Курсовая работа: Алмаз и графит: свойства, значение, происхождение. Особенности и применение алмаза и графита Что общего между алмазом и графитом
Введение
1.1.Общая характеристика алмаза
1.2. Общая характеристика графита
2. Промышленные типы месторождений гранита и алмаза
3. Природные и технологические типы алмазосодержащих и графитовых руд
4. Разработка месторождений гранита и алмаза
5. Области применения гранита и алмаза
Заключение
Список используемой литературы.
Введение
Алмазная промышленность нашей страны находится в стадии развития, внедрения новых технологий обработки минералов.
Найденные месторождения алмазов вскрываются лишь процессами эрозии. Для разведчика это означает, что существует множество «слепых» месторождений, не выходящих на поверхность. Об их присутствии можно узнать по обнаруженным локальным магнитным аномалиям, верхняя кромка которых располагается на глубине в сотни, а если повезет – то в десятки метров. (А. Портнов).
Исходя из вышесказанного, я могу судить о перспективности развития алмазной промышленности. Именно поэтому я выбрала тему – «Алмаз и графит: свойства, происхождение и значение».
В своей работе я попыталась проанализировать связь между графитом и алмазом. Для этого сравнила эти вещества с нескольких точек зрения. Я рассмотрела общую характеристику данных минералов, промышленные типы их месторождений, природные и технические типы, разработку месторождений, области применения, значение данных минералов.
Несмотря на то, что графит и алмаз полярные по своим свойствам, они являются полиморфными модификациями одного и того же химического элемента - углерода. Полиморфные модификации, или полиморфы - это вещества, которые имеют одинаковый химический состав, но различную кристаллическую структуру. С началом синтеза искусственных алмазов резко возрос интерес к исследованию и поискам полиморфных модификаций углерода. В настоящее время, кроме алмаза и графита, достоверно установленными можно считать лонсдейлит и чаотит. Первый во всех случаях был найден только в тесном взаимопрорастании с алмазом и поэтому называется еще гексагональным алмазом, а второй встречается в виде пластинок, чередующихся с графитом, но расположенных перпендикулярно его плоскости.
1. Полиморфные модификации углерода: алмаз и графит
Единственный минералообразующий элемент алмаза и графита - это углерод. Углерод (С) - химический элемент IV группы периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева, атомный номер - 6, относительная атомная масса - 12,011(1). Углерод устойчив в кислотах и щелочах, окисляется только дихроматом калия или натрия, хлористым железом или алюминием. Углерод имеет два стабильных изотопа С(99,89%) и С(0,11%). Данные изотопного состава углерода показывают, что он бывает разного происхождения: биогенного, небиогенного и метеоритного. Многообразие соединений углерода, объясняющееся способностью его атомов соединяться друг с другом и атомами других элементов различными способами, обусловливает особое положение углерода среди других элементов.
1.1 Общая характеристика алмаза
При слове «алмаз» сразу же вспоминаются тайные истории, повествующие о поисках сокровищ. Когда-то люди, охотившиеся за алмазами, и не подозревали, что предметом их страсти является кристаллический углерод, который образует сажу, копоть и уголь. Впервые это доказал Лавуазье. Он поставил опыт по сжиганию алмаза, используя собранную специально для этой цели зажигательную машину. Оказалось, алмаз сгорает на воздухе при температуре около 850-1000*С, не оставляя твердого остатка, как и обычный уголь, а в струе чистого кислорода сгорает при температуре 720-800*С. При нагревании до 2000-3000*С без доступа кислорода он переходит в графит (это объясняется тем, что гомеополярные связи между атомами углерода в алмазе очень прочны, что обусловливает очень высокую температуру плавления.
Алмаз - бесцветное, прозрачное кристаллическое вещество, чрезвычайно сильно преломляющее лучи света.
Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии sp3-гибридизации. В возбужденном состоянии происходит распаривание валентных электронов в атомах углерода и образование четырёх неспаренных электронов.
Каждый атом углерода в алмазе окружен четырьмя другими, расположенными от него в направлении от центра в вершинах тетраэдра.
Расстояние между атомами в тетраэдрах равно 0,154 нм.
Прочность всех связей одинакова.
Весь кристалл представляет собой единый трехмерный каркас.
При 20*С плотность алмаза составляет 3,1515 гр/см. Этим объясняется его исключительная твердость, которая по граням различна и уменьшается в последовательности: октаэдр - ромбододекаэдр - куб. В то же время алмаз обладает совершенной спайностью (по октаэдру), а предел прочности на изгиб и сжатие у него ниже, чем у других материалов, поэтому алмаз хрупок, при резком ударе раскалывается и при дроблении сравнительно легко превращается в порошок. Алмаз обладает максимальной жесткостью. Сочетание этих двух свойств позволяет использовать его для абразивных и других инструментов, работающих при значительном удельном давлении.
Показатель преломления (2,42) и дисперсия (0,063) алмаза намного превышают аналогичные свойства других прозрачных минералов, что в сочетании с максимальной твердостью обусловливает его качество как драгоценного камня.
В алмазах обнаружены примеси азота, кислорода, натрия, магния, алюминия, кремния, железа, меди и других, обычно в тысячных долях процента.
Алмаз чрезвычайно стоек к кислотам и щелочам, не смачивается водой, но обладает способностью прилипать к некоторым жировым смесям.
Алмазы в природе встречаются как в виде хорошо выраженных отдельных кристаллов, так и поликристаллических агрегатов. Правильно образованные кристаллы имеют вид многогранников с плоскими гранями: октаэдр, ромбододекаэдр, куб и комбинации этих форм. Очень часто на гранях алмазов имеются многочисленные ступени роста и растворения; если они неразличимы глазом, грани кажутся искривленными, сферическими, в форме октаэдроида, гексаэдроида, кубоида и их комбинаций. Различная форма кристаллов обусловлена их внутренним строением, наличием и характером распределения дефектов, а также физико-химическим взаимодействием с окружающей кристалл средой.
Среди поликристаллических образований выделяются - баллас, карбонадо и борт.
Баллас - это сферолитовые образования с радиально-лучистым строением. Карбонадо - скрытокристаллические агрегаты с размером отдельных кристаллов 0,5-50 мкм. Борт - яснозернистые агрегаты. Балласы и особенно карбонадо имеют самую высокую твердость из всех видов алмазов.
Рис.1 Строение кристаллической решетки алмаза.
Рис.2 Строение кристаллической решетки алмаза.
1.2 Общая характеристика графита
Графит - серо-черное кристаллическое вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь, по твердости уступает даже бумаге.
Структура графита слоистая, внутри слоя атомы связаны смешанными ионно-ковалентными связями, а между слоями - существенно металлическими связями.
Атомы углерода в кристаллах графита находятся в sp2-гибридизации. Углы между направлениями связей равны 120*. В результате образуется сетка, состоящая из правильных шестиугольников.
При нагревании без доступа воздуха графит не претерпевает никакого изменения до 3700 *С. При указанной температуре он выгоняется, не плавясь.
Кристаллы графита - это, как правило, тонкие пластинки.
