Алмаз. Свойства, строение, применение

Реферат

Алмаз – минерал и единственный драгоценный камень, состоящий из одного элемента. Название, возможно, происходит от греч. «адамас» (непобедимый, непреодолимый) или от арабского «алмас» (персидское «элма») – очень твердый. Алмаз – это кристаллический углерод. Углерод существует в нескольких твердых аллотропных модификациях, т.е. в различных формах, имеющих разные физические свойства. Алмаз – одна из аллотропных модификаций углерода и самое твердое из известных веществ (твердость 10 по шкале Мооса).

Алмаз – это природное вещество, драгоценный камень, техническое сырье. Он был известен в далеком прошлом, широко применяется в настоящем, велики перспективы его использования в будущем.

Человек узнал этот твердый, прозрачный, блестящий, играющий всеми цветами радуги камень еще на ранних стадиях развития цивилизации. С тех пор, как научились обрабатывать, шлифовать и полировать алмазы, они стали еще более блестящими, их цветовая игра усилилась, по существу до конца раскрылась природная красота камня — и алмаз, превращенный в бриллиант, стал еще больше цениться.

С развитием техники, когда возникла необходимость в новых видах минерального сырья, в частности для обработки камня, металлов, а в последующем различных твердых синтетических материалов, алмаз приобрел как бы вторую жизнь. Были выявлены и изучены его высокие абразивные свойства, с которыми связаны возможности использования алмазов в промышленности. В настоящее время существование всей обрабатывающей промышленности и машиностроения (от создания мощных агрегатов до изготовления тончайших механизмов и приборов) практически немыслимо без применения алмазов в той или иной части технологического процесса. Вместе с тем и сейчас алмаз, как и раньше, остается одним из самых красивых и дорогих драгоценных камней, идущих на создание различных ювелирных изделий и украшений, многие из которых являются настоящими произведениями искусства.

Если в последние годы в промышленности все больше и шире используются алмазы как абразивный материал (абразивные порошки, пасты, шлифовальные круги, алмазные пилы, стеклорезы и т.д.), что основано прежде всего на их чрезвычайно высокой твердости, то в будущем с дальнейшим ростом научно-технического прогресса несомненно найдут применение и другие исключительные свойства такого вещества, как алмаз. В данной работе будут представлены строение алмаза, его исключительные свойства, способы получения и применения.

2. Нахождение алмазов в природе.

Алмазы – редкий, но вместе с тем довольно широко распространённый минерал. Промышленные месторождения алмазов известны на всех континентах, кроме Антарктиды. Известно несколько видов месторождений алмазов. Уже несколько тысяч лет назад алмазы в промышленных масштабах добывались из россыпных месторождений. Только к концу XIX века, когда впервые были открыты алмазоносные кимберлитовые трубки, стало ясно, что алмазы не образуются в речных отложениях.

9 стр., 4302 слов

Алмаз, свойства, добыча и месторождения

... алмаз. 2. Происхождение алмазов алмаз бриллиант месторождение добыча Алмазы -- редкий, но вместе с тем довольно широко распространённый минерал. Промышленные месторождения алмазов известны на всех континентах, кроме Антарктиды. Известно несколько видов месторождений алмазов. ... граням правильного октаэдра. Это свойство алмаза используется для того, чтобы придать камням определенную форму еще до ...

О происхождении и возрасте алмазов до сих пор нет точных научных данных. Ученые придерживаются разных гипотез — магматической, мантийной, метеоритной, флюидной, есть даже несколько экзотических теорий. Большинство склоняются к магматической и мантийной теориям, к тому, что атомы углерода под большим давлением (как правило, 50 тыс. Атм) и на большой глубине (≈ 200 км) формируют кубическую кристаллическую решетку – собственно алмаз. Камни выносятся на поверхность вулканической магмой во время формирования кимберлитовых трубок – «трубок взрыва».

Возраст алмазов, по данным некоторых исследований, может быть от 100 млн до 2,5 млрд лет. Рис. 1. Алмаз в материнской породе.

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

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

Рис. 2. Алмаз в материнской породе.

В России первый алмаз был найден 4 июля 1829 года на Урале в Пермской губернии на Крестовоздвиженском золотом прииске четырнадцатилетним крепостным Павлом Поповым, который нашел кристалл, промывая золото. За 28 лет дальнейших поисков в том месте был найден только 131 алмаз общим весом в 60 карат.

