Физические свойства алмаза и графита

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:

БРАСЛЕТ PANDORA - Сокровищница идей на вашем запястье!
Подвески-шармы, олицетворяющие самые лучшие моменты в жизни, жранящиеся на браслете, ежедневно будут напоминать вам о них.
Узнать больше >>>
  1. Неоднороден по составу и содержит небольшие доли примеси железа, магния, азота, алюминия и других элементов, которые могут придавать алмазу голубоватый, красноватый и даже черный оттенки.
  2. Благодаря своему химическому составу минерал обладает хрупкостью, раскалываясь на мелкие кусочки при сильном ударе.
  3. АлмазЖесткость, благодаря чему алмаз незаменим при создании абразивных инструментов.
  4. Стойкость к воздействию кислот и щелочей, растворяющих даже металлы.
  5. Основная характеристика алмаза – метастабильность, то есть способность при обычных условиях долгое время сохранять неизменное состояние.
  6. Твердость, при которой ни один другой минерал не способен нанести вред алмазу.

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:

  • хорошо проводит тепло и электричество;
  • Графитимеет высокую огнеупорность;
  • устойчив к кислотам и любым видам химических реагентов;
  • имеет маленький коэффициент трения;
  • смешивается с любыми веществами.

На ощупь графит жирный, а при проведении по бумаге оставляет следы. Это происходит из-за того, что атомы кристаллической решетки слабо связаны.

к оглавлению ↑

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.

Алмаз и графитКристаллическая 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 Алмаз Графит
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:

  1. Графит и алмазПроцесс превращения графита в алмаз под воздействием высокой температуры (около 3000 С) и давления (примерно 1010 Па) путем изменения ковалентных связей. Для этого необходимо разрушить атомную решетку графита либо снизить ее энергию для перестройки в другой вид. Для оказания такого каталитического действия используют специальные агенты, в роли которых, как правило, выступают какие-либо металлы или их сплавы.

    Необходимое для процесса преобразования давление создается при помощи прессов на гидравлике в специальных камерах. Раствор графита и агента, который облегчает синтез металла, нагревается электрическим током до нужной температуры. Процесс занимает от нескольких минут и может длиться несколько часов. Полученные в результате алмазы охлаждают и снижают давление в камере. Алмазы, полученные таким способом, получаются довольно грязными и мутными, имеющими пористую структуру.

  2. Еще один метод получения алмазов, который пока не используется в широком промышленном применении – ударная волна, взрыв, для сжатия графита, получения алмазной пыли для дальнейшего использования в промышленности. Для этого используют либо обычное взрывчатое вещество, либо взрыв проволокой токовыми импульсами. При таком способе кристаллы алмаза получаются очень чистыми и прозрачными, высокого качества, имеющие форму природного алмаза, но маленькими.
  3. Для ускорения процесса создания в камеру с алмазом добавляют метан, который разрушается до углерода при определенных условиях. В результате получаются камни черного цвета формы куба с прочностью натурального камня. На выходе получается вещество под названием кабрид, но именуется он алмазом из-за содержания его в своем составе.
  4. Алмаз и графитВыращивание с помощью катализаторов. В основном используют железо, платину и никель. На выходе получаются маленькие камни черного или темно-серого цвета, имеющие форму квадрата. В зависимости от катализатора, давления и температуры получаются разноцветные кристаллы.

Процесс алмаза в графит аналогичен. Разница лишь в показателях давления и температуры.

к оглавлению ↑

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 трубкаКимберлитовая 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.

Звезда Южной АфрикиЛюбопытно, 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.

к оглавлению ↑

Сфера применения

Алмаз и графит используют гораздо шире, чем может показаться на первый взгляд. Алмазы нашли свое применение в следующих сферах:

  • Бриллиантовые украшенияЮвелирная сфера. Алмазы чаще всего ограняют и используют как бриллианты. Для их создания используют только камни высокого качества, на долю которых приходится лишь около 20% всех добытых камней. Наука продвинулась далеко вперед и сегодня все чаще используются искусственные бриллианты вместо настоящих, однако даже непрофессионал, имея некоторый опыт, сможет узнать подделку, вооружившись лишь лупой и магнитом.

    При ближайшем рассмотрении ненастоящий камень содержит частицы металлических крапинок на поверхности и имеет оттенок желтизны на гранях. Также, имея усиленные магнитные характеристики, поддельный синтетический бриллиант при проведении магнитом сдвинется за ним. В создании синтетических бриллиантов используется кристаллический углерод, поэтому, при создании нужного давления и температуры бриллианты создают из всего, что богато углеродом, даже из человеческих останков.

    В Китае, например, научились перерабатывать в бриллианты диоксид углерода и калий, получая совсем крошечные, 1,2 миллиметровые камни. Искусственные бриллианты создаются также из прессованной бриллиантовой пыли, которая остается от производства алмазов, однако получаются настолько хрупкими, что бьются как стекло.

  • Техническая сфера. Здесь применяют второсортные алмазы с трещинами и дефектами, как в целом виде, так и отдельные осколки, непригодные для изготовления целого камня. Технические алмазы имеют подвиды:
    • алмазы определенной формы для изготовления подшипников, сверл, наконечников и др.;
    • необработанные камни;
    • мелкие камни с дефектами, годные только для измельчения в алмазный порошок.

    Алмазные дискиАлмазный порошок применяют в изготовлении мельчайших элементов (например, в часах). Это позволяет достичь высокой точности работы деталей. Алмазные диски, абразивные инструменты содержат в своем составе алмазный порошок.

    Алмазные иглы, применяемые в электронике, это необработанные кристаллы, от природы имеющие острую вершину, либо их остроконечные осколки. В промышленности алмазы применяют в буровых установках, что увеличивает их производительность. Благодаря своей теплопроводимости и изоляционным свойствам алмазные прослойки используются в микросхемах, счетчиках и других компонентах.

В процентном соотношении использования алмазов выглядит так:

  1. Инструменты, машинные детали – 60%.
  2. Обрамление шлифовочных кругов -10%.
  3. Переработка проволоки-10%.
  4. Бурение скважин – 10%.
  5. Ювелирные изделия, мелкие детали – 10%.

ГрафитЧто 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.

Рекомендуем прочитать:
загрузка...
Полезная статья?
1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (No Ratings Yet)
Загрузка...
Главная » Камни » Алмазы и бриллианты » Физические свойства алмаза и графита