Какая твердость у бриллианта
Опубликовано: 23.04.2024
507-каратный алмаз Cullinan Heritage
Алмаз — самый твёрдый минерал, кубическая полиморфная (аллотропная) модификация углерода(C), устойчивая при высоком давлении. При атмосферном давлении и комнатной температуре метастабилен, но может существовать неограниченно долго, не превращаясь в стабильный в этих условиях графит. В вакууме или в инертном газе при повышенных температурах постепенно переходит в графит.
- Структура
- Свойства
- Морфология
- Происхождение
- Применение
- Классификация
- Физические свойства
- Оптические свойства
- Кристаллографические свойства
Смотрите так же:
СТРУКТУРА
Кристаллическая структура алмаза
Сингония алмаза кубическая, пространственная группа Fd3m. 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.
Кристаллы алмаза всегда содержат различные дефекты кристаллической структуры (точечные, линейные дефекты, включения, границы субзерен и тп.). Такие дефекты в значительной степени определяют физические свойства кристаллов.
СВОЙСТВА
Алмаз может быть бесцветными водянопрозрачным или окрашенным в различные оттенки желтого, коричневого, красного, голубого, зеленого, черного, серого цветов.
Распределение окраски часто неравномерное, пятнистое или зональное. Под действием рентгеновских, катодных и ультрафиолетовых лучей большинство алмазов начинает светиться (люминесцировать) голубым, зелёным, розовым и др. цветами. Характеризуется исключительно высоким светопреломлением. Показатель преломления (от 2,417 до 2,421) и сильная дисперсия (0,0574 ) обуславливают яркий блеск и разноцветную «игру» огранённых ювелирных алмазов, называемых бриллиантами. Блеск сильный, от алмазного до жирного.Плотность 3,5 г/см 3 . По шкале Мооса относительная твердость алмаза равна 10, а абсолютная — в 1000 раз превышает твёрдость кварца и в 150 раз — корунда. Она самая высокая как среди всех природных, так и искусственных материалов. Вместе с тем довольно хрупок, легко раскалывается. Излом раковистый. С кислотами и щелочами в отсутствие окислителей не взаимодействует.
На воздухе алмаз сгорает при 850° С с образованием СО2; в вакууме при температуре свыше 1.500° С переходит в графит.
МОРФОЛОГИЯ
Морфология алмаза очень разнообразна. Он встречается как в виде монокристаллов, так и в виде поликристаллических срастаний («борт», «баллас», «карбонадо»). Алмазы из кимберлитовых месторождений имеют только одну распространенную плоскогранную форму — октаэдр. При этом во всех месторождениях распространены алмазы с характерными кривогранными формами — ромбододекаэдроиды (кристаллы похожие на ромбододекаэдр, но с округлыми гранями), и кубоиды (кристаллы с криволинейной формой ). Как показали экспериментальные исследования и изучение природных образцов в большинстве случаев кристаллы в форме додекаэдроида возникают в результате растворения алмазов кимберлитовым расплавом. Кубоиды образуются в результате специфического волокнистого роста алмазов по нормальному механизму роста.
Алмаз Куллинан разбитый на 9 частей
Синтетические кристаллы, выращенные при высоких давлениях и температурах, часто имеют грани куба и это является одни их характерных отличий от природных кристаллов. При выращивании в метастабильных условиях алмаз легко кристаллизуется в виде пленок и шестоватых агрегатов.
Размеры кристаллов варьируют от микроскопических до очень крупных, масса самого крупного алмаза «Куллинан», найденного в 1905г. в Южной Африке 3106 карат (0,621кг).
На изучение огромного алмаза было потрачено несколько месяцев и в 1908 году он был расколот на 9 крупных частей.
Алмазы массой более 15 карат — редкость, а массой от сотни карат — уникальны и считаются раритетами. Такие камни очень редки и часто получают собственные имена, мировую известность и своё особое место в истории.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ
Хотя при нормальных условиях алмаз метастабилен, он в силу устойчивости своей кристаллической структуры может существовать неопределенно долго, не превращаясь в устойчивую модификацию углерода — графит. Алмазы, которые вынесены на поверхность кимберилитами или лампроитами кристаллизуется в мантии на глубине 200 км. и более при давлении более 4 Гпа и температуре 1000 — 1300 ° С. В некоторых меторождениях встречаются и более глубинные алмазы, вынесенные из переходной зоны или из нижней мантии. Наряду с этим, они выносятся к поверхности Земли в результате взрывных процессов, сопровождающих формирование кимберлитовых трубок, 15-20% которых содержит алмаз.
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.
Алмазы редкий, но вместе с тем довольно широко распространённый минерал. Промышленные месторождения алмазов известны всех континентах, кроме Антарктиды. Известно несколько видов месторождений алмазов. Уже несколько тысяч лет алмазы добывались из россыпных месторождений. Только к концу XIX века, когда впервые были открыты алмазоносные кимберлитовая трубка, стало ясно, что алмазы не образуются в речных отложениях. Кроме этого алмазы были найдены в коровых породах в ассоциациях метаморфизма сверхвысоких давлений, например в Кокчетавском массиве в Казахстане.
И импактные, и метаморфические алмазы иногда образуют весьма масштабные месторождения, с большими запасами и высокой концентрацией. Но в этих типах месторождений алмазы настолько мелкие, 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.
ПРИМЕНЕНИЕ
Хорошие кристаллы подвергаются огранке и используются в ювелирном деле. Ювелирными считаются около 15% добываемых алмазов, еще 45% считаются околоювелирными, то есть уступают ювелирным по размеру, цвету или чистоте. В настоящее время общемировой объем добычи алмазов составляет порядка 130 миллионов карат в год.