В связи с низкой твердостью и весьма совершенной спайностью графит легко оставляет след на бумаге, жирный на ощупь. Эти свойства графита обусловлены слабыми связями между атомными слоями. Прочностные характеристики этих связей характеризуют низкая удельная теплоемкость графита и его высокая температура плавления. Благодаря этому, графит обладает чрезвычайно высокой огнеупорностью. Кроме того, он хорошо проводит электричество и тепло, устойчив при воздействии многих кислот и других химических реагентов, легко смешивается с другими веществами, отличается малым коэффициентом трения, высокой смазывающей и кроющей способностью. Все это привело к уникальному сочетанию в одном минерале важных свойств. Поэтому графит широко используется в промышленности.
Содержание углерода в минеральном агрегате и структура графита являются главными признаками, определяющими качество. Графитом часто называют материал, который, как правило, не является не только монокристаллическим, но и мономинеральным. В основном имеют в виду агрегатные формы графитового вещества, графитовые и графитсодержащие породы и продукты обогащения. В них, кроме графита, всегда присутствуют примеси (силикаты, кварц, пирит и др.). Свойства таких графитовых материалов зависят не только от содержания графитового углерода, но и от величины, формы и взаимных отношений кристаллов графита т.е. от текстурно-структурных признаков используемого материала. Поэтому для оценки свойств графитовых материалов необходимо учитывать как особенности кристаллической структуры графита, так и текстурно-структурные особенности других их составляющих.
Рис.3. Строение кристаллической решетки графита.
Рис.4. Вкрапленники графита в кальците.
2. Промышленные типы месторождений алмаза и графита
Месторождения алмазов подразделяются на россыпные и коренные, среди которых выделяются типы и подтипы, различающиеся по условиям залегания, формам рудных тел, концентрациям, качеству и запасам алмазов, условиям добычи и обогащения.
Коренные месторождения алмазов кимберлитового типа во всем мире являются основными объектами эксплуатации. Из них добывается около 80% природных алмазов. По запасам алмазов и размерам они разделяются на уникальные, крупные, средние и мелкие. С наибольшей рентабельностью отрабатываются верхние горизонты выходящих на дневную поверхность уникальных и крупных месторождений. В них сосредоточены основные запасы и прогнозные ресурсы алмазов отдельных алмазоносных кимберлитовых полей. Кимберлиты – это «вулканические жерла», заполненные брекчией. Брекчия состоит из обломков и ксенолитов, окружающих и осевших сверху пород, из обломков пород, вынесенных с глубин 45-90 км и более. Цементом является вулканический материал, туфы щелочно-ультроосновного состава, так называемые кимберлиты и лампроиты. Кимберлитовые трубки располагаются на платформах, лампроитовые – в их складчатом обрамлении. Время образования трубок разное – от архея до кайнозоя, а возраст алмазов, даже самых молодых из них, составляет около 2-3 млрд. лет. Образование трубок связано с прорывом вверх по узким каналам под большим давлением, на глубине свыше 80 км, при температуре около 1000*щелочно-ультроосновных расплавов. Большинство хорошо изученных кимберлитовых тел имеет сложное строение; в наиболее упрощенном случае в строении трубки участвуют две основные разновидности пород, образовавшихся в ходе двух последовательных фаз внедрения: брекчия (1-й этап) и массивный «крупнопорфировый» кимберлит (2-й этап). В строении некоторых кимберлитовых трубок выявлены также кимберлитовые дайки и жилы, связанные с трубками. Обнаружены слепые тела, образованные порциями кимберлитовой магмы, не доходившими до дневной поверхности. Месторождения, связанные с дайками и жилами кимберлитов, как правило, относятся к категории мелких, реже средних по запасам алмазов Во многих случаях прорыв вверх достигал палео-поверхности, но многие трубки взрыва могут быть «слепыми» и до сих пор не вскрыты эрозией, т.е. залегают где-то на глубине. Но и на поверхности Земли есть места, где возникают давления вполне достаточные для образования алмаза. Это места удара метеоритов, где алмаз встречается не только в Земле, но и в ряде самих метеоритов.
Для обычного человека алмаз и графит – это два совершенно не похожих и никак не связанных друг с другом элемента. Алмаз вызывает ассоциации с переливающимися драгоценностями, вспоминается выражение «блестит как алмаз». Графит – нечто серое, то, из чего обычно делают карандашные грифели.
Трудно поверить, что оба минерала – это одно и то же вещество разной формы обработки.
Понятие и основные характеристики минералов
Алмазом называют прозрачный кристалл, не имеющий цвета, обладающий высокими характеристиками преломления света. Выделяют следующие основные свойства минерала:
Природа зарождает как алмазы определенных форм, так и в нескольких кристаллических формах, что обусловлено его внутренним строением. Ярко выраженные кристаллы имеют форму куба или тэтраэдра с плоскими гранями. Иногда грани кажутся рельефными из-за наличия невидимых глазу многочисленных наростов и преобразований.
Хотя многие считают алмаз самым прочным материалом на свете, но науке известно вещество превосходящее алмаз по прочности более чем на 11% — «гипералмаз».
Графит представляет собой кристаллическое вещество серо-черного цвета, обладающее металлическим блеском. По составу графит имеет слоистую структуру, его кристаллы состоят из мелких тонких пластинок. Это очень хрупкий минерал, напоминающий по внешнему виду сталь или чугун. У графита низкая теплоемкость, но высокая температура плавления. Кроме того, этот минерал:
На ощупь графит жирный, а при проведении по бумаге оставляет следы. Это происходит из-за того, что атомы кристаллической решетки слабо связаны.
Отличие графита от алмаза, особенности строения и процесс перехода одного минерала в другой
Алмаз и графит – аллотропные по отношению друг к другу минералы, то есть имеют различные свойства, но являются разными формами углерода. Их основное отличие заключается лишь в химическом строении кристаллической решетки.
Кристаллическая решетка алмаза имеет вид тэтраэдра, в котором каждый атом окружен еще 4 атомами и является вершиной соседнего тэтраэдра, образуя бесконечное множество атомов, имеющих прочные ковалентные связи.
Графит на атомном уровне состоит из пластов шестиугольников с вершинами-атомами. Атомы хорошо связаны между собой только на уровне пластов, но пласты между собой сильной связи не имеют, что делает графит мягким и нестойким к разрушению. Именно эта особенность и позволяет получить из графита алмаз.
Физические и химические свойства алмаза и графита хорошо видны из таблицы.
| Характеристика | ||
|---|---|---|
| Строение атомной решетки | Кубическая форма | Гексагональная |
| Светопроводимость | Хорошо проводит свет | Не пропускает свет |
| Электропроводимость | Не обладает | Имеет хорошую электропроводимость |
| Связи атомов | Пространственные | Плоскостные |
| Структура | Твердость и хрупкость | Слоистость |
| Максимальная температура, при которой минерал остается неизменным | 720 по Цельсию | 3700 по Цельсию |
| Цвет | Белый, голубой, черный, желтый, бесцветный | Черный, серый, стальной |
| Плотность | 3560 кг/м.куб. | 2230 кг/м.куб. |
| Использование | Ювелирное дело, промышленность | Литейное производство, электроугольная промышленность. |
| Твердость по шкале Мооса | 10 | 1 |
Химическая формула алмаза и графита одна и та же – углерод (С), но процесс создания в природе разный. Алмаз возникает при очень высоких давлениях и мгновенном охлаждении, а графит, наоборот, при низком давлении и высокой температуре.
