Кристаллическая решетка алмаза и его свойства

Алмаз — это минерал, который является кристаллической модификацией чистого углерода (С). Алмаз обладает самой большой из всех известных в природе материалов твёрдостью, благодаря которой он применяется во многих важных отраслях промышленности.

Алмаз

Известны три кристаллические модификации углерода: кубическая (сам алмаз) и две гексагональные — графит и лонсдейлит. Последняя найдена в метеоритах и получена искусственно.

Кристаллическая решетка алмаза

Кристаллическая решетка алмаза

Элементарная ячейка структуры алмаза имеет форму куба. Если говорить более научным языком, то алмаз кристаллизуется в кубической системе (так называемой «сингонии»).

В каждой вершине этого куба расположено по атому. По одному атому находится в центре каждой грани, четыре — внутри куба. Каждый из атомов, расположенных в центрах граней, является общим для двух ячеек, а каждый из атомов, находящихся в вершинах куба,— общим для восьми ячеек. Кубическая система — самая плотная упаковка атомов.

Попробуем выразить ту же мысль еще одним способом. Каждый атом углерода в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома. Каждый из атомов связан со своими четырьмя ближайшими соседями, симметрично расположенными по его вершинам (тетраэдра), наиболее «прочной» химической связью — ковалентной.

Различают несколько типов химической связи: ионная, ковалентная, металлическая, водородная.

Идеальный кристалл алмаза можно представить себе как одну гигантскую молекулу.

В результате получается очень плотное расположение атомов, прочные связи между которыми в структуре алмаза обусловливают его исключительную твердость  и другие характерные свойства.

Аллотропные модификации камня

Аллотропные модификации камня

Если химический состав алмаза — углерод в чистом виде, то стоит выяснить, что это за элемент, а также разобраться в его модификациях и физических формах. Согласно мнению ученых, это вещество изначально входило в газовое облако, из которого постепенно образовывались планеты. Так или иначе, в составе каждой из планет Солнечной системы присутствует углерод в каком-то агрегатном состоянии.

Если говорить о земной коре, то она на 0,14% состоит из этого неметаллического элемента. А также по одной из теорий происхождения человека считается, что углерод — один из четырех макроэлементов, являющихся «стройматериалом» тела.

Наиболее известные модификации одного углерода называют так:

  • алмаз — наиболее дорогая форма;
  • графит — известное вещество, которое используется в промышленности;
  • карбин;
  • лонсдейлит — содержится в метеоритах;
  • фуллерены — наиболее молодые формы, которые были открыты;
  • углеродные нанотрубки — применяются в каркасах к наноизделиям;
  • графен;
  • уголь — вещество, которое используется в качестве промышленного сырья для получения тепла;
  • сажа.

Казалось бы, что общего может быть у кристально чистого алмаза с графитом или углем? А вот состав этих веществ говорит об обратном и наглядно демонстрирует важность расположения атомов в кристаллической решетке. Притом, что кроме углерода, в веществах ничего нет.

Вполне реально, что кроме этих элементов, существуют другие не открытые формы. А их исследование во многом зависит от алмазов, поскольку во время работы с этим драгоценным камнем ученые пытаются расшифровать его структуру, чтоб производить искусственно, и, вместе с тем, находят новые модификации элемента.

Исходя из структуры алмаза, можно сделать вывод, что камень абсолютно прозрачен и пропускает весь видимый спектр через себя. Но ничего идеального в природе не существует. Поэтому даже у такого кристалла могут быть примеси в решетке.

Если рассматривать наиболее чистые экземпляры камня, то там содержится до 1018 атомов на 1 кубический сантиметр. И это нормальное явление, поскольку количество примесей зависит от процессов, в которых рос камень. И не факт, что посторонние вещества будут видны невооруженным глазом.

Среди примесей встречаются такие элементы, как:

  • азот;
  • кремний;
  • кальций;
  • магний;
  • бор;
  • алюминий.

Конечно, если их много, то от этого страдает чистота камня и, соответственно, падает стоимость. Или же такие алмазы направляют для использования в промышленность. При этом в алмазах встречаются не только твердые, но и жидкие и даже газообразные формы включений.