Бриллиант (от франц. brillant — блестящий), — алмаз, которому посредством механической обработки (огранки) придана специальная форма, бриллиантовая огранка, максимально раскрывающая такие оптические свойства камня, как блеск и цветовая дисперсия.
Совсем мелкие алмазы и осколки, непригодные для огранки, идут в качестве абразива для изготовления алмазного инструмента, необходимого для обработки твёрдых материалов и огранки самих алмазов. Скрытокристаллическая разновидность алмаза чёрного или тёмно-серого цвета, образующая плотные или пористые агрегаты, носит название Карбонадо, обладает более высоким сопротивлением истиранию, чем у кристаллов алмаза и благодаря этому особенно ценится в промышленности.
Мелкие кристаллы также в больших количествах выращиваются искусственным путём. Синтетические алмазы получают из различных углеродсодержащих веществ, главным образом из графита, в спец. аппаратах при 1200-1600°С и давлениях 4,5-8,0 ГПа в присутствии Fe, Co, Сr, Мn или их сплавов. Они пригодны для использования только в технических целях.
Минерал — это однородное по строению и составу вещество, входящее в состав горной породы, метеорита или руды, образованное в земной коре либо ее водной оболочке в результате естественных физико-химических процессов.
Ювелирные камни (как драгоценные, так и полудрагоценные) являются красивыми и редкими разновидностями того или иного минерала.
Представляет собой отношение массы вещества к занимаемому им объему. При сравнении двух объектов с одинаковым объемом тяжелее будет тот, чья плотность выше.
Относительная шкала твердости минералов, в которой 1 по Моосу соотносится с наименьшей твердостью, а 10 — с наибольшей.
Эталоном наибольшей твердости является алмаз, имеющий 10 единиц по Шкале Мооса.
История открытия алмаза
Необработанные алмазы. Фото: annamoltkehuitfeldt.wordpress.com
Точное время открытия алмаза на данный момент не установлено. Все дело в том, что вид необработанных минералов достаточно тривиален и не привлекает особого внимания. Первые упоминания об индийских камнях относятся еще к III тысячелетию до н.э., но использовать их в ювелирных украшениях начали лишь около 500 лет назад, после того, как мастера освоили методы бриллиантовой огранки.
В России особую любовь к ним питала Екатерина II, во время ее правления в обиход вошло понятие бриллианта, как синонима богатства и роскоши.
Название минерала на разных языках имеет схожее звучание и значение. Арабы именовали его «алмас», то есть «самый твердый», греки — «адамас», что значит «несокрушимый». Русское слово «алмаз» было введено в оборот в середине XV века путешественником Афанасием Никитиным в книге «Хождение за три моря».
Физико-химические свойства алмаза
Якутские необработанные алмазы
Алмазы — прозрачные бесцветные минералы, реже имеют розовые и желтые оттенки, обладают ярким блеском и высокими показателями светопреломления.
Минерал состоит из атомов углерода, равноудаленных друг от друга на расстояние 0,15 нанометров. Атомы образуют кубическую кристаллическую решетку, обеспечивающую алмазу самую высокую твердость по шкале Мооса — 10 единиц. Однако, из-за совершенной спайности кристаллы очень хрупки, а ошибочное отождествление понятий твердости и хрупкости часто влекло за собой разрушение ценных камней.
Так была уничтожена коллекция бриллиантов французского герцога Карла Смелого, который вел междоусобную войну с королем. Наемники Людовика XI, желая проверить подлинность камней с помощью молота, превратили их в порошок.
Образование и месторождения алмаза
Кимберлитовая трубка «Мир» глубиной 525 метров
Трудно поверить, но алмаз и графит являются практически братьями-близнецами. И тот и другой представляют собой чистый углерод. Для того, чтобы графит кристаллизовался необходимы особые условия: давление 45 000−60 000 атмосфер и температура 900−1300 °С, которые обеспечиваются на глубине 80−150 км под землей. Вместе с вулканической магмой камни выбрасываются из земных недр, формируя при этом коренные месторождения — кимберлитовые трубки.
Ученым известны также минералы метеоритного происхождения, образующиеся при столкновении космического тела с поверхностью Земли. Температура в момент удара достигает 3000 °C, а давление до 100 ГПа, в этих условиях формируется алмазоносная импактная порода. «Неземные» камни были обнаружены в Большом Каньоне в США в осколках метеорита, упавшего около 30 тысяч лет назад. В Якутии тоже имеется свое подобное месторождение — Попигайская астроблема, образовавшаяся 35 млн. лет назад.
Разработка импактитов является нерентабельной из-за малого размера кристаллов, поэтому промышленная добыча ведется традиционными методами на «земных» месторождениях, которые встречаются практически на всех континентах, а наиболее крупные расположены в Южной Америке (Бразилия), России (Якутия), Африке (Ботсвана, Ангола).
На данный момент признанным монополистом на рынке является американская компания De Beers, контролирующая 75% мировой добычи и оборота алмазов. Во всем мире высоко ценятся и пользуются большим спросом камни российского производства. Основной алмазодобытчик России — компания «Алроса», добывающая 95% алмазов в стране.
Природные фантазийные бриллианты компании Leibish & Co.
Помимо качественных бесцветных камней при удачном стечении обстоятельств иногда удается добыть фантазийные ярко-желтые, ярко-розовые и голубые алмазы, составляющие всего 1% от общего объема. Еще более редкими являются красные камни — алмазодобывающая компания Rio Tinto выставляет их на своем тендере всего несколько штук в год. Самыми ценными же среди цветных алмазов являются фиолетовые камни — они настолько уникальны, что цена их нередко превышает 1 миллион долларов за карат.
