Добыча, формула и свойства алмаза

О существовании драгоценных камней алмазов известно практически каждому человеку. А еще известны факты о необычайной твердости вещества, поэтому формула алмаза интересует многих людей, особенно из-за его необычных свойств.

Алмаз является одним из признаков богатства, камень могут позволить приобрести только обеспеченные люди, поскольку стоимость алмазов или их ограненных вариантов — бриллиантов — доходит до нескольких тысяч долларов. По составу или формуле минералы являются не чем иным, как обычным углеродом.

Кристаллическая решетка алмаза и графита

Именно углерод, он же карбон, или известный из школы элемент таблицы Менделеева, который записывается, как C, входит в состав алмаза. Атомный номер вещества равняется шести. Больше никаких примесей в структуре камня нет. Поэтому формула бриллианта или алмаза не имеет схематической записи, только пространственную запись, состоящую из атомов углерода.

Углерод является одним из четырех макроэлементов, которые входят в состав человеческого организма. А также это вещество составляло газовое облако, из которого образовывались планеты и космические системы. В большом количестве углерод представлен именно в коре Земли. Поэтому неудивительно, что такой красивый минерал, как алмаз состоит из этого элемента.

Но перед тем как переходить к рассмотрению внешнего вида алмаза, важно знать, что каждое вещество на планете имеет свое пространственное строение, состоит из атомов и молекул. В роли атомов в данном случае выступает углерод. Он располагается в пространстве под разными углами, и получаются аллотропные модификации. Поэтому, кроме алмазов, из углерода состоят такие вещества, как:

• графит;
• карбин;
• лонсдейлит;
• фуллерен;
• уголь;
• сажа;
• графен;
• нанотрубки углеродные.

Формула алмаза и графита одинаковая. Казалось бы, что по внешним признакам никакого сходства между черным углем или графитом и алмазом нет, но по составу эти вещества идентичны.

Химические свойства и структура вещества

Аллотропные модификации возможны, потому что существуют разные способы гибридизации электронов атома. Углерод состоит из 6 электронов, которые находятся на 2 энергетических уровнях: на первом — 2 S-электрона, на втором — 2 S-электрона и 2 P-электрона. При возбуждении атома происходит перемещение 1 электрона на другой подуровень. Таким образом строение атомов меняется и они приобретают форму тетраэдра.

Если говорить о связях между атомами, то они бывают разными, в зависимости от формы гибридизации. Между собой атомы углерода образуют либо сигма-связи (ковалентные) или пи-связи. Оба варианта связей являются ковалентными, но сигма-связи прочнее.

Алмазы, найденные в природе, могут иметь разную форму и внешний вид, но кристаллическая решетка и химические свойства всегда будут одинаковыми. Кристаллическая решетка выглядит, как тетраэдр, на вершинах которого находятся атомы углерода. Связи между атомами — по типу сигма. Именно этим фактом и обусловлена колоссальная твердость вещества. Атомы в вершинах тетраэдров образуют центры новых тетраэдров. Решетка минерала имеет кубическую симметрию.

А вот графит имеет другое химическое строение решетки. В ней прочные только плоскостные связи, а пространственные соединения между атомами не такие надежные. Это объясняется свободными электронами в атомах. Зато у графита хорошая электропроводность из-за свободных электронов.

Если говорить о решетках, то стоит отметить, что по отношению к алмазам не используется молекулярный тип строения, поскольку в основе вещества лежат именно атомы. Молекула углерода практически не встречается в природе. Она обнаруживается только в фуллеренах, где располагается в виде многогранников. По своей структуре молекула фуллерена напоминает футбольный мяч, сложенный из шестиугольников. На сегодня молекула фуллерена представлена формулами от С60 до С540, где число обозначает количество атомов углерода в молекуле.

Качества минерала и его добыча

Как образовалась такое вещество, как алмаз, ученые до сих пор не выяснили, и химическая формула алмаза не прояснила ситуацию. Есть несколько теорий, в частности, теория космического происхождения или гипотеза подъема магматических пород вместе с карбоном на поверхность земли. Добывают алмазы в кимберлитовых или лампроитовых трубках. А характеристики элемента выделяют такие:

• Абсолютная твердость среди минералов. По шкале Мооса алмаз занимает первое место. Это значит, что поцарапать камень нельзя ни одним веществом, а сам алмаз поцарапает любой другой элемент, хотя камень обладает большой хрупкостью.
• Алмаз имеет хорошие изоляционные свойства.
• Минерал стойкий к воздействию кислот.
• Алмаз имеет интересную кривую температур плавления. Камень с доступом кислорода горит при 800-1000 градусах Цельсия синим пламенем. А без доступа воздуха температура плавления составляет 4000 градусов, после чего вещество переходит в графит. Обратный процесс превращения графита в алмаз невозможен.
• Теплопроводность алмаза — 20-24 Вт, поэтому камень не будет нагреваться в руках. Это самый простой способ проверить настоящий алмаз или нет.
• Алмаз знаменит своей люминесценцией, то есть игрой света.

Аллотропные модификации углерода

Камень, кроме углерода, не должен содержать ничего. Но в природе такое явление встречается нечасто. В составе алмазов попадается много примесей, которые портят внешний вид камня. Примеси снижают стоимость материала, иногда от них можно избавиться с помощью огранки минерала.

Добыча алмазов ведется на разработанных участках. Страны-добытчики:

1. ЮАР.
2. Австралия.
3. Россия.
4. Индия.

Определение наличия алмазов ведется с помощью рентгеновских лучей. Самый большой по размерам камень был обнаружен в ЮАР, его вес составлял больше 3 тысяч карат. Не все камни проходят оценку геммологами из-за наличия примесей или дефектов структуры. Большая часть минералов идет на потребности промышленности и изготовление алмазной крошки. Среди промышленных видов сырья выделяют три варианта:

• борт — мелкие минералы, непригодные к обработке;
• баллас;
• карбонадо — черные алмазы, приобретающие такой оттенок из-за примесей железа или сульфидов.

Искусственные аналоги

Изготовление искусственных алмазов — непростая задача, поскольку сформировать самые прочные сигма-связи между атомами карбона непросто. Аллотропные модификации могут переходить одна в другую, но при условии разрушения связей, а не построения новых. Активно используется формула графита при добыче алмазов в лабораториях. Но чаще заменяют искусственные алмазы фианитами или кристаллами, которые вырастить проще в условиях лаборатории.

Существует несколько способов получения искусственных алмазов, правда, они чаще используются в промышленных, а не ювелирных целях. Среди них:

• HPHT тип. Алмаз производится с помощью специальных приборов, которые создают условия, близкие к природным. А это огромное давление и воздействие высоких температур. Кристаллические связи получаются из графита, который оседает на стенках затравочного алмаза.
• CVD тип. Использование паров метана для получения алмаза. Это химический способ, который также включает использование графитовых остатков.
• Взрывной синтез, в результате которого образуется алмаз.

В ювелирной отрасли использовать такие алмазы рано ввиду их низкого качества. Сами способы нельзя назвать массовыми или дешевыми, поэтому разработки в этом направлении продолжаются. Алмазы имеют простое химическое строение, наверное, в этом и заключается их красота. В камнях не присутствует ничего лишнего, и это заставляет ученых интересоваться структурой минерала. Сейчас, когда свойства алмаза изучены на достаточном уровне, ученые пытаются повторить и воспроизвести действия природы.