Выделяют следующие методы получения алмазов:
Процесс алмаза в графит аналогичен. Разница лишь в показателях давления и температуры.
Месторождение минералов
Алмазы пролегают на глубинах более 100 км при температуре 1300 ̊С. От взрывной волны вступает в действие кимберлитовая магма, образуя так называемые кимберлитовые трубки, которые и являются коренными месторождениями алмазов.
Кимберлитовая трубка названа в честь африканской провинции Кимберли, где она и была впервые открыта. Породы с алмазными залежами называют кимберлитами.
Самые известные ныне месторождения находятся в Индии, Южной Африке и в России. На коренных месторождениях, состоящих из кимберлитовых и лампроитовых трубок, добывают до 80% всех алмазов.
Найти алмазы в добытой породе помогают рентгеновские лучи. Большинство найденных камней используется в промышленности, так как не обладают достаточными характеристиками для ювелирной области. Промышленные камни разделяют на 3 вида:
- борт – мелкие камни, имеющие зернистую структуру;
- баллас – камни круглой или грушевидной формы;
- карбонадо – камень черного цвета, получивший свое название из-за сходства с углем.
Любопытно, что наиболее крупные и выдающиеся по характеристикам алмазы получают свое уникальное название. Самые известные из них – «Шах», «Звезда Минаса», «Кохинур», «Звезда Юга», «Президент Варгас», «Минас-Жерайс», «Английский алмаз Дрездена» и др.
Графит образуется в результате видоизменения осадочных пород. Мексиканские, ногинские и мадагаскарские графитовые месторождения богаты рудой с графитом низкого качества. Менее распространенные – ботогольский и цейлонский тип, отличаются рудой, богатой высоким содержанием графита. Крупнейшие известные месторождения находятся на Украине и в Краснодарском крае.
Сфера применения
Алмаз и графит используют гораздо шире, чем может показаться на первый взгляд. Алмазы нашли свое применение в следующих сферах:
В процентном соотношении использования алмазов выглядит так:
- Инструменты, машинные детали – 60%.
- Обрамление шлифовочных кругов -10%.
- Переработка проволоки-10%.
- Бурение скважин – 10%.
- Ювелирные изделия, мелкие детали – 10%.
Что касается графита, то в чистом виде он практически не используется, а подвергаются предварительной обработке, хотя в разных сферах используется графит разного качества. Для канцелярских карандашей используют графит высочайшего качества. Наиболее широкое применение нашло в литейном производстве, обеспечивая гладкую поверхность различных форм стали. Здесь используется практически необработанный графит.
Электроугольная промышленность наряду с природным использует искусственно созданный графит, также получивший широкое применение благодаря особой чистоте и постоянству состава. Электропроводимость сделала графит материалом для электродов электрических приборов. В металлургии используется как смазочный материал.
Алмаз и графит – одинаковые по составу, но по-своему уникальные вещества. Польза графита для различных отраслей промышленности гораздо выше алмаза.
Алмаз же, призванный радовать своей красотой, неоценим для экономики, принося огромные доходы от применения в ювелирной промышленности.
Всем известны такие вещества, как графит и алмаз. Графит встречается повсюду. Например, из него делают стержни для простых карандашей. Графит - это вещество вполне доступное и дешевое. Но такое вещество, как алмаз, крайне отличается от графита. Алмаз - это самый дорогой камень, очень редкий и прозрачный, в отличие от графита. В это трудно поверить, но химическая формула графита совпадает с формулой алмаза. В данной статье мы разберем, как такое возможно.
Графит: история и свойства минерала
История графита насчитывает тысячи лет, поэтому точный год начала его применения установить крайне трудно. Графит знаменит тем, что хорошо проводит электрический ток. Кроме того, этот минерал является очень хрупким. Поэтому из него делают стержни для карандашей.
К химическим свойствам минерала можно отнести образование соединений включения со многими веществами, такими как соли и Минерал не растворяется в кислотах.
Формула графита - C, то есть он является одной из знаменитого шестого элемента таблицы Менделеева - углерода.
Алмаз: история и свойства минерала
История алмаза очень необычна. Считается, что первый алмаз был найден в Индии. В то время человечество так и не смогло понять всю силу этого камня. Геологам было лишь известно, что этот камень очень твердый и прочный. До 15 века алмазы стоили намного меньше, чем изумруды и рубины. И только потом неизвестный ювелир в процессе работы с камнем придал ему красивую огранку, которую позже стали называть бриллиантовой. Вот тогда-то камень и показал себя во всей своей красе.
Главным образом алмазы используют в промышленности. Этот минерал самый прочный на всем свете, именно поэтому из него делают абразивы, резцы для обработки прочных металлов и многое другое.
Как нам уже известно, формула графита в химии - C, такую же формулу имеет и алмаз.
Различия между алмазом и графитом
Несмотря на то что минералы имеют схожие химические формулы, они резко отличаются друг от друга как внешним видом, так и с химической точки зрения.
Прежде всего, алмаз и графит имеют совершенно различную друг от друга структуру. Ведь графит состоит из сетки шестиугольников, тогда как алмаз имеет кубическую кристаллическую структуру. Хрупкость графита обуславливается тем, что связь между его слоями нарушить очень легко, его атомы спокойно отделяются друг от друга. Из-за этого графит легко поглощает свет, сам он очень темный, в отличие от алмаза.
Отличается тем, что один атом углерода окружен еще четырьмя атомами в виде четырехгранного треугольника или пирамиды. Каждый атом находится на одинаковом расстоянии друг от друга. Связь у атомов очень крепкая, именно поэтому алмаз является таким твердым и прочным. Еще одно свойство алмаза - это то, что он может проводить свет, в отличие от графита.
Странно ли, что формула графита совпадает с формулой алмаза, но при этом минералы совершенно разные? Нет! Ведь алмаз создается природой при огромном давлении, а затем очень быстром охлаждении, тогда как графит возникает при низком давлении, но очень высокой температуре.
вещества?
Аллотропные вещества - это очень важное понятие в химии. Это основа основ, которая позволяет отличать вещества друг от друга.
В школе аллотропные вещества изучают на примере графита и алмаза, а также их различии. Итак, изучив различия алмаза и графита, можно сделать вывод, что аллотропия - это существование в природе двух и более веществ, которые различаются по своему строению и свойствам, но имеют схожую химическую формулу или относятся к одному химическому элементу.
Получение алмаза из графита
Формула графита - C - позволила ученым произвести множество опытов, вследствие чего были найдены аллотропные вещества графита.
Преподаватели рассказывают и школьникам, и студентам о том, как ученые пытались создать алмазы из графита. Эта история очень интересная и увлекательная, а еще она позволяет запомнить о существовании таких аллотропных веществ, как графит и алмаз, и об их различиях.
