Кристаллическая решетка алмаза: как выглядит и из чего состоит

Кристаллическая решетка алмаза

Элементарная ячейка алмазной структуры имеет форму куба. Говоря более научным языком, алмаз кристаллизуется в кубической системе (так называемой «системе»).

В каждой вершине этого куба есть атом. Один атом находится в центре каждой грани, а четыре — внутри куба. Каждый из атомов, расположенных в центре граней, является общим для двух ячеек, а каждый из атомов, расположенных в вершинах куба, является общим для восьми ячеек. Кубическая система — это плотнейшая упаковка атомов.

Попробуем выразить ту же мысль по-другому. Каждый атом углерода в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра, вершинами которого являются четыре ближайших атома. Каждый из атомов связан со своими четырьмя ближайшими соседями, расположенными симметрично в его вершинах (тетраэдр), самая «прочная» химическая связь — ковалентная.

Есть несколько типов химических связей: ионная, ковалентная, металлическая, водородная.

Идеальный кристалл алмаза можно рассматривать как гигантскую молекулу.

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

КЛАССИФИКАЦИЯ

Струнц (8-е издание)	1 / B.02-40
Дана (7-е издание)	1.3.5.1
Дана (8-е издание)	1.3.6.1
Здравствуйте, CIM Ref.	1,24

МОРФОЛОГИЯ

Морфология алмаза очень разнообразна. Встречается как в виде монокристаллов, так и в виде поликристаллических сростков («доска», «баллас», «карбонадо»). Алмазы из кимберлитовых месторождений имеют только одну ограненную плоскую диффузную форму — октаэдр. В то же время алмазы характерной изогнутой формы широко распространены во всех месторождениях: ромбододекаэдроидов (кристаллы, похожие на ромбододекаэдры, но с закругленными краями) и кубоиды (кристаллы с изогнутой формой). Экспериментальные исследования и изучение природных образцов показали, что в большинстве случаев кристаллы додекаэдроидов возникают в результате растворения алмазов плавлением кимберлита. Кубоиды образуются в результате специфического волокнистого роста алмазов по нормальному механизму роста.

Алмаз Куллинан разбит на 9 частей

Синтетические кристаллы, выращенные при высоких давлениях и температурах, часто имеют кубические грани, и это одно из их характерных отличий от природных кристаллов. При выращивании в метастабильных условиях алмаз легко кристаллизуется в виде пленок и столбчатых агрегатов.
Размеры кристаллов варьируются от микроскопических до очень крупных, масса самого большого алмаза «Куллинан», найденного в 1905 году в ЮАР, 3106 карат (0,621 кг).
На изучение огромного алмаза ушло несколько месяцев, и в 1908 году его раскололи на 9 больших частей.
Алмазы весом более 15 карат — редкость, а бриллианты весом в сотни карат — уникальны и считаются редкостью. Такие камни очень редки и часто получают свои имена, мировую известность и свое особое место в истории.

Разновидности углеродных соединений

Известны две другие разновидности кристаллического вещества, состоящие из атомарного углерода, это лонсдейлит и графит. Кристалл алмазного минерала намного тверже, чем его аналоги. Лонсдейлит встречается только в остатках метеоритов, а графит можно увидеть под любым углом. Как это ни парадоксально, но мягкость легко расслаивающегося графита и абсолютную твердость алмаза можно объяснить только различной структурой кристаллической решетки. Тип атомов в этих веществах точно такой же. Дело в том, что кристаллические решетки алмаза и графита разные.

Графит имеет гексагональную решетку, частицы углерода расположены слоями, расстояние между которыми превышает расстояние между атомами в одном слое. Это объясняет как электрическую проводимость графита, так и его высокую скорость поглощения света. Алмаз имеет кубическую осагональную решетку, которая обеспечивает его высокую прозрачность и низкую электропроводность. Расстояние между атомами кристаллической решетки везде одинаково, поэтому прочность этого минерала особенно высока. В этом плане кристалл алмаза является хорошим диэлектриком, практически не пропускающим электрический ток.

Состав

Кристалл алмаза содержит примеси таких веществ, как алюминий, магний, кремний, кальций, гранит. Часто встречается разновидность кристалла с включениями воды, углекислого газа и газообразных веществ. Распределение примесей обычно неравномерное; большинство примесей наблюдается на периферии кристалла.

