Алмазы

XVII научно – практическая конференция им. Кондратьева

Алмаз – легенды и действительность

                                             Работу выполнила:

Ученица 9 «А» класса гимназии № 8

                                                    им. Л.М. Марасиновой

                                                 Домашних Елизавета

                                                      Научный руководитель:

                                                                   Лебедева Ирина Владимировна

Рыбинск, 2010

Содержание:

1. Введение                                                                                                                       стр. 3                                                                                                                                                                                                              

2. Строение и состав алмаза                                                                                           стр. 4

3. Происхождение алмазов                                                                                             стр. 4

4. Физические свойства                                                                                                  стр. 5

5. Химические свойства                                                                                                 стр. 6

6.Применение алмазов                                                                                                            стр. 7

   6.1 В ювелирной промышленности                                                                            стр. 7

   6.2 В технических целях                                                                                              стр. 8

7. Синтетические алмазы                                                                                                стр. 8

8. Алмазный фонд России                                                                                               стр. 9

9. Заключение                                                                                                                           стр. 10

10. Список литературы                                                                                                    стр. 12

1. Введение

          Необыкновенные свойства алмаза способствовали возникновению многочисленных легенд и поверий. Алмаз традиционно является символом власти и высокого общественного положения. Как талисман он гарантирует воину победу, активизирует его деловые качества и остроту ума, ведёт человека к намеченной цели. Алмаз также принято считать талисманом супружеской верности, отсюда обычай дарить обручальное кольцо с бриллиантом. В качестве амулета алмаз оберегает от врагов, приступов ярости и тоски, от ссор и дурных снов. Как оберег он хорош для людей интеллектуального труда. Алмазу приписывали уникальные лечебные свойства от всех болезней. Его использовали как стимулирующее средство, дающее сердцу энергию жизни. Алмаз имеет наибольшую силу, когда он подарен или получен свободно без принуждения и насилия. Астрологи считают алмаз камнем Солнца и Венеры. Его биоэнергетика самая мощная, ибо он концентрирует в себе астральную энергию своего созвездия — Овна. Как счастливый камень он хорош для всех знаков Зодиака, но особую удачу приносит Овну. В Индии, где он был впервые открыт, алмаз считается национальным камнем. В США он признан официальной эмблемой шт. Арканзас, где имеется заповедник «Алмазный кратер».

Прочитав некоторые  легенды я задалась вопросом: «Легенды об алмазах правда или вымысел»? Свой работой я попробовала ответить на этот вопрос.

Цель работы:

1.Изучить происхождение алмазов, их физические и химические свойства, применение.

2. Исследовать соответствуют ли легенды об алмазах научным данным.

Изучение алмаза продолжается на протяжении более 100 лет. За это время сделаны многие значимые открытия, получены принципиальные результаты по морфологии, физическим свойствам алмаза, составу включений в этом минерале, содержанию дефектов, изотопному составу и т.д. Несмотря на продолжительную историю изучения этого минерала, многие вопросы, касающиеся источников вещества, условий образования алмаза, остаются невыясненными.

2. Строение и состав алмаза

Кристалл алмаза состоит из атомов углерода. Атом углерода С, который содержит два неспаренных р-электрона, превращается в атом углерода С*, где все четыре электрона внешнего валентного уровня расположены на орбиталях поодиночке и способны образовывать химические связи. Химики называют такой атом "возбужденным".

В этом случае химических связей оказывается целых четыре, и все очень прочные. Недаром алмаз - самое твердое вещество в природе и с незапамятных времен считается царем всех самоцветов и драгоценных камней. Да и само его название означает по-гречески "несокрушимый".

Алмаз состоит из чистого углерода, но обычно содержит небольшие примеси различных химических элементов, входящих в кристаллическую структуру или в состав включений других минералов. Для бесцветных прозрачных разновидностей характерна структурная примесь азота (0,3%), хотя встречаются и “безазотные” алмазы. В непрозрачных и окрашенных разновидностях содержание примесей (оксиды алюминия, кремния, магния, кальция, железа, титана и др.) достигает 5%.

3. Происхождение алмазов

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.

О происхождении и возрасте алмазов до сих пор нет точных научных данных. Ученые придерживаются разных гипотез — магматической, мантийной, метеоритной. Большинство склоняются к магматической и мантийной теориям, к тому, что атомы углерода под большим давлением (как правило, 50000 атмосфер) и на большой (примерно 200 км) глубине формируют кубическую кристаллическую решетку — собственно алмаз. Камни выносятся на поверхность вулканической магмой во время формирования так называемых «трубок взрыва».

Возраст алмазов, по данным некоторых исследований, может быть от 100 миллионов до 2,5 миллиардов лет.