Некоторое время назад ученые пытались создать алмазы из графита. Они считали, что если формула алмаза и графита одинакова, то они смогут создать алмаз, ведь камень очень дорогой и редкий. Теперь мы знаем, что минерал алмаз появляется в природе при высоком давлении и мгновенном охлаждении. Поэтому ученые решили взорвать ѓрафит, тем самым создав нужные условия для образования алмаза. И на самом деле случилось чудо, после взрыва на графите образовались очень маленькие кристаллы алмаза.
Применение графита и алмаза
На сегодняшний день и графит, и алмаз используют главным образом в промышленности. Но примерно 10 % от всей добычи алмазов идет на ювелирное дело. Чаще всего из графита изготавливают карандаши, так как он очень хрупкий и ломкий, при этом оставляет следы.
Алмаз известен людям с незапамятных времен. Старинные легенды позволяют предполагать, что первые находки алмазов в Индии относятся к третьему тысячелетию до нашей эры. Не менее чем за пять веков до начала современного летосчисления с алмазом познакомились древние греки, поскольку к этому времени относится греческая бронзовая статуэтка, глазами которой служат два неотшлифованных алмаза. Высказываются предположения, что в Грецию алмазы были завезены из Индии. В Европу заметное количество индийских алмазов начало поступать только в XIII в. Долгое время исключительно высокая твердость камня являлась непреодолимым препятствием для европейских ювелиров, и все попытки обработать этот минерал терпели неудачу. Лишь в середине XV в. голландцу Ван-Беркену удалось огранить алмазы, шлифуя их друг о друга. Долго оставался неизвестным и химический состав таинственного камня, не поддававшегося воздействию самых сильных кислот и щелочей. Некоторые ученые даже думали, что алмаз состоит из особого химического элемента - алмазной земли. В середине XVII в. во Флоренции ставились опыты по нагреванию в закрытых сосудах алмазов и рубинов. При этом было установлено, что рубины не претерпевали никаких изменений, а от алмазов не оставалось "ни малейшего следа". Это казалось совершенно необъяснимым, и лишь много позднее выяснилось, что кристаллы алмаза, нагреваемые в окружении кислорода, попросту сгорают.
Показательное сжигание алмаза в конце XVIII в. было проведено в Петербургском горном училище (ныне Ленинградский горный институт). Этот опыт, по-видимому, имел целью доказать невозможность искусственного получения крупных алмазов путем сплавления мелких кристаллов. К этому же времени относятся многочисленные опыты по сжиганию алмазов, проводившиеся в различных странах Западной Европы.
Большое внимание этим опытам уделял и знаменитый французский химик А. Лавуазье, поскольку "бесследное" исчезновение алмаза при нагревании противоречило закону сохранения материи. Он смог определенно сказать лишь то, что алмаз принадлежит к классу горючих тел и что продуктом сгорания его является газообразное вещество. Отметив возможное родство алмаза с углеродом, ученый все же не решился отождествить сверкающий камень с углем и не сделал окончательного вывода о составе алмаза. Он писал, что, может быть, никогда нельзя будет определить состав этого минерала.
Однако уже на рубеже XVIII и XIX вв. химическая природа алмаза была точно установлена. Английский химик П. Теннан в 1797 г. сжег алмаз в плотно закрытом золотом сосуде, заполненном кислородом, и установил, что образовавшийся при этом газ является двуокисью углерода. Поскольку первоначально в сосуде кроме алмаза и кислорода ничего не было, то, следовательно, алмаз в химическом отношении является чистым углеродом. Чтобы окончательно убедиться в правильности сделанного вывода, П. Теннан определил количество углерода в заполняющем сосуд углекислом газе. Оказалось, что оно в точности соответствует массе сгоревшего алмаза.
Таким образом, алмаз состоит из одного химического элемента - углерода. Аналогичный химический состав (не считая случайных и механических примесей) имеют графит, древесный и каменный уголь, сажа, т. е. весьма распространенные и далеко не самые привлекательные по внешнему виду вещества. А если это так, то в чем же причина совершенно различного облика столь разных физических и химических свойств этих веществ?
Исключительную по своей прозорливости мысль высказал М. В. Ломоносов: причиной необычайной твердости алмаза является "сложение его из частиц, тесно соединенных". Предвидение гениального ученого подтвердилось почти через два столетия, в начале XX в., когда с помощью рентгеновских лучей удалось расшифровать атомную структуру алмаза и графита. Были установлены существенные различия в пространственном расположении слагающих эти вещества элементарных частиц - атомов.
В алмазе атомы углерода размещаются очень плотно, причем каждый из них прочно связан с четырьмя окружающими его атомами (рис. 13).
Совершенно иной вид имеет кристаллическая решетка графита. Структура ее образована параллельными слоями сеток, состоящих из шестиугольников с атомами углерода в вершинах. Слои отстоят на 3,39 Å (Å - сокращенное обозначение единицы длины, равной 10 -8 см, которая называется "ангстрем" ) один от другого и последовательно сдвинуты, так что в проекции совмещается только половина атомов углерода, а остальная часть их проецируется в центре ячеек сетки нижних и верхних слоев (рис. 14). Связь между слоями атомов в графите осуществляется посредством легкоподвижных электронов. Такая связь придает веществу металлические свойства: непрозрачность, блеск, высокую электропроводность. Атомы в каждом отдельно взятом слое связаны достаточно прочно, а связь между слоями слабая. Этим обусловливается весьма высокая способность расщепляться на тонкие пластинки и чрезвычайно малая твердость графита по направлению, параллельному слоистости кристаллической решетки минерала.
Образование одинаковых по химическому составу веществ, различающихся кристаллической структурой решетки, называется полиморфизмом, а сами такие вещества называются полиморфными модификациями. Следовательно, алмаз и графит являются полиморфными модификациями углерода.
Рассмотрим важнейшие свойства алмаза и проследим их связь с внутренним строением минерала.
Хотя алмаз в чистом виде состоит только из атомов углерода, реальные природные кристаллы этого минерала постоянно содержат примеси других веществ. Минимальные количества примесей характерны для бесцветных и слабоокрашенных прозрачных алмазов. При сжигании таких камней количество золы не превышает 0,02-0,05% от их массы. В замутненных и особенно в непрозрачных разновидностях алмаза содержание золы достигает нескольких процентов.
Спектральным анализом в составе золы установлены кремний, магний, кальций, алюминий, железо, титан и некоторые другие химические элементы.
Наряду с мельчайшими включениями в алмазах нередко присутствуют и сравнительно крупные посторонние частицы: чаще всего графит, несколько реже минералы, являющиеся по химическому составу силикатами (оливин, пироксены), алюмосиликатами (гранаты) и сложными окислами (хромшпинелиды). В крупных кристаллах алмаза довольно обычны также включения его мелких кристалликов.
Плотность алмаза около 3,52. Эта величина типична для чистых хорошо образованных кристаллов. У мелкозернистых агрегатов, часто содержащих включения графита и обладающих не вполне массивным сложением, плотность существенно ниже и у отдельных разновидностей карбонадо опускается до 3,0. Для сравнения укажем, что плотность графита не превышает 2,23. Таким образом, "рыхлость" атомной структуры графита привела к более чем полуторакратному снижению плотности.