Тип кристаллической структуры, такой как алмаз, встречается в структуре других элементов группы 4. Однако по мере увеличения атомной массы расстояние между атомами увеличивается, а прочность ковалентных связей уменьшается. Твердость алмаза обусловлена ​​тем, что атомы углерода расположены очень близко друг к другу.

Способы применения вещества

Для изготовления украшений используются качественно обработанные и ограненные камни — алмазы с идеальной кристаллической решеткой и составом (без примесей и дефектов). Это наиболее выгодное использование минерала.

Дефектные камни идут на другие нужды:

• производство подшипников, сверл;
• использование в электронике и телекоммуникациях;
• изготовление механизмов из алмазной пыли;
• обрамляющие колеса;
• создание оптических линз;
• использовать в качестве абразивов;
• создание квантовых компьютеров;
• применение в атомной энергетике;
• производство медицинских инструментов.

Применение в промышленности

Алмаз не царапается ни одним из элементов, существующих на Земле. Это замечательное свойство распространилось и на область народного хозяйства. Два аллотропных состояния одного и того же химического элемента углерода — графита и алмаза — имеют такие разные применения. Графит с самой низкой твердостью используется в качестве сухой смазки в механизмах трения, а алмаз с самой высокой твердостью по Моосу используется в качестве абразива. Алмазные сверла, шлифовальные круги — небольшая часть производственного инструмента для обработки материала.

Алмаз нашел свое применение в освоении космоса в качестве теплоотводящего материала при экстремальных температурах.

Станция Pioneer, запущенная на Венере в 1978 году, была покрыта алмазным материалом.

Широкое распространение (искусственно полученных) технических образцов известно в радиоэлектронике, оптических приборах, производстве медицинских инструментов. Для нужд техники производится 500 миллионов каратов искусственных алмазов, или 100 тонн в год.

Аллотропные модификации камня

Если химический состав алмаза представляет собой чистый углерод, стоит выяснить, что это за элемент, а также понять его модификации и физические формы. По мнению ученых, изначально это вещество попало в газовое облако, из которого постепенно образовались планеты. Так или иначе, но в составе каждой из планет Солнечной системы присутствует углерод в своеобразном агрегатном состоянии.

Если говорить о земной коре, то она на 0,14% состоит из этого неметаллического элемента. А также согласно одной из теорий происхождения человека, считается, что углерод является одним из четырех макроэлементов, которые являются «строительным материалом» тела.

Самые известные модификации карбона называются так:

• алмаз — самая дорогая форма;
• графит — широко известное вещество, которое используется в промышленности;
• карабин;
• лонсдейлит — содержится в метеоритах;
• фуллерены — самые молодые обнаруженные формы;
• углеродные нанотрубки — используются в структурах для нанопродуктов;
• графен;
• уголь — это вещество, которое используется в качестве промышленного сырья для выработки тепла;
• сажа.

Казалось бы, что общего у кристаллического алмаза с графитом или углеродом? Но состав этих веществ говорит об обратном и наглядно демонстрирует важность расположения атомов в кристаллической решетке. Кроме того, в веществах нет ничего, кроме углерода.

вполне возможно, что помимо этих элементов есть и другие неоткрытые формы. И их исследования во многом зависят от алмазов, потому что, работая с этим драгоценным камнем, ученые пытаются расшифровать его структуру, чтобы искусственно создать его, и в то же время находят новые модификации элемента.

Исходя из структуры алмаза, можно сделать вывод, что камень абсолютно прозрачен и пропускает через себя весь видимый спектр. Но ничего идеального в природе не существует. Следовательно, даже такой кристалл может иметь примеси в решетке.

Если рассматривать чистейшие образцы камня, то на 1 кубический сантиметр приходится до 1018 атомов. И это нормально, так как количество примесей зависит от процессов, в которых выращивается камень. И не факт, что посторонние вещества будут видны невооруженным глазом.

Среди примесей такие элементы, как:

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

Конечно, если их много, страдает чистота камня, и как следствие снижается стоимость. Или такие алмазы отправляют в промышленное использование. Кроме того, алмазы содержат не только твердые формы включений, но также жидкие и даже газообразные формы.

Они могут располагаться неравномерно, а также накапливаться в центре или на периферии камня. Все они влияют на свойства камня, его тень и способность преломлять свет. Например, азот влияет на люминесценцию алмаза.