Они могут располагаться неравномерно, а также скапливаться в центре либо на периферии камня. Все они влияют на свойства камня, на его оттенок и способность преломлять свет. Например, азот влияет на люминисцентность алмаза.

По спектрам поглощения в ИК- и УФ-диапазонах выделяют три типа алмазов:

  • Первый тип. В них азот содержится либо в виде пар атомов и плоских встроек, либо в виде одиночных атомов, которые равномерно распределены по объему камня.
  • Второй тип. В них азот, как правило, отсутствует. В подтипе IIа нет примесей, а в подтипе IIб присутствуют атомы бора.
  • Третий тип может включать в себя примеси кремния.

Синтетические алмазы

Синтетические алмазы

Открытие аллотропных модификаций дало ученым надежду на синтетическое произведение алмазов. И у них отчасти это получилось, хотя сам процесс нельзя назвать легким. С химической точки зрения, тот же графит, например, должен получить сигма-связи.

Такие условия воссоздать можно только в самых мощных лабораториях под действием больших температур и давления.

  • HPHT — тип алмаза получается из растворения графита и оседания его в катализаторе на затравочном минерале. После этого вещество начинает выстраивать необходимые связи.
  • CVD тип — основывается на пленочном осаждении графита с использованием паров метана.
  • Метод взрывного синтеза — наиболее естественный, с использованием углерода под высоким давлением.

Пока даже эти методы осуществляются с трудом, поэтому стоимость алмазов остается высокой. Но технологии продолжают развиваться в этом направлении.

Свойства алмазов

Благодаря своему составу и строению, алмаз получил такие свойства, как:

  • Стойкость к воздействию химических веществ, кислот, щелочей.
  • Наивысшая твердость вещества (абсолютный показатель, который равняется 10 по шкале Мооса), но при этом хрупкость камня.
  • При нагреве без доступа кислорода взрывается и превращается в графит, а дальнейшее плавление алмаза аномально. С кислородом температура плавления находится на уровне 4 тысяч градусов по Цельсию.
  • 20-24 Вт/см — это показатель теплопроводности. Настоящий алмаз не нагреется, даже если его долго держать в руке.
  • Алмаз отлично подходит в роли изолятора.
  • Камень обладает уникальным свойством преломлять лучи и при этом светиться.
Если говорить об отличиях алмаза и графита, самого доступного для нас вещества, то стоит сказать, что свойства разнятся из-за строения кристаллической решетки. О строении алмаза уже известно, а вот у графита ситуация обстоит по-другому.

Его кристаллическая решетка имеет два типа связи: ковалентная сигма-связь находится только в одной плоскости, а в других плоскостях связь между атомами не такая устойчивая — ковалентная пи-связь.

Такое строение позволяет электронам графита перемещаться на другие уровни, а также этот эффект объясняет наличие металлических свойств графита. Решетка алмаза и графита обусловила свойства и применение каждого вещества.

В природе алмаз встречается в кимберлитовых и лампроитовых трубках. Считается, что камень сформировался под действием магмы, также есть версия о космическом происхождении алмаза. Сейчас основная добыча камня ведется в ЮАР, а также в Бразилии, Австралии и России, в частности, в Якутии.

Если позволяют внешние и химические свойства, то камень отправляется к ювелирам. В остальных случаях его используют в промышленности. В производстве используют такие типы, как: борт, баллас и карбонадо. Широко используются в качестве абразивов.

Камень замечательно нашел свои сферы применения. А вот его свойства, происхождение и строение решетки продолжает активно изучаться. Но пока ученые не смогли до конца понять все тонкости этого минерала.

Источники:

http://juvelirum.ru/spravochnik-po-yuvelirnym-kamnyam/almaz-brilliant/struktura-kristalla-almaza-i-ego-kristallicheskaya-reshetka/

https://okaratah.com/dragocennye/almaz/kristallicheskaya-reshetka-almaza.html


blank
Екатерина Илмас

Эзотерик и геммолог с академическим образованием в сфере минералогии и петрологии. Специалист сайта VseProKamni.ru. Посвятила изучению камней и минералов 15 лет.

Все про Камни
Добавить комментарий

Нажимая на кнопку "Отправить комментарий", я даю согласие на обработку персональных данных и принимаю политику конфиденциальности.

Adblock
detector