Цвет и особенности светопреломления алмаза рассмотрены в предыдущей главе, а здесь мы остановимся еще на одном весьма интересном и важном его свойстве, которое также тесно связано с внутренним строением. Речь пойдет о люминесценции. Люминесценцией называется способность некоторых природных и синтетических веществ светиться под действием рентгеновских, ультрафиолетовых и катодных лучей, что принято обозначать специальными терминами: рентгенолюминесценция, фотолюминесценция, катодолюминесценция.
Большинство алмазов обладает всеми тремя видами люминесценции. Некоторые кристаллы при этом светятся голубым, другие зеленым, желтым или розовым светом. Темноокрашенные (бурые, черные и т. п.) и ожелезненные кристаллы, а также некоторые прозрачные их разновидности не люминесцируют.
Наиболее изучены рентгено- и фотолюминесценция алмаза, которые используются при проведении геологопоисковых работ, о чем подробнее рассказывается в заключительных главах. Некоторые исследователи связывают люминесценцию с присутствием посторонних примесей, другие указывают на причинную связь этого явления со специфическими особенностями кристаллической решетки минерала.
Чистые кристаллы прозрачны не только для световых, но и для рентгеновских лучей, что позволяет легко определять алмазы среди сходных по внешнему облику минералов, а также отличать бриллианты от всевозможных подделок. А вот ультрафиолетовые лучи многие алмазы совершенно не пропускают.
Твердость является, как уже отмечалось, весьма важным свойством алмаза, определяющим его исключительно большую роль в производственной деятельности человека. Под твердостью обычно подразумевается сопротивление одного тела проникновению в него другого. Для качественного определения относительной твердости минералов широко используется так называемая шкала твердости (шкала Мооса), предложенная в начале XIX в. Шкала включает десять минералов-эталонов, расположенных в порядке возрастания твердости. При этом порядковые номера эталонов принимаются в качестве баллов твердости.
Минералогическая шкала твердости
Твердость веществ на основе шкалы Мооса определяют, с усилием проводя ребром или острым сколом изучаемого объекта по гладкой поверхности какого-либо эталонного минерала. Если вещество тверже взятого эталона, то на поверхности последнего остаются бороздки, царапины. При меньшей твердости изучаемого вещества относительно минерала-эталона оно не оставляет царапин на его поверхности. При равной твердости объекта и эталона неглубокие царапинки остаются на каждом из них. Алмаз, обладающий наивысшей твердостью, оставляет глубокие борозды на всех минералах и при этом сам не претерпевает ни малейших изменений.
Существуют и более точные, но вместе с тем и значительно более сложные способы определения твердости. Не останавливаясь на их описании, упомянем о двух наиболее широко применяемых. Один из них основан на учете скорости сошлифовки (обдирки) испытываемого вещества при стандартных условиях. Другой способ заключается в измерениях, выполняемых с помощью специального прибора - твердометра. Рабочим органом его служит четырехгранная (а для замеров на особо твердых телах трехгранная) алмазная пирамидка. Острие пирамидки под определенной нагрузкой вдавливают в полированную поверхность изучаемого объекта и по величине получающегося углубления вычисляют показатель твердости (микротвердость) вещества в килограмм-силах на квадратный миллиметр. Величина этого показателя составляет для талька 2,4, кальцита 109, апатита 536, кварца 1120, корунда 2060, алмаза 10060.
Твердость алмазов, как и других минералов, не остается постоянной на различных гранях одного и того же кристалла. Ювелиры давно заметили, что при шлифовке кристаллов алмаза наименьшее сопротивление оказывают грани куба, несколько большее - ромбододекаэдрические грани и наибольшее - грани октаэдра. Детальными исследованиями в наше время установлены ощутимые колебания твердости даже по различным направлениям в пределах единой грани кристалла.
Доказано, что твердость различных граней алмазных кристаллов находится в прямой зависимости от плотности расположения атомов углерода на плоскостях, соответствующих той или иной грани. Такие плоскости, включая не только поверхности граней, но и бесчисленное множество параллельных им плоскостей внутри кристалла, называются плоскими сетками. Количество атомов, приходящееся на единицу поверхности плоской сетки, принимается за ее плотность. Плотность октаэдрических, ромбододекаэдрических и кубических сеток в алмазе выражается отношением 2,308:1,414:1. В этой же последовательности, как уже отмечалось, убывает и твердость граней кристаллов.
Аналогичной закономерности подчиняется распределение твердости и по различным направлениям в пределах каждой отдельно взятой грани: относительно пониженной твердостью обладают те направления, которые характеризуются наибольшими расстояниями между атомами (рис. 15).
Широко известны существенные различия в средней твердости алмазов из разных месторождений. Основными причинами этого являются, по всей вероятности, наличие или отсутствие некоторых примесей в алмазах и изменчивость степени совершенства кристаллической решетки, которая в зависимости от физических и химических условий кристаллизации алмаза может иметь большее или меньшее число всевозможных дефектов.
Следует подчеркнуть, что даже самые "мягкие" алмазы во много раз превосходят по твердости корунд и все остальные минералы.
Наряду с исключительно высокой твердостью алмаз обладает свойством раскалываться под воздействием достаточно сильных и резких механических воздействий, ударов. При этом независимо от внешней формы алмазов они, как правило, раскалываются по плоскостям, параллельным граням октаэдра. Способность кристаллов колоться по определенным поверхностям, параллельным их граням, в минералогии называется спайностью. Поскольку октаэдр имеет восемь попарно параллельных граней, то, следовательно, спайность алмаза параллельна четырем плоскостям.
Спайность по плоскостям октаэдра у кристаллов алмаза обусловлена неравномерным расположением парных плоских атомных сеток, ориентированных параллельно граням октаэдра. Расстояние между двумя парами этих сеток почти втрое больше расстояния между сетками, образующими каждую пару. Спайность алмаза при его обработке позволяет вместо сошлифовки откалывать кусочки кристалла, обладающие дефектами или мешающие приданию необходимой формы бриллиантам и всевозможным техническим изделиям из алмаза (фильерам, резцам и др.).
Алмаз является хорошим проводником тепла. При трении он электризуется. Выше уже упоминалось, что некоторые алмазы обладают полупроводниковыми свойствами и относятся к полупроводникам р-типа. Энергия активации акцепторов у них составляет 0,35-0,40 эв, а удельное сопротивление в интервале температур от -100 до 600° С изменяется в пределах 250-750 ом*см.
Предполагается, что полупроводниковые свойства алмазов обусловлены наличием в них примеси бора.
Весьма важным и интересным свойством алмазов является также возникновение световых вспышек и импульса электрического тока при попадании в кристалл быстрых заряженных частиц. Световые вспышки (сцинтилляции) в алмазах настолько интенсивны, что любой источник ядерного излучения с энергией выше лишь нескольких тысяч электрон-вольт надежно регистрируется при использовании обычных фотоэлектронных умножителей.