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

• Первый тип. Они содержат азот как в виде пар атомов и плоских вставок, так и в виде отдельных атомов, которые равномерно распределены по объему камня.
• Второй тип. Как правило, в них отсутствует азот. Подтип IIa не содержит примесей, а подтип IIb содержит атомы бора.
• Третий тип может включать примеси кремния.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Хотя в нормальных условиях алмаз является метастабильным, из-за стабильности его кристаллической структуры он может существовать бесконечно долго, не превращаясь в стабильную модификацию углерода — графит. Алмазы, выносимые на поверхность кимберилитами или лампроитами, кристаллизуются в мантии на глубине 200 км и более при давлении выше 4 ГПа и температуре 1000 — 1300 ° C. На некоторых месторождениях более глубокие алмазы также находятся в переходной зоне или нижней мантии. Наряду с этим они переносятся на земную поверхность за счет взрывных процессов, сопровождающих образование кимберлитовых трубок, 15-20% которых содержат алмаз.

Алмазы также встречаются в метаморфических комплексах очень высокого давления. Они связаны с глубоко преобразованными гранатовыми эклогитами и гнейсами. Мелкие алмазы в значительных количествах встречаются в метеоритах. Они очень древнего, досолнечного происхождения. Они также образуют большие астрономические проблемы: гигантские метеоритные кратеры, где переработанные породы содержат значительное количество мелкокристаллического алмаза. Известное месторождение этого типа — Попигайская астроблема на севере Сибири.

Алмазы — минералы редкие, но в то же время довольно широко распространенные. Месторождения промышленных алмазов известны на всех континентах, кроме Антарктиды. Известно несколько типов месторождений алмазов. Уже несколько тысяч лет алмазы добывают из россыпных отложений. Только в конце XIX века, когда впервые была обнаружена алмазно-кимберлитовая трубка, стало ясно, что в речных отложениях алмазы не образуются. Кроме того, алмазы были обнаружены в породах земной коры в ассоциациях метаморфизма очень высокого давления, например, в Кокчетавском массиве в Казахстане.

Как ударные, так и метаморфические алмазы иногда образуют крупномасштабные месторождения с большими запасами и высокими концентрациями. Но в этих типах месторождений алмазы настолько малы, что не имеют промышленного значения. Промышленные месторождения алмазов связаны с кимберлитовыми и лампроитовыми трубками, связанными с древними кратонами. Основные месторождения этого типа известны в Африке, России, Австралии и Канаде.

Физические и химические свойства

Алмаз — это не 100% чистый углерод, так как другие относительно чистые минералы содержат различные примеси. Основная примесь, влияющая на свойства камня, — азот. Кристаллы, непрозрачные для УФ-лучей, относятся к типу 1, а все остальные — к типу 2. В камнях первого типа содержание азота достигает 0,25%, а во втором — не более 0,001%. В этом примере мы видим соотношение различных свойств камня, что позволяет делать предварительные выводы о внутреннем составе без детального изучения типа.

Алмаз не реагирует с растворами кислот и щелочей, и только при температуре 800 ºС достаточно легко реагирует с расплавленными щелочами, солями кислородных кислот и некоторыми металлами.

Горит на воздухе при температуре 850-1200 ºС, выделяя углекислый газ. Окисление происходит при 600 ºС и при нагревании до 1600 ºС в вакууме частично превращается в графит.

Алмаз — самый твердый минерал на Земле. По шкале Мооса — 10. В то же время он очень хрупкий. Твердость на разных гранях кристалла неодинакова, самая сильная — октаэдрическая грань. Плотность 3515 кг / м3 для прозрачных образцов, несколько ниже для непрозрачных. Отталкивает воду, но придерживается жиров. Метод отбора камней из минерала, иногда используемый в сочетании, основан на свойствах.

Синтетические алмазы

Открытие аллотропных модификаций дало ученым надежду на создание синтетического алмазного продукта. И отчасти им это удалось, хотя сам процесс не назовешь легким. С химической точки зрения, например, сам графит должен иметь сигма-связи.

Такие условия можно воссоздать только в самых мощных лабораториях под воздействием высоких температур и давлений.

• HPHT — тип алмаза, получаемый путем растворения графита и его осаждения в катализаторе на затравочном минерале. Впоследствии вещество начинает выстраивать необходимые связи.
• Тип CVD — основан на нанесении графитовых пленок с использованием паров метана.
• Наиболее естественен метод взрывного синтеза с использованием углерода высокого давления.

Пока даже эти методы трудновыполнимы, поэтому стоимость бриллиантов остается высокой. Но технологии продолжают развиваться в этом направлении.