Поиск алмазов в России вёлся почти полтора века, и только в середине 50-х годов были открыты богатейшие коренные месторождения алмазов в Якутии. Алмазоносную глину добывают здесь открытым способом—экскаваторами и бульдозерами. Россыпные месторождения алмазов в руслах рек можно разрабатывать с помощью драг, как и золотые россыпи. Чтобы извлечь алмазы из глинистой породы, ее пропускают через дробилки с упругими подшипниками — их валки размалывают глину, но не могут повредить твердого алмаза. Измельченную глину промывают водой: куски, в которых прячутся алмазы, будучи более тяжелыми, опускаются на дно. Для того чтобы отделить алмазы от оставшейся молотой глины, ее подсушивают, а затем пропускают через вибрирующие столы, смазанные вазелином. Пустая порода скатывается, алмазы прилипают.

4 стр., 1621 слов

Коллекторские свойства горных пород (2)

... свойства. 2. КЛАССИФИКАЦИЯ КОЛЛЕКТОРОВ Горные породы, обладающие способностью вмешать нефть, газ и воду и отдавать их при разработке, называются коллекторами. Подавляющая часть нефтяных и газовых месторождений ... и газовых месторождений. Существуют многие науки, которые изучают горные породы-коллекторы ( геохимия, петрография, физика пласта, геология нефти и газа…). В данном реферате будем ...

21 августа 1954 года геолог Лариса Попугаева открыла первую кимберлитовую трубку за пределами Южной Африки. Её название было символично — «Зарница». Следующей стала трубка «Мир», что тоже было символично после Великой Отечественной войны. Была открыта трубка «Удачная». Такие открытия послужили началом промышленной добычи алмазов на территории СССР. На данный момент львиная доля добываемых в России алмазов приходится на якутские горнообрабатывающие комбинаты. Кроме того, крупное месторождение алмазов находится на территории Красновишерского района Пермского края.

3. Строение алмаза.

Основное состояние атома — это состояние с максимальным числом неспаренных валентных электронов. Образованию химической связи между атомами углерода предшествует переход атомов в возбужденное состояние с максимальным числом неспаренных электронов по схеме 2s2-2p2 → 2sl2pl2p12p1. Потенциал ионизации атома углерода 11,256 эВ. Атомы углерода, соединяясь, образуют ковалентные связи (металлическая связь не может образоваться, так как слишком велика энергия отрыва электрона: сродство к электрону атома углерода — 1,27 эВ).

В результате sp3-гибридизации валентных электронов образуются четыре равноценные δ-связи (рис. 3, в) под углом 109°28′ друг к другу, направленные к вершинам правильного тетраэдра. Так связаны атомы в алмазе, а также лонсдейлите, метане, адамантане.

Атомы углерода могут быть в состоянии, при котором происходит 2sp2-гибридизация электронов. Каждый атом углерода образует три δ-связи в одной плоскости под углом 120° относительно друг друга (рис. 3,б) и, кроме того, дополнительно имеет по одному p-электрону. Вследствие перекрывания электронных облаков над и под плоскостью, в которой находятся атомы с δ-связями, p-электроны образуют π-связи. Так связаны атомы углерода в графите и ароматических соединениях.

Рис. 3. Формы spn – гибридных орбиталей:

  • а) две sp – орбитали (α = 180°);
  • б) sp2 – орбитали (α = 120°);
  • sp3 – орбитали (α = 109°28’).

Возможна также sp-гибридизация атомов углерода, при которой образуются две δ-связи под углом 180° друг к другу (рис. 3, а) и в результате перекрывания двух орбиталей каждого из атомов углерода две π-связи. Так связаны атомы в карбине, ацетилене и его производных.

Также существуют аморфные и частично кристаллические переходные формы углерода (сажа, кокс, стеклоуглерод и др.), в которых сочетаются различные типы связей.

Алмаз. Сингония кубическая; пространственная группа 07h — Fd3m; кристаллическая решетка — алмазного типа (рис. 4); Z = 8; К. Ч. – 4.

Кристаллы обычно имеют форму октаэдра, ромбододекаэдра, куба и тетраэдра.

Рис. 4. Элементарная ячейка алмаза.

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

41 стр., 20454 слов

Пенсии в связи с особыми условиями труда

... труда в ХМАО;. 1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЛЬГОТНЫХ ПЕНСИИ В СВЯЗИ С ОСОБЫМИ УСЛОВИЯМИ ТРУДА. 1.1Льготные пенсии в связи с особыми условиями труда. Пенсии по старости в связи с особыми условиями труда в ... нашей стране, как ни в какой другой, получили широкое развитие. Такие пенсии ...