Интенсивность сцинтилляции мало зависит от энергии электронов. Она почти постоянна при температуре ниже -50° С, но с повышением температуры убывает и исчезает полностью при 100° С. Какой-либо связи между сцинтилляционной способностью и другими свойствами алмаза пока не установлено. Исследования в интервале -125÷+ 230°С показали, что счетная способность и фотопроводимость алмаза увеличиваются с понижением температуры. Достоинствами алмазных счетчиков являются прочность, стабильность, долговечность даже в весьма агрессивных средах, а также в окружении сильных магнитных и гравитационных полей.
Алмаз не поддается воздействию самых сильных кислот (соляной, серной, азотной, плавиковой), даже доведенных до кипения. Не реагирует он и со щелочами. И лишь в расплавах едких щелочей, селитры или соды алмаз окисляется и сгорает.
Опыты по нагреванию алмаза, начатые в середине XVII в. во Флоренции, были продолжены в наше время. Установлено, что при нагреве на воздухе до 850-1000° С алмаз сгорает. В струе чистого кислорода он загорается при 720-800° С. Начав гореть при слабом красном калении, камень быстро раскаляется добела и горит голубым пламенем.
Нагревание при нормальном атмосферном давлении без доступа кислорода до температуры выше 1200-1500° С приводит к превращению алмаза в графит. Процесс этот довольно медленный, причем скорость превращения возрастает при повышении температуры. Графитизация начинается на вершинках и ребрах, распространяется на всю поверхность кристалла, а затем и на внутренние части его. В итоге вместо сверкающего кристалла алмаза получаем тусклый черный агрегат графита, имеющий форму исходного камня, но несколько большего объема (из-за различий в плотности алмаза и графита). Обратного перехода графита в алмаз в условиях атмосферного давления осуществить не удается ни путем нагрева или охлаждения, ни какими-либо другими способами.
Таким образом, при атмосферном давлении устойчивой модификацией углерода является графит, а алмаз в этих условиях представляет собой неустойчивую (метастабильную) модификацию данного вещества. Если так, то возникают два вполне естественных вопроса. Во-первых, почему алмаз переходит в графит только при сильном нагреве, а при обычной температуре не изменяется на протяжении тысяч и, как увидим в последующих главах, даже сотен миллионов лет? Во-вторых, при каких же условиях происходит кристаллизация углерода в форме алмаза?
Ответ на первый из поставленных вопросов дают результаты исследований физико-химических процессов образования горных
Штриховые участки границ экспериментального подтверждения не имеют.
пород и минералов. Установлено, что реакции полиморфного превращения (в отличие, например, от плавления) протекают с большим трудом и незначительной скоростью. Для начала перехода одной модификации в другую, более устойчивую, необходимо, чтобы составляющие кристалл частицы (атомы, ионы) обладали определенным количеством энергии, достаточным для преодоления "энергетического барьера" при перестройке кристаллической структуры. Чем ниже температура, тем меньше вероятность преодоления такого "барьера" и скорость превращения.
При низких температурах скорость превращения может стать равной нулю и тогда метастабильная модификация будет сохраняться неопределенно долго.
Малая скорость превращения характерна для случаев, когда полиморфные модификации сильно различаются по своему кристаллическому строению. Именно благодаря очень сильным различиям в структуре кристаллических решеток не происходит самопроизвольного превращения алмаза в графит при обычных температурах на земной поверхности.
Ответ на второй вопрос - об условии кристаллизации углерода в виде алмаза - был получен в итоге теоретических исследований, результаты которых полностью подтвердились экспериментальными проверками.
Советский ученый О. И. Лейпунский на базе теоретических предпосылок рассчитал, что для превращения графита в алмаз в твердой фазе необходимы давление около 60000 кгс/см 2 и температура 1700-1800° С. Он указывал также на возможное образование алмаза и при несколько меньших давлениях, если использовать вещества, характеризующиеся относительно невысокой температурой плавления и достаточной растворимостью углерода. В качестве одного из таких веществ называлось железо.
Таблица 2. Сопоставление некоторых свойств алмаза и графита
| Свойства | Алмаз | Графит |
| Структура | Атомы углерода размещаются плотно и каждый из них прочно связан с четырьмя окружающими атомами | Слоистая, образованная параллельными слоями шестиугольной сетки; связь между слоями слабая |
| Твердость по шкале Мооса | 10 (наивысшая) | 1 (минимальная) |
| Плотность | 3,47-3,56 | 2,21-2,23 |
| Ударная вязкость | Хрупкий | Вязкий |
| Спайность | Средняя по четырем направлениям (плоскостям) | Весьма совершенная по одной плоскости |
| Окраска | Бесцветная, желтая, бурая, серая, реже черная, синяя и красная | Серо-стальная и черная |
| Блеск | Сильный (алмазный) | Металлический |
| Электропроводность | Слабая (полупроводник р-типа, при трении электризуется) | Хорошая |
| Химическая стойкость | Не поддается воздействию кислот при комнатной температуре и кипячении. Сгорает в расплавах щелочей. На воздухе сгорает при 850-1000° С, в струе кислорода - при 720-800° С. Без доступа воздуха при нагревании выше 1200° С переходит в графит | С кислотами не реагирует. Сгорает в расплавах щелочей. Плавится при 3850 ±50° С |
В конце 50-х-начале 60-х годов XX в. термодинамические расчеты стабильности алмаза и графита при различных давлениях и температурах проводились многими исследователями.
Расчеты выполнялись с различными степенями приближения, но все они свидетельствуют о том, что образование алмаза возможно только при высоких давлениях, измеряемых десятками тысяч килограммов на квадратный сантиметр (рис. 16). Теоретические выводы о необходимости для образования алмаза высоких давлений полностью подтверждены экспериментально (рис. 17) и нашли широкое практическое применение. Заводы по изготовлению искусственных алмазов работают сейчас во многих странах мира, и общая продукция их исчисляется десятками миллионов карат. Подробнее эти вопросы рассматриваются в следующей главе.
Главнейшие различия между рассмотренными полиморфными модификациями углерода суммированы в табл. 2.
Недавно появились сообщения о том, что в Институте элементоорганических соединений Академии наук СССР получена новая, третья форма кристаллического углерода - карбин. В качестве исходного вещества при синтезе использовался ацетилен. Карбин, как и некоторые разновидности алмаза, обладает свойствами полупроводника и фотопроводимостью. Отмечалось присутствие близких к карбину форм кристаллического углерода в отдельных метеоритах.
Высокая химическая устойчивость и жаропрочность, сравнительно малая плотность, абсолютная немагнитность и многие другие свойства кристаллического углерода стимулируют поиски новых углеродных материалов. Весьма перспективным направлением таких исследований является синтез гибридных веществ, сочетающих отдельные свойства алмаза, графита и карбина. Первые шаги в этом направлении уже сделаны. Из каменного угля получено углеродное стекло, сочетающее жаропрочность и химическую устойчивость графита со свойствами полупроводника и обладающее еще меньшей плотностью. Поиски продолжаются.
Алмаз, графит и уголь - состоят из однородных атомов графита, но имеют различные кристаллические решетки.
Краткая характеристика: алмаз, графит и уголь
Кристаллические решетки графита не имеют прочных связей, они представляют собой отдельные чешуйки и как бы скользят друг по другу, легко отделяясь от общей массы. Графит часто используют в качестве смазки для трущихся поверхностей. Уголь состоит из мельчайших частиц графита и таких же малых частиц углерода, находящегося в соединении с водородом, кислородом, азотом. Кристаллическая решетка алмаза жесткая, компактная, обладает высокой твердостью. Тысячелетиями люди даже не подозревали, что эти три вещества имеют что-то общее. Все это - открытия более позднего времени. Графит серый, мягкий, жирный на ощупь совсем не похож на черный уголь. Внешне он скорее напоминает металл. Алмаз - сверхтвердый, прозрачный, сверкающий, по внешнему виду совсем отличен от графита и угля, (подробнее: Как используют минералы). Никаких признаков их родства не давала и природа. Месторождения угля никогда не соседствовали с графитом. В их залежах никогда геологи не обнаруживали сверкающих кристаллов алмаза. Но время не стоит на месте. В конце XVII века флорентийским ученым удалось сжечь алмаз. После этого не осталось даже крохотной кучки золы. Английский химик Теннант через 100 лет после этого установил, что при сжигании одинаковых количеств графита, угля, и алмаза образуется одинаковое количество углекислого газа. Этот опыт открыл истину.
Взаимопревращения алмаза, графита и угля
Сразу же ученых заинтересовал вопрос: а возможно ли превращение одной аллотропической формы углерода в другую? И ответы на эти вопросы были найдены. Оказалось, что алмаз полностью переходит в графит , если его нагреть в безвоздушном пространстве до температуры 1800 градусов. Если через уголь пропускают электрический ток в специальной печи, то он превращается в графит при температуре 3500 градусов.
Превращение - графита или угля в алмаз
Труднее далось людям третье превращение - графита или угля в алмаз . Почти сто лет пытались осуществить его ученые.
Получить из графита алмаз
Первым был, видимо, шотландский ученый Генней . В 1880 году он начал серию своих опытов. Он знал, что плотность графита - 2,5 грамма на кубический сантиметр, а алмаза - 3,5 грамма на кубический сантиметр. Значит, надо уплотнить укладку атомов и получить из графита алмаз , решил он. Он брал прочный стальной орудийный ствол, наполнял его смесью углеводородов, прочно закрывал оба отверстия и накаливал до красного каления. В раскаленных трубах возникало гигантское, по понятиям того времени, давление. Не раз оно разрывало сверхпрочные орудийные стволы, как авиационные бомбы. Но все-таки некоторые выдержали весь цикл нагреваний. Когда они остыли, Генней нашел в них несколько темных, очень прочных кристаллов.
Я получил искусственные алмазы,
Решил Генней.
Способ получения искусственных алмазов
Через 10 лет после Геннея французский ученый Анри Муассон подверг стремительному охлаждению насыщенный углеродом чугун. Мгновенно застывшая поверхностная корка его, при остывании уменьшаясь в размерах, подвергала внутренние слои чудовищному давлению. Когда затем Муассон растворял в кислотах чугунные ядрышки, он находил в них крохотные непрозрачные кристаллики.
Я нашел еще один способ получения искусственных алмазов !
Решил изобретатель.
Проблема искусственных алмазов
Спустя еще 30 лет, проблемой искусственных алмазов стал заниматься английский ученый Парсонс . В его распоряжении были гигантские прессы принадлежавших ему заводов. Он стрелял из пушки прямо в дуло другого оружия, но алмазов ему получить не удалось. Впрочем, уже во многих развитых странах мира лежали в музеях искусственные алмазы разных изобретателей. И было выдано не мало патентов на их получение. Но в 1943 году английские физики подвергли скрупулезной проверке полученные искусственным путем алмазы. И оказалось, что все они не имеют ничего общего с настоящими алмазами, кроме только алмазов Геннея. Они оказались настоящими. Это сразу же стало загадкой, остается загадкой и сегодня.
Превращение графита в алмаз
Наступление продолжалось. Во главе его встал лауреат Нобелевской премии американский физик Перси Бриджмен . Почти полвека занимался он усовершенствованием техники сверхвысоких давлений. И в 1940 году, когда в его распоряжении оказались прессы, могущие создавать давление до 450 тысяч атмосфер, он начал опыты по превращению графита в алмаз . Но осуществить это превращение он не смог. Графит, подвергнутый чудовищному давлению, остался графитом. Бриджмен понимал, чего не хватает его установке: высокой температуры. Видимо, в подземных лабораториях, где создавались алмазы, играла роль и высокая температура. Он изменил направление опытов. Ему удалось обеспечить нагрев графита до 3 тысяч градусов и давление до 30 тысяч атмосфер. Это было уже почти то, что, как мы знаем теперь, необходимо для алмазного превращения. Но и недостающее «почти» не позволило Бриджмену достичь успеха. Честь создания искусственных алмазов досталась не ему.
Первые искусственные алмазы
Первые искусственные алмазы были получены английскими учеными Бэнди, Холлом, Стронгом и Вентроппом в 1955 году. Они создавали давление в 100 тысяч атмосфер и температуру в 5000 градусов. В графит добавляли катализаторы - железо, ром, марганец и т. д. И на границе графита и катализаторов возникли желто-серые непрозрачные кристаллы технических искусственных алмазов. Что ж, алмаз идет не только на брилианты, он используется и на заводах, и на фабриках. Впрочем, несколько позже американские ученые нашли способ получать и прозрачные кристаллы алмаза. Для этого грант подвергают давлению в 200 тысяч атмосфер, а затем электрическим разрядом нагреванию до температуры 5 тысяч градусов. Кратковременность разряда - он длится тысячные доли секунды - оставляет установку холодной, и алмазы получаются чистыми и прозрачными.
Создание искусственных алмазов
Советские ученые пришли к созданию искусственных алмазов своим путем. Советский физик О.И. Лейпунский провел теоретические исследования и заранее установил те температуры и давления, при которых возможно алмазное превращение графита. Цифры эти в те годы - это было в 1939 году - показались удивительными, стоящими за границами достижимого для современной техники: давление не менее 50 тысяч атмосфер и температура 2 тысячи градусов. И все-таки, за стадией теоретических расчетов пришла пора создания опытных конструкций, а затем и промышленных установок. И сегодня работают многочисленные устройства, выпускающие искусственные алмазы и другие, еще более твердые вещества. Высшее достижение природы в твердости материала не только достигнуто, но уже и перекрыто. Такова история открытия третьего превращения углерода, самого важного для современной техники.
Как алмаз возник в природе
Но что осталось самого удивительного в алмазном превращении углерода? То, что ученые до сих пор не понимают, как алмаз возник в природе
! Известно, что единственным коренным месторождением алмазов являются кимберлитовые трубки
. Это глубокие цилиндрические колодцы диаметром в несколько сот метров, заполненные синей глиной - кимберлитом, с которой вместе и были вынесены на поверхность земли драгоценные камни.
Гипотеза глубинного рождения алмазов
Наиболее ранней была гипотеза глубинного рождения алмазов . Согласно этой гипотезе, сверкающие кристаллы выделились из расплавленной магмы на глубине около 100 километров, а затем вместе с магмой по трещинам и разломам медленно поднимались к поверхности. Ну а с глубины в 2-3 километра магма прорывала земную кору и вырывалась на поверхность, образуя кимберлитовую трубку.