Отдельного внимания заслуживают черные алмазы. Являясь долгое время фактически отходами при добыче классически бесцветных камней, сегодня черные алмазы, и, как следствие, бриллианты задают собственный тренд в украшениях. Ювелирные изделия с черными бриллиантами зачастую становятся выбором тех, кто хочет выделиться из толпы и не любит идти на поводу у общепринятых канонов и правил.
Искусственные алмазы
Научные опыты по созданию искусственных алмазов начались в 1797 году, но первый минерал, выращенный в лаборатории, и метод его получения был запатентован американской компанией General Electric лишь в 1956 году. С тех пор технологии продвинулись настолько далеко, что сегодня многие искусственно выращенные камни совершенно неотличимы от природных без специального оборудования и большого опыта, а обычные способы распознания подделки работают далеко не всегда.
Однако, насыщение рынка такими камнями сдерживается законом спроса и предложения, так как падение цен на бриллианты невыгодно ни добытчикам натуральных ни производителям искусственных камней.
Известные аналоги природных алмазов
Стоит упомянуть наиболее распространенные камни, которые используются в украшениях вместо бриллиантов. Во-первых, это всем известные фианиты, впервые синтезированные в российском институте ФИАН. Во-вторых, это муассаниты, которые особенно сложно отличить от настоящего драгоценного камня, не имея нужных для этого знаний.
Примерное сравнение натурального бриллианта, муассанита и фианита
Кроме того, сравнительно недавно появились алмазы ASHA, поверхность которых покрыта слоем атомов углерода (из которого и состоит природный минерал), что фактически делает подобный камень композитным материалом и при этом дарит ему больше блеска и «огня» по сравнению с теми же фианитами.
Отдельно стоит упомянуть ВДВТ (высокое давление, высокая температура) алмазы. Этот метод был разработан в 1950-е годы и фактически полученные в результате обработки камни являются абсолютно натуральными.
Суть метода понять не сложно, если вспомнить об условиях формирования камня. В природе алмаз формируется под влиянием колоссального давления и температуры в течение определенного времени. Иногда такие камни попадают на поверхность раньше времени, представляя собой по сути «полуфабрикат». И для того, чтобы превратить его в красивый сверкающий алмаз, который в последствии будет огранен и инкрустирован, камень повторно подвергают воздействию высокого давления и высокой температуры, аналогичных природным, но уже в лаборатории. Такой алмаз остается полностью натуральным, но как бы «доработанным» людьми.
Наглядное сравнение настоящего бриллианта (в центре) с его аналогами: 1 — фианит (кубический цирконий), 2 — муассанит, 3— бриллиант ASHA, 4 —лабораторно выращенный бриллиант
Магические и целебные свойства алмаза
Литотерапевты считают, что алмаз ускоряет обновление клеток организма, способствует его очищению, борется с инфекциями и паразитами. Во многих учениях он используется как омолаживающее средство.
Йоги при помощи алмаза лечат психические заболевания, сердце, почки, очищают печень. Воины носили перстни с бриллиантом, веря, что он придаст им силы духа и сделает непобедимыми. Кроме того, камень приносит владельцу счастье и оберегает от скверных привычек и поступков.
Кому алмаз и бриллиант принесут пользу
Алмаз, как и бриллиант, — это камень смелых и решительных. Он требует к себе уважительного отношения и может оказаться бесполезным в руках слабого, неуверенного человека.
Каким знакам зодиака подходит бриллиант
Алмаз — главный зодиакальный камень, управляющий всем кругом. Талисман с ним или с ограненным бриллиантом в первую очередь подходит Овнам, во-вторую — Львам. Еще один знак, с которым дружит «король драгоценных камней», — Весы.
Что касается остальных знаков зодиака, то в целом, алмазы и бриллианты могут носить все, но стоит иметь в виду, что большой пользы это тоже не принесет.
Алмаз - царь камней
Удивительный минерал, известен человечеству уже более 5 тысячелетий.
При описании алмаза всегда используют эпитет превосходной степени «самый» - самый твёрдый, самый блестящий, самый редкий, самый дорогой и прочее-прочее.
Алмаз прочно удерживает первенство в ряду всех драгоценных камней с тех пор, как его искусно огранённые формы, известные как бриллианты, выявили всё совершенство свойств этого минерала.
Именно поэтому посвящаем волшебному камню отдельное описание.
Алмаз сочетает исключительную твёрдость, высокое светопреломление, сильную дисперсию и яркий блеск.
« Сырой » алмаз часто имеет непрезентабельный, невзрачный вид и непривлекателен для глаз.
Именно поэтому не трудно понять, почему персы ещё в XIII веке располагали алмаз в ряду драгоценных камней после жемчуга, изумруда и рубина.
от древне-греческого: ἀδάμας [adamas] - «неодолимый», «несокрушимый»
через арабабский ألماس [’almās]
и турецкого elmas
В Древней Индии алмазам приписывал фантастические магические свойства, поэтому все сведения об их добыче оберегали, тщательно скрывали.
В Европу алмазы попали в V - VI веках до нашей эры. Плиний Старший в своей «Естественной истории» описал известные в те времена свойства алмазов.
Посетители Британского Национального музея могут увидеть бронзовую статуэтку, найденную в Древней Греции, с двумя неограненными алмазами вместо глаз.
На Руси слово алмаз впервые было упомянуто в путевых записках под названием «Хождение за три моря» тверского купца Афанасия Никитина, жившего в середине XV века. В «Лапидариях» (XI - XIII века, популярный жанр литературы эпохи Средневековья и Возрождения) алмазы были разделены на женские и мужские.