Известны метеоритные алмазы, внеземного, возможно — досолнечного, происхождения. Алмазы также образуются при ударном метаморфизме при падении крупных метеоритов, например, в Попигайской астроблеме на севере Сибири.

Промышленные месторождения алмазов связаны с кимберлитовыми и лампроитовыми трубками, приуроченными к древним кратонам. Основные месторождения этого типа известны в Африке, России, Австралии и Канаде.

                4. Физические свойства

Главные отличительные черты алмаза — высочайшая среди минералов твёрдость, наиболее высокая теплопроводность среди всех твёрдых тел, большие показатель преломления и дисперсия.

Цвет - от бесцветного или с едва заметными оттенками (нацветом), до ясно окрашенного розовато-лилового, жёлтого, зелёного, голубого, синего, молочно-белого, серого и чёрного. Ярко окрашенные камни называются фантазийными алмазами. Жёлтые — канареечные или капские алмазы из ЮАР, жёлтые низкого качества — алмазы химберли, жёлто-коричневые — алмазы шампань, жёлто-зелёные из Бразилии — баия-изумруд. Тёмно-бурые до чёрных — савойские алмазы, при наличии сероватого нацвета — сидерит, а на Руси их называли бакан, тогда как в США стально-серые алмазы получили название тиффанит. Они часто фосфоресцируют из-за наличия углеводородных включений. У некоторых алмазов окраска может изменяться от нагрева или характера освещения из-за чего они называются хамельонными алмазами. Долгое время происхождение цветных бриллиантов оставалось загадкой, и только несколько десятилетий назад тайна их происхождения была раскрыта. Цвет алмаза зависит от множества факторов, в том числе и от присутствия в нем чужеродных элементов. Каждый цветной камень природа окрашивает исключительно по своему желанию: бор делает бриллиант голубым, водород — фиолетовым, азот — желтым, марганец — розовым.

        Твёрдость - одним из замечательных свойств алмаза является его уникальная твердость. Наивысшая среди известных веществ, она принята за эталон. Относительная твердость алмаза по шкале Мооса — 10, что лишь на единичку больше, чем у корунда, и на три по сравнению с кварцем. Но по абсолютному значению твердости алмаз превосходит эти минералы в 5 и в 100 раз. Твердость — важный диагностический признак. Алмаз легко царапает все другие минералы, но следует помнить, чем больше размер алмаза, тем он более хрупкий.

Люминесценция - одно из важных свойств алмазов. 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.

Другие свойства: Алмаз 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.

Температура плавления алмаза составляет 3700-4000 °C. 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.

В числе других особенностей минерала — сильный алмазный блеск; уникальная теплопроводность — выше, чем у серебра; прозрачность для рентгеновских лучей. Алмаз не поддается действию самых крепких кислот и «есть неразложимое тело обыкновенными путями»,— как писал в 1807 г.     В. Севергин.

С уникальными твердостью и прочностью связано и название алмаза, которое производят от греческого «адамас». «Твердость алмаза несказанная...—пишет Плиний Старший. — Сего ради и получил название неодолимой силы с греческого языка». Приводит Плиний и любопытное свидетельство технического применения алмаза: «Когда удается разломать его, то разбивается на столь мелкие пленки, что их едва видеть можно.

5. Химические свойства

         Отметил В. Севергин и удивительную способность кристаллов алмаза гореть — «истощаясь в огне не дает никакого пара, и не оставляет по себе никакого остатка». Алмаз сложен почти чистым углеродом. В виде примесей в нем установлено 65 различных элементов, в том числе азот. На воздухе алмаз сгорает при 850—1000°С. Особенно эффектно сжигание солнечными лучами с помощью фокусирующих линз. Пользуясь этим способом, X. Дэви установил в 1807 г. идентичность состава алмаза и угля.  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.

Алмаз при обычных температурах химически инертен. Кислоты, даже самые сильные, на него не действуют. При высоких температурах алмаз приобретает химическую активность. Смесь серной кислоты с двухромо-вокислым калием при нагревании окисляет алмазные порошки в углекислоту. Алмаз растворяется в расплавленной натриевой и калиевой селитрах и соде при нагревании. В расплавленных карбонатах щелочей при 1000— 1200 °С алмаз превращается в окись углерода. Отдельные металлы (железо, сплавы железа, никель и др.) при более 800 °С частично растворяют алмаз.

Алмаз не смачивается водой, но прилипает к жировым смесям.

6.Применение алмазов

6.1 В ювелирной промышленности

Драгоценные камни – это минералы с особыми свойствами, используемые для ювелирных целей.   Условно они делятся на 4 класса. Алмаз относится к первому классу, наряду с рубином, сапфиром и  изумрудом.

На долю ювелирных алмазов обычно приходится 20-25% добываемых алмазов. Ювелирные алмазы прозрачны, без трещин и включений. При их огранке выявляются наибольший блеск и игра камня, устраняются природные дефекты, при этом теряется около 50% первоначальной массы.

        Для ювелирной обработки алмазов специалисты используют специальный камнерезный и шлифовальный инструмент.

            Высокий показатель преломления и сильная дисперсия  обуславливают яркий блеск и разноцветную «игру» ограненных ювелирных алмазов, называемых бриллиантами.

            Бриллиант (от франц. brillant, букв. — блестящий), бездефектный ювелирный алмаз, особая искусственная огранка которого максимально выявляет его блеск. Существуют различные виды огранки алмазов, а именно: принцесса, изумруд, ашер, овал, маркиз, груша, радиант, сердце.

После огранки алмазы применяют в ювелирной промышленности для изготовления драгоценностей.

6.2 В технических целях алмазы используются:

1. в алмазных буровых коронках для глубокого бурения,
2. в пилах, резцах, фильерах для вытягивания проволоки,
3. в оптической и электронной промышленности как полупроводники, датчики в счетчиках ядерных частиц,
4. для изготовления шлифующих и режущих инструментов,
5. для изготовления полировальных порошков и паст шлифующего материала.

7. Синтетические алмазы

Потребность в дешевых искусственных алмазах  привела  к созданию первых  искусственных алмазов сначала  в Швеции в 1953 г.,  затем в СССР и США – в 1956 г.

           Технология производства искусственных алмазов довольно сложна, поэтому полученные искусственным путем ювелирные алмазы значительно дороже природных.

          С помощью  метода химического  синтеза  для получения абразивных порошков ежегодно производится до 40 т дешевых мелкокристаллических алмазов.

В России находятся два центра производства искусственных алмазов  в Москве и Новосибирске.

          В современных лабораториях выращиваются материалы, которых нет в природе, но которые при огранке выглядят как драгоценные камни.

            К их числу относится имитация бриллианта — фианит, впервые полученный в России в 1972. в Физическом институте АН СССР (сокращенно - ФИАН, отсюда название).

Внешне фианиты ничем не отличаются от бриллиантов, их преломляющие и дисперсионные свойства позволяют им «играть» не хуже природных камней, и даже под действием ультрафиолетовых лучей искусственные кристаллы, как и натуральные камни, излучают разный свет.

Под действием высокой температуры в 3000 °С окись циркония и примеси кобальта, эрбия, ванадия, церия преобразуются в кристаллы фианита. Скорость роста довольно-таки высока – один сантиметр в час. Таким способом можно вырастить кристаллы даже в 100-200 грамм, однако из-за сложностей в огранке из сырья можно получить лишь 15 % ювелирных кристаллов.

В 1985 г. налажено промышленное производство алмазов в Японии, а в 1987 г. фирма «Де Бирс» сообщила о получении отдельных ювелирных алмазов массой до 11 кар. К середине 90-х гг. получены данные о синтезе таких алмазов массой до 30 кар. Перспективным оказался синтез методом термического градиента на затравках размером от 3 мм. Характерной особенностью синтетических алмазов является наличие у них коричнево-жёлтого и зеленовато-жёлтого цвета, а также включений никеля или платины. В Новосибирске в последние годы вместо гидравлических прессов была создана новая технология синтеза алмазов в беспрессовом аппарате «Разрезная сфера» (БАРС), где при высоких температурах и всестороннем давлении получают жёлтые БАРС — кристаллы алмаза до 3-6 кар. Преимущественная масса огранённых синтетических алмазов около 0,5 кар. С В Новосибирске синтезирован алмаз с александритовым эффектом, изменяющий окраску в разных условиях освещения от жёлтой до жёлто-зелёной. Там же получены красные алмазы в огранённом виде массой более 1 кар.

8. Алмазный фонд России

Алмазный фонд России – собрание произведений ювелирного искусства XVIII–XX веков, редких драгоценных камней, самородков золота и платины, представляющих большое историческое, художественное и научное значение, огромную материальную ценность. Это одна из немногих в мире сокровищниц, хранящих уникальные коронные драгоценности. Собрание постоянно демонстрируется на одноименной выставке, расположенной на территории московского Кремля.

Коллекция начала формироваться ещё в XVIII веке, когда Пётр I издал специальный указ о сохранении вещей, «подлежащих государству», тем самым признав, что наиболее значительные из них должны быть собственностью не одной лишь царской фамилии, но и всего Российского государства. Драгоценные предметы государственных регалий, орденские знаки и светские украшения многих поколений российских самодержцев до 1914 года хранились в специальном Бриллиантовом кабинете Зимнего дворца. После начала Первой мировой войны ценности были спешно эвакуированы в Московский Кремль, где в подвалах находились почти восемь лет. В 1922 году комиссия по выявлению и экспертизе предметов декоративно-прикладного и ювелирного искусства подтвердила уникальную историческую и художественную ценность предметов бывшего Бриллиантового кабинета и определила необходимость изучения и сохранения коллекции в неприкосновенности в составе Государственного хранилища ценностей. Собрание постоянно демонстрируется на одноименной выставке, расположенной на территории московского Кремля.