Взрывная гипотеза
На смену этой гипотезе пришла другая, вероятно, ее следует назвать взрывной гипотезой . Ее выдвинули Л. И. Леонтьев, А. А. Кадемекий, В. С. Трофимов . По их мнению, алмазы возникают на глубине всего 4-6 километров от земной поверхности. А требующееся для возникновения алмазов давление создается взрывом, вызванным некоторыми взрывчатыми веществами, проникшими в занимаемые магмой полости из окружающих осадочных пород. Это могут быть нефть, битумы, горючие газы. Авторы гипотезы предложили несколько вариантов химических реакций, в результате которых образуются взрывчатые смеси и возникает свободный углерод. Эта гипотеза объясняла и высокую температуру, требующуюся для алмазного превращения, и гигантское давление. Но не все особенности кимберлитовых трубок она объясняла. Очень легко было доказать, что породы кимберлитовой трубки образовались при давлении, не превышающем 20 тысяч атмосфер, но невозможно доказать, что они возникли при более высоком давлении. Сегодня геофизики достаточно точно установили, для каких пород требуются те или иные давления и температуры образования. Скажем, постоянный спутник алмаза - минерал пироп - требует 20 тысяч атмосфер, алмаз - 50 тысяч. Большее, чем для пиропа, и меньшее, чем для алмаза, давление требуют коэсит, стишовит, пьезолит. Но ни этих, ни других пород, требующих для своего образования столь высоких давлений, в кимберлите нет. Единственное исключение здесь - алмаз. Почему это так? Ответить на этот вопрос решил доктор геолого-минералогических наук Э. М. Галымов . Почему, спросил он себя, давление в 50 тысяч атмосфер должно быть обязательно свойственно всей массе магмы, в которой творятся алмазы? Ведь магма - поток. В ней возможны и вихри, и быстрины, и гидравлические удары, и пузырьки возникающей местами кавитации.
Гипотеза рождения алмаза в режиме кавитации
Да, именно кавитация ! Это удивительно неприятное явление, несущее не мало бед гидравликам! Кавитация может возникнуть на лопастях гидравлической турбины, если она хоть чуть-чуть вышла за границы рассчитанного режима. Такая же беда может постичь и лопасти гидравлического насоса , перешедшего на форсированный режим. Кавитация может разрушить и лопасти пароходного винта, словно бы надорвавшегося в борьбе за скорость. Она губит, разрушает, разъедает. Да, это точнее всего: разъедает! Сверхпрочные стали, блиставшие зеркальной полировкой поверхностей, превращаются в рыхлую пористую губку. Словно тысячи крохотных беспощадных и жадных ртов рвали по крохам металл в том месте, где его изгрызла кавитация. Да еще ртов, которым «по зубам» легированный металл, от которого отскакивает напильник! Не мало аварий турбин и насосов, гибели пароходов и теплоходов произошло из-за наличия кавитации. И ста лет не прошло, как разобрались, что же это такое - кавитация. А действительно, что же это такое?
Представим поток жидкости, движущейся в трубе переменного сечения. Местами, в сужениях, скорость течения растет, местами, там, где поток расширяется, скорость течения падает. Одновременно, но по обратному закону изменяется давление внутри жидкости: там, где вырастает скорость, резко падает давление, а там, где скорость уменьшается - давление растет. Этот закон обязателен для всех движущихся жидкостей. Можно представить, что при некоторых скоростях давление падает до той величины, при которой жидкость закипает, и в ней возникают пузырьки пара. Со стороны кажется, что жидкость в месте кавитации начала кипеть, ее заполняет белая масса крохотных пузырьков, она становится непрозрачной. Вот эти-то пузырьки и являются главной бедой при кавитации. Как рождаются и как умирают кавитационные пузырьки, еще недостаточно изучено. Неизвестно, заряжены ли внутренние их поверхности. Неизвестно, как ведет себя вещество паров жидкости в пузырьке. А Галымову было поначалу неизвестно, могут ли вообще возникнуть кавитационные пузырьки в магме, заполняющей кимберлитовую трубку. Ученый произвел расчеты. Оказалось, что кавитация возможна при скоростях течения магмы, превышающих 300 метров в секунду. Такие скорости легко получить для воды, но может ли течь с такой же скоростью тяжелая, густая, вязкая магма? Снова расчеты, расчеты и долгожданный ответ: да, может! Для нее возможны скорости и в 500 метров в секунду. Дальнейшие расчеты должны были выяснить, будут ли достигаться в пузырьках требующиеся величины температуры и давления - 50 тысяч атмосфер давления и 1500 градусов температуры. И эти расчеты дали положительные результаты.
Средняя величина давления в пузырьке в момент охлопывания достигала миллиона атмосфер! А максимальное давление может быть в десять раз больше. Температура же в этом пузырьке имеет величину в 10 тысяч градусов. Что и говорить, условия далеко перешагнули через предельные для алмазного превращения.
Скажем сразу, условия, которые создает кавитационный пузырек для зарождения алмаза, очень своеобразны. Помимо температур и давлений, по временам возникающих в крохотных объемах этих пузырьков, там проносятся ударные волны, сверкают удары молний - вспыхивают электрические искры. Звуки вырываются за пределы узкого участка жидкости, охваченного кавитацией. Соединяясь, они воспринимаются как своеобразное гудение, подобное тому, которое доносится из закипающего чайника. Но именно такие условия являются идеальными для зарождающегося алмазного кристалла. Поистине, его рождение происходит в грозе и молниях. Можно упрощенно и опуская многие детали представить происходящее внутри кавитационного пузырька. Вот повысилось давление жидкости, и кавитационный пузырь начинает исчезать. Двинулись к центру его стенки, и от них сразу же отрываются ударные волны. Они движутся в ту же сторону к центру. Не надо забывать об их особенностях. Во-первых, они движутся со сверхзвуковой скоростью, во-вторых, за ним остается крайне возбужденный газ, у которого резко поднялись и давление, и температура. Да, это та же самая ударная волна, что движется по куску горящего тола и превращает мирно горение в яростный, всесокрушительный взрыв. В центре пузырька ударные волны, бегущие с разных сторон, сходятся. При этом плотность вещества в этой точке схождения превосходит плотность алмаза. Трудно сказать, какую форму там приобретает вещество, но оно начинает расширяться. При этом ему приходится преодолевать противодавление, измеряемое миллионами атмосфер. За счет этого расширения оказавшееся в центре пузырька вещество охлаждается с десятков тысяч градусов всего до тысячи градусов. И родившийся в первые мгновения расширения зародыш кристалла алмаза сразу попадает в область температур, при которых ему уже не грозит превращение в графит. Мало того, новорожденный кристаллик начинает расти.
Таково, по Галымову, таинство рождения редчайшего из творений природы и драгоценнейшего для современной техники кристалла, одного из аллотропных состояний того самого элемента, которому обязана своим существованием жизнь на нашей планете. Но это совершенно другая сторона в судьбе углерода, которому обязаны своим существованием алмаз, графит и уголь.