Древние жители думали, что алмаз вселяет в своего владельца дополнительную силу, твёрдость и мужество, защищает от враждебных сил, усиливает остроту ума, укрощает ярость и сластолюбие, дает воздержание и целомудрие.
Персы в XVI веке считали, что долгое и пристальное созерцание прозрачного алмаза разгоняет хандру, снимает с глаз пелену мрака, делает человека проницательнее и настраивает на весёлый нрав. А алмаз, прикреплённый к руке женщины, помогает разрешиться от бремени.
Также в те далёкие времена люди верили, что из двух воюющих сторон побеждает та, у которой алмаз больше.
Ослепляющая красота алмаза открывается только тогда, когда камень огранён в форму бриллианта. Название «алмаз» происходит от «адамас» - так называли минерал, который, как пологали во времена Плиния, превосходил по качеству другие камни.
Однако определение «адамас» Плиний часто применял для обозначения других минералов, помимо несравненного камня, который со времён Средневековья также известен как «diamond».
Название «diamond» происходит от латинского слова «adamantem» и его распространённой формы «adiamentem». Слово «борт» происходит, вероятнее всего, от старофранцузского «bord» или «bort», что означает «неполноценный». «Карбонадо» - португальское слово, означающее «углистый», употреблялось для обозначения плотных, зернистых разновидностей алмаза, встречающихся в Бразилии.
Свойства алмазов, диагностика
В настоящее время этот замечательный минерал изучен досконально.
Из всех драгоценных камней алмаз имеет самый простой химический состав.
Алмаз на 96-99.8% состоит из углерода. Алмаз является кристаллическим углеродом. В его кристаллической решётке атомы углерода прочно объединены силами ковалентных связей. Каждый атом соединён с четырьмя окружающими его атомами.
Кристаллы алмаза разнообразны, помимо плоскогранных, распространены кривогранные формы.
В качестве примесей алмаза, определяющих цвет и оттенок, в нём установлены в различных количествах до 0.3% более 25 элементов таблицы Менделеева, такие как: (водород) H, (алюминий) Al, (кремний) Si, (золото) Au, (серебро) Ag, (титан) Ti, (свинец) Pb и другие. В алмазе часто присутствуют примеси, в основном - окись железа и кремнезём со следами извести и магнезии, доля примесей не превышает 5%.
Алмаз бесцветен, либо, что бывает редко, обладает цветными оттенками разной степени интенсивности.
Совершенно бесцветные алмазы – большая редкость. Как правило, у них наблюдается какой-либо оттенок (нацвет). Алмаз может быть окрашен в жёлтоватые, сероватые, зеленоватые, сиреневатые и коричневые тона.
В основном встречаются алмазы, имеющие интенсивную окраску жёлтого, оранжевого, синего, голубого, розового, коричневого, серого, молочно-белого и чёрного цветов.
Именно наличие окиси железа объясняет желтоватый оттенок. Алмаз очень стабилен при нормальных условиях, но, находясь в вакууме или в инертном газе при повышенных температурах, переходит в графит.
Борт (bort или boart) представляет собой скрытокристаллическую форму, в которой кристаллы алмаза беспорядочно распределены. Этот термин используется также для обозначения кристаллов алмазов и их обломков, не находящих применения в ювелирном деле. Такие кристаллы измельчаются и используются при полировке.
Карбонаро (чёрный алмаз), как и bort, является скрытокристаллической разновидностью алмаза, неоднородная масса еще более мелких кристаллов. Используется при производстве режущих инструментов.
Твёрдость алмаза
Специалисты считают алмаз уникальным минералом, обладающим такими свойствами, которых нет у других веществ. Человеку пока неизвестны природные или искусственные материалы, более твердые, чем алмаз.
Высокая твердость и износостойкость алмаза обусловливает его широкое применение в науке и технике.
Например, на шкале твердости минералов алмаз является эталоном с самым высоким показателем, твёрдость алмаза равна 10, а самая высокая из всех минералов микротвёрдость находится в диапазоне от 93 157 до 98 648 Мпа. При этом у алмаза наблюдается анизотропия твёрдости. Это свойство проявляется так, что в разных направлениях и на различных гранях твёрдость кристалла отличается. Это свойство алмаза используется при его обработке.
Износостойкость алмаза колеблется в широких диапазонах, среднее ее значение в несколько раз превышает износостойкость известных абразивных материалов, таких как карбиды кремния и бора.
В популярной литературе можно встретить такой «метод» для отличия бриллианта от других камней (по твердости): бриллиант оставляет царапину на стекле, в то время как все остальные камни стекло не царапают.
В действительности же некоторые имитации бриллианта (в том числе самая распространенная – фианит) легко царапают стекло. Твердость оконного стекла равна 6, кварца – 7, топаза – 8, фианита – 8,5, бесцветного корунда (лейкосапфира) – 9, искусственного муассанита – 9,5. Поэтому тест со стеклом – не очень удачный диагностический метод. Теоретически вместо стекла можно воспользоваться другим более твердым материалом – например, корундом или муассанитом, твердость которых около 9. Но важно учесть, что в этом случае на не бриллиантах останутся царапины.
В итоге твёрдость алмаза, которой он действительно отличается от всех других камней, геммологи обычно не могут использовать как диагностическое свойство. Оно может служить только косвенным признаком: благодаря высокой твердости бриллиант не теряет блеска и игры с годами, поскольку его полировку сложно испортить. Нужно только время от времени очищать камень от микрочастиц пыли и жира.