Кристаллы алмаза всегда содержат различные дефекты кристаллической структуры (точечные, линейные дефекты, включения, границы субзерен и т.п.).

Такие дефекты в значительной степени определяют физические свойства кристаллов.

а) б)

Рис. 5. Геометрия кристаллов алмаза: а) виды решеток; б) внешний вид кристаллов

Наблюдаются также радиально-лучистые, волокнистые, скорлуповатые или тонкозернистые агрегаты:

  • баллас – мелкие округлые лучистые агрегаты;
  • карбонадо – тонкозернистые пористые агрегаты серого или черного цвета;
  • борт (нидерл) – кристаллы и агрегаты алмаза низкого качества, непригодные для огранки, используются как абразивные материалы.

    4.

Свойства алмаза.

Главные отличительные черты алмаза — высочайшая среди минералов твёрдость (по шкале Мооса – 10), наиболее высокая теплопроводность среди всех твёрдых тел, большие показатель преломления и дисперсия. Он является диэлектриком. У алмаза очень низкий коэффициент трения по металлу на воздухе — всего 0.1, что связано с образованием на поверхности кристалла тонких плёнок адсорбированного газа, играющих роль своеобразной смазки. Когда такие плёнки не образуются, коэффициент трения возрастает и достигает 0.5 – 0.55. Низкий коэффициент трения обуславливает исключительную износостойкость алмаза на истирание. Для алмаза также характерны самый высокий (по сравнению с другими известными материалами) модуль упругости и самый низкий коэффициент сжатия – 1,8•10-12 Па-1.

Алмаз не взаимодействует с кислотами и щелочами в отсутствие окислителей. Он хрупок. Способен к пластичной деформации только при 1800-1900°С.

Температура плавления алмаза составляет 3700 – 4000 °C. На воздухе алмаз сгорает при 850 – 1000°С, а в струе чистого кислорода горит слабо-голубым пламенем при 720 – 800°С, полностью превращаясь в конечном счёте в углекислый газ. При нагреве до 2000°С без доступа воздуха алмаз переходит в графит за 15-30 минут.

Природные алмазы подразделяются на два типа: I (непрозрачный к УФ-излучению; поглощение в областях 600 – 1300 нм) и более редкий II (не имеет поглощения в области 600 – 1300 нм).

Алмазы указанных типов различаются также по интенсивности пятен на дифрактограммах.

Они могут быть бесцветными или окрашенными (в желтый, коричневый, розовато-лиловый, зеленый, голубой, синий и черный цвета), прозрачными, полупрозрачными и непрозрачными. Распределение окраски часто неравномерное, пятнистое или зональное.

Средний показатель преломления бесцветных кристаллов алмаза в жёлтом цвете равен примерно 2,417, а для различных цветов спектра он варьируется от 2,402 (для красного) до 2,465 (для фиолетового).

Способность кристаллов разлагать белый свет на отдельные составляющие называется дисперсией. Для алмаза дисперсия равна 0,063.

Одним из важных свойств алмазов является люминесценция. Под действием солнечного света и особенно катодных, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей алмазы начинают люминесцировать – светиться различными цветами. Под действием катодного и рентгеновского излучения светятся все разновидности алмазов, а под действием ультрафиолетового – только некоторые. Рентгенолюминесценция широко применяется на практике для извлечения алмазов из породы.

5 стр., 2087 слов

Валютные биржи. Рынок ценных бумаг

... физическим металлом, а также с ценными бумагами, обеспеченными золотом. Надо заметить, что ценные бумаги, обеспеченные золотом, — это предмет ... или кассовыми. В технике расчетов противопоставляются срочным сделкам. Валютные операции «своп» — это комбинация двух противоположных конверсионных ... и металлы платиновой группы) и драгоценные камни (алмазы, изумруды, рубины, сапфиры и александриты, а также ...

Большой показатель преломления, наряду с высокой прозрачностью и достаточной дисперсией показателя преломления (игра цвета) делает алмаз одним из самых дорогих драгоценных камней (наряду с изумрудом и рубином, которые соперничают с алмазом по цене).

Алмаз в естественном виде не считается красивым. Красоту придаёт алмазу огранка, создающая условия для многократных внутренних отражений. Огранённый алмаз называется бриллиантом.