зоны или из нижней мантии. Наряду с этим, они выносятся к поверхности Земли в результате взрывных процессов, сопровождающих формирование кимберлитовых трубок, 15-20% которых содержит алмаз.

Читайте также:  Бриллианты миракле что это

Алмазы встречаются также в метаморфических комплексах сверхвысоких давлений. Они ассоциируют с эклогитами и глубокометаморфизованными гранатовыми гнейсами. Мелкие алмазы в значительных количествах обнаружены в метеоритах. Они имеют очень древнее, досолнечное происхождение. Также они образуются в крупных астроблемах – гигантских метеоритных кратерах, где переплавленные породы содержат значительные количества мелкокристаллического алмаза. Известным месторождением такого типа является Попигайская астроблема на севере Сибири.

Алмазы редкий, но вместе с тем довольно широко распространённый минерал. Промышленные месторождения алмазов известны всех континентах, кроме Антарктиды. Известно несколько видов месторождений алмазов. Уже несколько тысяч лет алмазы добывались из россыпных месторождений. Только к концу XIX века, когда впервые были открыты алмазоносные кимберлитовая трубка, стало ясно, что алмазы не образуются в речных отложениях. Кроме этого алмазы были найдены в коровых породах в ассоциациях метаморфизма сверхвысоких давлений, например в Кокчетавском массиве в Казахстане.

И импактные, и метаморфические алмазы иногда образуют весьма масштабные месторождения, с большими запасами и высокой концентрацией. Но в этих типах месторождений алмазы настолько мелкие, что не имеют промышленной ценности. Промышленные месторождения алмазов связаны с кимберлитовыми и лампроитовыми трубками, приуроченными к древним кратонам. Основные месторождения этого типа известны в Африке, России, Австралии и Канаде.

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.

Источник

Поделиться с друзьями
Металл и камни