При этом другие более мягкие имитации (стекло, например) с годами истираются: их грани покрываются царапинами, а ребра завальцовываются («затираются»).
Абразивная способность любого материала определяется отношением массы сошлифованного материала к массе израсходованного для этого абразива.
Если принять за единицу абразивную способность алмаза, то абразивная способность карбида кремния составит 0.2-0.3, а карбида бора – 0.5-0.6.
Электро и теплопроводность алмаза
Алмаз обладает высокой теплопроводностью. В основном, алмазы не проводят электричество,
исключение составляют голубые алмазы, содержащие бор.
Ювелиры часто используют для диагностики бриллиантов даймонд-тестер (даймонд-детектор). Их работа основана на измерении теплопроводности камня. Они позволяют отличить бриллиант от всех имитаций, за исключением муассанита (поскольку у последнего также очень высокая теплопроводность).
Различить между собой бриллиант и муассанит позволяет муассанит-тестер (или дуотестер), помимо теплопроводности измеряющие электропроводность:
в отличие от проводящего муассанита, алмаз электричество не проводит!
Теплопроводность алмаза может меняется под воздействием температуры.
Плотность алмаза
Плотность алмаза составляет 3.515 грамма на кубический сантиметр.
В природе попадаются алмазы, у которых находят существенные отклонения от этой величины, обусловленные наличием трещин, пор, различных включений.
Плотность прозрачных с наличием зеленоватых пятен алмазов или дымчато-коричневых немного ниже, чем у жёлтых или бесцветных алмазов. Но эти колебания плотности очень незначительны.
Однако в качестве диагностического признака у плотности есть важное ограничение: измерить плотность можно только для неоправленного камня.
Рассмотренные выше свойства – твердость, теплопроводность, электропроводность, плотность – условно относят к физическим. Другая группа свойств камней называется оптическими (например, показатель преломления, дисперсия, цвет).
Показатель преломления алмаза
Показатель преломления света в алмазе высокий – 2,42.
Он позволяет находить такие формы и пропорции огранки бриллианта, при которых лучи света, входя в камень со стороны короны, переотражаются гранями павильона и выходят обратно снова через грани короны.
В результате наблюдатель видит в бриллианте вспышки света, даже когда камень находится в изделии, и со стороны павильона свет в него не поступает. Если такую же форму огранки придать другому камню с близким к алмазу показателем преломления, лучи будут идти тем же путем, поэтому мы не можем отличить ограненный бриллиант от фианита ни по яркости, ни по рисунку отражений граней.
Если же стандартной бриллиантовой огранкой огранить бесцветный сапфир (его показатель преломления 1,76) или горный хрусталь (показатель преломления 1,54), то их можно отличить от бриллианта по внешнему виду: у этих камней по сравнению с бриллиантом яркость меньше, через грани павильона в лупу можно видеть фон, а рисунок отражений граней отличается от такового в бриллианте. Имитирующие бриллиант стекла могут иметь разные показатели преломления, и чем выше показатель, тем больше такое стекло внешне похоже на бриллиант. « Стразы » – старинное название имитаций бриллианта из стекла, которые за счет примесей обычно имеют высокий показатель преломления.
Дисперсия алмаза
Дисперсия света отвечает за «игру» камня. Для алмаза дисперсия численно равна 0,044, и по сравнению с другими камнями это высокая дисперсия, поэтому в бриллианте мы часто можем видеть не только белые, но и цветные вспышки света.
Высокий показатель преломления (2.417) объясняет яркий блеск алмаза. Для лучей света разной длины (цвета) показатель преломления алмаза неодинаков: для красного света – 2.402, для жёлтого – 2.417, для зеленого – 2.427, для фиолетового - 2.465.
Именно высокой дисперсией объясняется « игра » ограненных алмазов – бриллиантов. Дисперсия фианита и муассанита близка по значению к дисперсии алмаза, поэтому по частоте проявления цветных вспышек мы не можем отличить эти материалы от алмаза.
Некоторые имитации – например, титанат стронция (фабулит) или синтетический рутил, – имеют более высокую дисперсию и потому проявляют больше цветных вспышек, чем бриллиант.
С другой стороны, камни с низкой дисперсией (кварц, топаз, лейкосапфир) мы можем отличить от бриллианта по отсутствию цветных вспышек.
Цвет алмаза
По цвету все алмазы условно разделяют на две группы.
Первая группа – это алмазы бесцветные или околобесцветные (с цветовыми оттенками, особенно часто – желтоватыми и коричневатыми), среди них наиболее ценными являются камни бесцветные, не обладающие цветными оттенками).
Другая группа – это цветные алмазы.
Некоторые имитации алмаза, например, фианит, можно выращивать разных цветов, в том числе и таких, которых не бывает у алмаза.
В этом случае фианит является имитацией других камней, например, зеленый – изумруда, фиолетовый – аметиста. С другой стороны, природный цветной камень может быть имитацией цветного алмаза, например, коричневый циркон могут выдавать за коричневый бриллиант.
Чёрный искусственный муассанит используют как имитацию черных алмазов.
В отличие от остальных свойств, цвет в неодинаковой мере присущ разным алмазам. То есть все алмазы имеют одинаковую твердость и плотность, но разные алмазы могут иметь разный цвет, в зависимости от содержания в них окрашивающих примесей. Изредка можно встретить алмазы или бриллианты с заметным неравномерным распределением окраски.
Определённой привлекательностью обладают алмазы коричневато-жёлтого цвета. Обычны также камни зеленоватого оттенка, хотя этот цвет редко присутствует по всему объему алмаза. Нередки и коричневые алмазы, а розовые, рубиново-красные, розовато-лиловые и синие алмазы редки.