Цветовая гамма

Какого цвета бриллианты? В зависимости от содержащихся в них примесей, а также характеристик химических реакций, происходивших при формировании камня, цвет алмаза может варьироваться.

Необычайной красоты камень, не имеющий цвета, прозрачность алмаза этого типа иногда образно характеризуют известным словосочетанием «чистый водный алмаз». Чаще всего экземпляры имеют легкий оттенок любого цвета или «налет». Камни «чистой воды» реже встречаются друг с другом.

Процесс образования красных, розовых и коричневых камней еще до конца не изучен, что придает им некую мистичность и привлекательность

Если речь идет о голубом камне, то бриллиант такого цвета давно заслужил титул аукциона и уникален. Синий цвет дает замена атомов кристаллической решетки фиксированным углеродом. Голубая очистка природных алмазов часто практикуется специалистами и в лабораторных условиях.

Не менее редки те, чья миссия — представлять наиболее ценные частные коллекции. Однако и здесь давно применяется технология «превращения» более распространенного желтого алмаза в голубой с помощью искусственных химических реакций.

Зеленый цвет алмаза приобретает при длительном воздействии естественного излучения. Эти минералы поистине красивы своим насыщенным темно-зеленым оттенком и высоко ценятся ювелирами.

Черный алмаз находится в верхних слоях земной коры, а его кристаллическая решетка состоит из сросшихся вместе микроскопических кристаллов. Он необычайно красив и прочен.

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Вид	изотропный
Показатели преломления	nα = 2,418
Максимальное двулучепреломление	δ = 2,418 — изотропный, двулучепреломление отсутствует
Оптический обзор	умеренный
Дисперсия оптических осей	сильный
Плеохроизм	не плеохроа
Люминесценция в ультрафиолетовом излучении	иногда синий или фосфоресцирующий

Строение кристалла

Чтобы понять структуру, давайте сравним кристаллическую решетку алмаза с графитом, поскольку они имеют одинаковый химический состав, но заметно различаются по твердости. Это различие связано со связями атомов углерода в кристалле. В алмазе атом углерода окружен 4 такими же атомами (кубическая структура), образуя правильную 4-стороннюю пирамиду. Эти связи между симметричными атомами очень сильны, что и создает эту прочность.

Графит имеет слоистую структуру. Внутри слоя существуют химические связи между атомами, и изображение кристаллической решетки алмаза образует гексагональную сеть (шестнадцатеричную — кратную шести), в то время как связи между слоями (межмолекулярные) слабые, слои кажутся скользящими относительно друг друга. На этом свойстве основаны графитовые смазки.

Тип кристаллической решетки алмаза

Вспоминая курс химии для 11 класса, мы знаем, что существует 4 типа кристаллических решеток:

• атомный;
• металл;
• ионный;
• молекулярный.

Не вдаваясь в определения каждого, сразу заметим, что кристаллическая решетка алмаза атомарного типа связана ковалентной связью. Кстати, отец и сын Брагги в 1915 году получили Нобелевскую премию за исследования дифракции рентгеновских лучей.

Химическая связь в углеродных минералах

С точки зрения химического состава алмаз — это углерод в чистом виде, но многие другие минералы и вещества на Земле состоят из углерода, и все они полностью отличаются друг от друга. Давайте посмотрим на изменения и ответим на этот вопрос.

По словам ученых, углерод изначально содержался в газовом облаке, из которого образовались планеты. Каждая планета содержит этот элемент, более того, это один из 4-х макроэлементов, или «строительный материал» нашего тела. Имея разные химические связи и расположение атомов друг относительно друга, углерод составляет разные вещества. Это свойство называется аллотропией. Если условно называть их углеродными модификациями (аллотропными модификациями), то применительно к геологии известны:

• алмаз (самая дорогая форма);
• графит (широко используется в промышленности);
• лонсдейлит (обнаружен в метеоритах);
• фуллерены (недавно открытые формы);
• графен;
• каменный уголь;
• сажа.

Все эти вещества имеют углеродную основу, но, как мы видим, они отличаются друг от друга. Такое сочетание возможно благодаря химическим связям между атомами этого элемента и их расположению.

Тем, кто интересуется этой темой, может быть полезен научный фильм, который легко найти в Интернете и который называется «Углерод и его аллотропные формы — алмаз и графит» (Киевнаучфильм, 1981).

Читайте также: Камень корунд: фото и магические свойства