9. Заключение

Что же касается легенд об алмазах, то есть моменты, которые увязываются с практическими данными. В известной сказке о путешествиях Синбада - морехода рассказывается о хитроумном способе добычи алмазов. Где-то в далекой стране есть необычайно глубокое ущелье, дно которого усеяно алмазами. Доступ к сокровищам преграждают несметные полчища огромных змей. Однако люди нашли способ извлекать драгоценные камни и отсюда. Для этого с окружающих гор они сбрасывали в ущелье большие куски мяса. Алмазы прилипали к мясу, и огромные орлы уносили его в свои гнезда. Смелые искатели добирались до орлиных гнезд и собирали сверкающие кристаллы. В этой сказке есть два момента, которые могут соответствовать практическим данным. Одним из них является способность алмаза прилипать к жирам, а второй - "посредническая" роль птиц при добыче алмазов. Какие-либо достоверные сведения об этом в древнеиндийских источниках отсутствуют, но мы располагаем многочисленными и вполне достоверными данными, относящимися к XIX веку. На раннем периоде истории алмазных разработок в Южной Африке считалось выгодным разводить домашнюю птицу. Птицы рылись в отвалах горных выработок и, завидев блестящие зерна, проглатывали их.

Зоб каждой зарезанной птицы тщательно осматривали, надеясь найти драгоценный кристалл. Надежды эти иногда оправдывались. Так, к примеру, документально засвидетельствовано, что в зобу одного голубя, убитого на территории алмазного рудника, было обнаружено 23 алмаза массой 5.5 карата.

Нашла отражение в легендах и исключительная твердость алмаза. Плиний отмечает "несказанную" твердость камня, который "так сопротивляется ударам на наковальне, что железо с обеих сторон разлетается и сама наковальня растрескивается".

Очевидно, что римский ученый не различал твердости и прочности веществ. Если бы он проверил справедливость своего утверждения и, положив алмаз на наковальню, ударил по нему молотком, то лишился бы своей драгоценности, поскольку камень разлетелся бы на куски.

В китайских легендах, относящихся к IV веку н. э., рассказывается, что в королевстве Фу- Нан добывают алмазы, которые могут резать яшму.

Вымыслы и легенды о путях образования алмаза рождались не только в начале эры и в средние века.

В 1877 году в журнале "Кругозор" была опубликована заметка следующего содержания: "О происхождении алмаза имеются лишь смутные догадки. Он образовался, вероятно, среди первобытных пород, но его находят исключительно среди наносных камней и в речном песке новейшего образования. Поэтому нет возможности определить, каким путем образовался алмаз - сухим, мокрым или органическим. Известнейший химик нашего времени Ю. Либих предполагал, что алмазы - продукты гниения. "Это было бы удивительнейшим актом творчества природы, если бы продуктом смерти и разложения являлся как Феникс ярко блистающий алмаз. Но все это лишь предположения. Природа еще бережет свою тайну, но, конечно, лишь временно".

Сегодня мы с полным основанием можем сказать, что последняя фраза явилась пророческой. Менее чем за сто лет не только разгадали тайну образования природных алмазов, но и научились изготавливать синтетические алмазы в неограниченном количестве.

С практической точки зрения алмаз - не только красивый элемент ювелирных изделий, но и инвестиционно-экономическая единица, ценный технический материал. Алмазы нужны прежде всего для обработки металлов. И поэтому 3/4 (если не больше) добываемых на Земле алмазов использует промышленность. Алмазный бур сверлит твердые горные породы быстрее любого другого. Шлифовальные круги с алмазной крошкой шлифуют металлы быстрее и чище других шлифовальных кругов. Алмазными инструментами можно обрабатывать Твердые сплавы, которые не берет никакая сталь, природные и искусственные кристаллы и драгоценные камни. С научной точки зрения алмаз чрезвычайно информативен и интересен для изучения как глубинных (мантийных), так и малоглубинных процессов.

10. Список литературы:

1. Афонькин С. Ю. Минералы и драгоценные камни. - СПб.: «БКК», 2009
2. Буканов В.В. Цветные камни. Энциклопедия. С-Пб., Гранит, 2008
3. Корнилов И. Н., Солодова Ю. П. Ювелирные камни.- М.: «Недра»,1983
4. Ферсман А. Е. Очерки по истории камня. М., 1954
5. http://vokrugsveta.com статья Царь камней.
6. http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/2249/ФИАНИТЫ
7. http://almazi.net/