Окраска алмазов связана с наличием различных примесей в структуре кристаллов, иногда – с включениями ряда минералов. Наиболее распространена окраска алмазов жёлтого цвета, обусловленная наличием атомов азота. Зелёные пятна пигментации , окрашивающие поверхность алмазов в зеленоватый или голубоватый цвет, появляются в результате природного радиоактивного облучения. При нагревании они становятся жёлтыми. Жёлтые пятна пигментации наблюдаются на алмазах из древних россыпей.
Встречаются алмазы с синей и голубой окраской, обусловленной вхождением в структуру алмаза бора.
Сапфирово-синие алмазы чрезвычайно редки и стоят весьма дорого.
Очень распространены дымчато-коричневые и реже розовато-сиреневые алмазы, окраска которых связана с дефектами на плоскостях скольжения.
Молочно-белая окраска объясняется наличием мелкодисперсных включений граната во внешней части алмаза.
Серая, чёрная окраска алмазов зависит от концентрации включений графита.
Для обозначения алмазов с чёрными пятнышками вкраплений используют определение « пике » (от французкого слова «pique» - исколотый, пятнистый от укусов насекомых).
Алмаз становится синим, сине-зелёным, а при увеличении длительности облучения – темно-зелёным и чёрным.
В зависимости от свойств алмазы делят на ювелирные и технические. Технические алмазы низкосортны. К ювелирным относят прозрачные алмазы (бесцветные или с нацветом) с небольшим количеством дефектов.
Именно ювелирные алмазы после огранки превращаются в бриллианты .
Про твердость алмаза ходят легенды. Здесь с ним не может сравниться ни одно из природных веществ на Земле. Вопреки широко распространенному мнению, основная часть алмазов используется в промышленном, а не ювелирном производстве. Благодаря своей кристаллической решетке и прочности, камень востребован в горнодобывающей и тяжелой промышленности. Его используют при изготовлении инструментов, способных вгрызаться в коренную породу Земли и резать другие твердые вещества.
- Минерал магматического происхождения
- Сравнение твердости по шкале Мооса
- Определение твердости металлов по Роквеллу
- Использование в промышленности
- Кристаллы для сверхточной резки
- Искусственные кристаллы сверхвысокой твердости
Минерал магматического происхождения
Алмаз — самый твердый из всех минералов природного происхождения. Его кристаллы представлены атомами углерода, из которого также состоят не имеющие высокой прочности графит и каменный уголь.
Согласно наиболее распространенной гипотезе, в древние времена на нашей молодой планете происходили тектонические процессы, в ходе которых разогретые до максимальных температур породы под высоким давлением выбрасывались за пределы мантии. Образовывались так называемые кимберлитовые трубки диаметром до одного километра, заполненные породой кимберлитом.
Чаще всего это вещество не доходило до поверхности, застывая на глубине от нескольких до сотен километров. Под действием высоких температур и давления находящийся в кимберлите углерод создавал кристаллическую решетку, превращаясь в самое твердое из всех вещество мира.
Когда кимберлитовая трубка доходила до поверхности Земли, вода и ветер разрушали ее породу. Более твердые кристаллы не разрушались и накапливались в естественных россыпях, откуда их добывали в глубокой древности.
Сравнение твердости по шкале Мооса
Твердость алмаза объясняется тем, что атомы углерода под действием сверхвысоких температур и давления занимают место в кубической решетке, создавая очень прочную химическую связь. В природных условиях кристалл может существовать неограниченно долго, а в природе материалов тверже его нет вообще.
В 1811 году немецкий минералог Фридрих Моос создал таблицу твердости минералов, в которой распределил известные и легко получаемые вещества на десять групп по уровню сопротивления оцарапыванию.
В этой таблице алмаз занял наивысшую десятую позицию, как вещество, способное при соприкосновении с другими материалами наносить на них царапины без ущерба для себя.
Испытываемый камень нужно было поцарапать эталоном из шкалы Мооса. Если на эталоне появилась царапина, то его твердость ниже образца, если нет, то наоборот.
Таблица твердости природных минералов по Моосу:
Определение прочности природных камней по шкале Мооса используется до сих пор, но появление искусственных сплавов сделало ее неудобным.
Определение твердости металлов по Роквеллу
В промышленности принято определять твердость металлов и их сплавов по Роквеллу.
В начале XX века дальние родственники Хью и Стенли Роквеллы предложили использовать для определения твердости металлов конусообразный кристалл алмаза. Его нужно было в течение нескольких секунд вдавливать в испытываемый сплав.
Изготовили специальный станок New Dearture Manufacturing, с помощью которого в течение короткого времени определяли прочность стальных сплавов, использовавшихся при производстве автомобилей компанией General Motors.
Станок напоминает обычную швейную машинку, только вместо иглы установлен алмазный конус.
Давление, оказываемое на испытываемый материал, должно быть постоянным и выдерживаться в течение 3-6 секунд. Для первоначального испытания используется нагрузка в 10 hrc (килограмм силы), после чего измеряется диаметр вмятины и сопоставляется со шкалой твердости по Роквеллу.
При повторном испытании нагрузку увеличивают до 100 или 150 кгс, после чего измеряют глубину вмятины, определяя твердость стального сплава по Роквеллу.
В зависимости от глубины следа шкала твердости по Роквеллу имеет 11 позиций, обозначаемых латинскими буквами A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T.
Использование в промышленности
Алмазы активно используются в горнодобывающей промышленности, где высоко ценится прочность этого твердого материала.
Изготовленные из алмазов наконечники позволяют бурить отверстия даже в породах, которые прочнее гранита и базальта. Алмазные резцы использовались для бурения нефтяных и газовых вышек, а также для геологоразведочных шурфов, позволяющих обнаруживать залежи других полезных ископаемых.
Ни один камень земной коры не может противостоять воздействию алмаза, и разрушается в результате длительного трения о его поверхность.
Еще одним удивительным свойством этого камня является то, что при соприкосновении с металлом на открытом воздухе на его поверхности образуется тонкая пленка адсорбированного газа, значительно снижающего трение. Это свойство применяется в машиностроении.
Алмазная смазка снижает коэффициент трения металлических частей друг о друга до показателя 0,1, значительно продлевая срок их службы. При этом сам камень практически не разрушается.
Кристаллы для сверхточной резки
Высочайшая твердость кристаллов позволяет использовать их и в других отраслях техники, включая сверхточное производство. Алмазные инструменты, включая ножи, сверла, резцы и точильные диски применяются для изготовления деталей малого размера, нанесения отметок и гравировок, а также в ювелирном производстве.
Ограненный бриллиант считается самым драгоценным камнем мира, имеющим природное происхождение. Мошенники периодически предпринимают попытки продавать изделия с фальшивыми кристаллами, изготовленными из стекла.
Определить подделку очень легко, поскольку алмаз легко царапает стекло, которое легко разрушается под действием высокого давления.
Именно это свойство используется при изготовлении алмазных инструментов для резки стекла.
Твердость алмазов широко востребована в ядерной промышленности и микроэлектронике, где из них изготавливают полупроводниковые приборы и сверхпроводники.
Искусственные кристаллы сверхвысокой твердости
Возможность создавать сверхвысокие давление и температуру позволили ученым разработать технологию искусственного выращивания алмазов.
Все природные минералы имеют в структуре пустоты, трещины и включения других химических элементов. Искусственные кристаллы таких дефектов не имеют, почему и обладают более высокой твердостью, а некоторые из них по своей прочности даже превосходят алмазы.
Большей твердостью, чем природные материалы обладают искусственно созданные в лабораторных условиях:
- субоксид бора (B6O);
- диборид рения (ReB2);
- борид магния-алюминия (AlMgB14);
- бор-углерод-кремний;
- карбид бора B4C (B12C3);
- нитрид углерода-бора;
- наноструктурированный кубонит;
- вюртцитный нитрид бора;
- лонсдейлит;
- фуллерит.
Если показатель твердости у природного алмаза составляет около 11 ГПа, то у приведенных выше веществ коэффициент колеблется от 45 до 310 ГПа.
В перспективе такие кристаллы заменят в промышленности природные кристаллы, но из-за своей дороговизны пока сделать это не способны. Поэтому природные и искусственные алмазы остаются самым востребованным материалом, из которого изготавливаются прочные и острые инструменты.
Кроме того, бриллианты остаются элитными и очень дорогими украшениями, подчеркивая женственность и красоту их владелиц, а также аристократизм и богатство владельцев.
Поставьте класс, если информация оказалась для вас интересна и полезна.
Поделитесь статьей с друзьями в социальных сетях.
А какими алмазными инструментами пользуетесь вы?
Многие знают, что алмаз самый твердый в мире природный материал. Некоторые слышали или, возможно, сталкивались с таким понятием, как алмазное напыление или алмазные головки режущих инструментов. Но что на самом деле представляет собой такое понятие, как твердость алмаза, и с чем она связана?
Понятие твердости и ее измерение долгое время оставалось довольно спорным вопросом. Очень долго не могли разработать методику, по которой можно было бы определить количество этого параметра. Пока Моос не придумал измерять этот параметр путем пробы поцарапать один минерал другими минералами. Если один из них поддавался царапанию другим, то ему автоматически присваивалось более низкое значение твердости. Приняв за каждую единицу какой-либо эталон, он разработал собственную шкалу твердости с показателями от 1 до 10.
За 10 баллов отвечала твердость алмаза, эталоном для одного балла твердости стал тальк. Другой распространенный драгоценный камень — корунд, который делится на рубины и сапфиры имеет показатель 9. Таким образом была закреплена такая самая распространенная шкала и соответствующие значения.
Почему алмаз имеет такой высокий показатель твердости? Как оказалось, химическая структура алмаза представляет собой чистый углерод. Тот же самый углерод, который в нормированном состоянии является графитом и твердость по шкале Мооса которого равняется единице.
Почему же тогда они имеют такие разные свойства, если состоят из одного и того же атома? Это происходит за счёт химических связей и строения решетки кристалла. Атомы углерода в этих двух веществах по-разному между собой связаны, что дает разное строение структуры.
Как известно, в природе нет материала, который был бы тверже алмаза. Но недавно учеными было разработано синтетическое вещество, которое, по их заявлению, имеет такой показатель на 58% больше. Это вещество получило название лонсдейлит. Лонсдейлит может выдержать давление, которое на 55 ГПа превышает давление, которое может выдержать самый твердый алмаз. Его использование практически невозможно из-за высокой стоимости. В применении такого материала особой необходимости нет.
Другие характеристики
Если алмаз самый твердый минерал, означает ли это, что если его невозможно сломать? К сожалению, это не так. Дело в том, что в разных направлениях кристалла его твердость неодинакова. На этом свойстве как раз и основана его огранка, шлифовка и распиловка.
Поэтому прочность алмаза невелика, от сильного удара он может расколоться на части. Это несколько ограничивает его применение. Высокая твердость обуславливает его высокую износостойкость и сопротивление стиранию, но не гарантирует, что алмаз не сломается.
Кажется, что если алмаз имеет такую высокую твердость то как минимум должен быть очень плотным. На самом деле его плотность составляет всего около 3,5 грамма на сантиметр кубический. Это в три раза больше, чем воды, но, например, в шесть раз меньше, чем у золота.
Тем не менее для камня такая плотность является достаточной, можно даже сказать большой, что также влияет на его прочность. Бриллианты имеют характерный блеск и игру цвета, которые объясняются таким параметром, как показатель преломления. Показатель преломления бриллиантов составляет примерно 2,4, что является наибольшим значением для драгоценного камня. Еще одним важным параметром является дисперсия. Дисперсия представляет собой различие показателей преломления в зависимости от длины волны применяемого освещения.
Чем больше показатель дисперсии, тем сильнее выражена игра цветов. У алмазов этот показатель высокий, что и дает ему уникальное сияние. Сочетание преломления и дисперсии, а также твердости минерала, которая позволяет отполировать его без малейшего изъяна или трещины, составляют вместе тот необходимый набор, который делает этот камень самым дорогим в мире.
Алмаз имеет еще одно интересное свойство — он характеризуется самой высокой теплопроводностью, которая является наибольшей среди всех твердых тел. Это позволяет рассматривать его в качестве перспективного полупроводника для применения в электронике. Однако это возможно только при условии, что научатся синтезировать дешевые алмазы. Кремниевые полупроводники могут работать при температуре до 100 градусов по Цельсия в то время, как микросхема на алмазах будет выдерживать намного большие температуры.
Алмаз не растворяется в кислотах и щелочах. Обладает низким коэффициентом трения в воздухе, что происходит за счёт образования пленок абсорбера на поверхности камня. Температура плавления составляет 3500-4000 градусов Цельсия при определенных условиях давления. Если он находится на воздухе при температуре около 860 градусов, начинается процесс горения. Если его нагревать до высокой температуры без доступа кислорода, он переходит в углерод за несколько минут.
Структура кристаллической решетки
В конце XVIII века была обнаружено, из чего состоит алмаз. После этого было сделано огромное количество попыток, чтобы получить его в лабораторных условиях. Для этого были проведены эксперименты с техническими условиями, так как долго не могли понять при каких именно он образуется.
Как оказалось, алмаз состоит из атомов углерода, которые соединяются между собой в пространстве в особом порядке. Такой порядок называется кристаллической решеткой. Расположение частиц и тип такой решетки как раз и задают плотность алмаза и его твердость. Каждая ячейка имеет форму куба, поэтому кристаллическая решетка называется кубической.
Атомы расположены в порядке тетраэдра, между которыми действуют ковалентные связи. Каждый атом связан с четырьмя другими и поэтому имеет наивысший возможный показатель валентности для углерода. Последнее приводит к тому, что все связи заняты и не взаимодействуют со сторонними веществами. Именно такой тип решетки и объясняет высокую твердость алмазов.
Ещё известны две разновидности кристаллического вещества, которые состоят из атомов углерода: углерод и лонсдейлит, который был описан выше. Такой минерал встречается в останках метеорита. Графит же можно увидеть на каждом шагу. Отличия в кристаллической решетке между графитом и алмазом приводит к тому, что графит имеет очень мягкую структуру и легко слоится, тогда как алмаз почти ничем нельзя поцарапать.
У графита решетка имеет гексагональный характер. Частицы углерода расположены слоями, дистанция между которыми больше, чем между атомами в одном слое. Это обуславливает такие основные свойства графита, как электропроводность и поглощение света.
Расстояние между атомами кубической решетки алмаза везде имеет одинаковое значение — этим объясняется прозрачность минерала и его способность оказывать сопротивление и не проводить электрический ток. В минерале могут содержаться такие металлы в виде примесей:
- магний;
- алюминий;
- кремний;
- гранит;
- кальций.
Часто встречаются кристаллы с включением воды, углекислоты или других газообразных веществ.
Примеси неравномерно распределяются и больше всего их наблюдается на периферии кристалла. Такой тип кристаллической структуры встречается и у других элементов 4 группы с такой валентностью. Однако по мере увеличения атомной массы расстояние между ними растет и прочность ковалентной связи падает. Поэтому алмаз имеет самую высокую прочность, так как его атомы расположены ближе всего.
Благодаря своей прочности, алмаз находит применение не только в ювелирном деле, но и в промышленности. Например, используются в строительстве и когда нужно просверлить что-нибудь или обрезать в сложных конструкциях из бетона и стали. Кроме того, алмазные конструкции используются в ремонте для резки по граниту, мрамору и другим твердым материалам.
Используется минерал в точном приборостроении и для изготовления инструмента начиная от любительских пил и ножниц по металлу, стеклорезов, фрез, шлифовальных кругов и заканчивая инструментами хирурга и космическими носителями.
Строительство тоннелей и прокладка кабелей невозможны без этого материала. Проходческий комбайн, ножи которого покрыты тонким напылением алмазной крошки, применяются там, где невозможно построить туннель другим способом. В медицине применяются скальпели из алмаза, где невозможно использовать обычный. Ведутся активные разработки медицинского лазера, в котором он будет использоваться в качестве полупроводника.
В телекоммуникациях и электронике алмаз используют для прохождения сигналов разных частот по одному кабелю. В качестве защитного элемента используется в лабораторном оборудовании для физических и химических научных исследований.
Постоянно ведутся новые разработки возможности получения синтетических алмазов высокого качества и небольшой цены для того, чтобы широко использовать его во всех сферах промышленности. Твердость этого камня также влияет на его высокие показатели износостойкости при использовании в ювелирном деле.
Читайте также: