Твердость, свойства и применение алмаза

 

Твердость алмаза — одна из характеристик драгоценного камня. Именно за это и ценится минерал. Материал используется не только в ювелирном деле, но и в промышленности, где твердость играет важную роль. Поэтому эта характеристика исследована учеными и по ней даже составлена специальная шкала для остальных минералов.

Исследование характеристик камня

Конечно, самая простая проверка твердости алмаза не обойдется без использования шкалы Мооса. Фридрих Моос предложил использовать такую классификацию еще в 1811 году, и до сих пор она не утратила актуальности и используется геммологами. Твердость алмаза — это не что иное, как сопротивление материала при попытке поцарапать его другим камнем.

камень алмаз

Твердость алмаза

Коэффициент твердости выставляется от 1 до 10, где единица обозначает наименее твердый материал, а 10, в свою очередь, наиболее твердое вещество, то есть алмаз. Кроме алмаза, оценку 10 не получил ни один камень. По шкале Мооса наименее твердым является тальк. Остальные вещества имеют промежуточные значения.

Даже сейчас продолжают определять твердость таким же образом. Но способ может несколько повредить поверхность минералов, за исключением алмазов, поэтому производится царапание на наименее видных местах. Алмазы можно пробовать царапать любым веществом — так определяется подделка экземпляра или подлинник.

Даже искусственные вещества вроде карборунда все равно не дотягивают до показателей алмаза. Не удалось ученым также воспроизвести и сплав стали, который был бы тверже алмаза. Но все коэффициенты и число твердости по шкале Мооса не являются абсолютными, а только относительными числами.

Камень алмаз является таким твердым вследствие процесса формирования. На него повлияли, в том числе, и тектонические сдвиги, и высокие температуры почвы, а также остывание раскаленных пород. Некоторые ученые считают, что алмаз имеет космическое происхождение, именно его присутствие в составе метеоритов и обуславливает такую твердость. Но ни одна гипотеза не может объяснить, как все-таки появился алмаз с такими высокими показателями твердости.

Название минерала также говорит о его качествах. Например, с греческого языка созвучное слово «адамас» переводится, как «несокрушимый», «твердый». А с персидского «ал-ма» также имеет значение твердого.

Но не стоит путать показатель твердости и плотности. Плотность алмаза не самая высокая среди веществ и равняется 3,5 — этот показатель свидетельствует о количестве веса на единицу объема материала. Еще самой значимой характеристикой является показатель преломления, он также самый высокий у алмаза среди всех естественных минералов. А вот твердость и хрупкость — разные вещи. Алмаз, или бриллиант, — хрупкий камень, поэтому требует бережного ухода.

Разбить алмаз довольно легко, поэтому нельзя подвергать его механическим ударам или сотрясениям. Из-за такой характеристики работать ювелирам с камнем сложно, поскольку камень от неосторожного движения может рассыпаться на мелкие частицы.

Химическая сторона твердости

Интересным явлением можно назвать разницу твердости аллотропных модификаций алмаза. Дело в том, что камень состоит из атомов углерода. Кроме этого вещества в нем ничего не должно быть. Конечно, в природе встречаются примеси, портящие структуру и влияющие на твердость. Но на показатели большинства экземпляров это не влияет.

алмаз формула

Кристаллическая решетка алмаза и графита

Не только алмазы целиком состоят из углерода, у вещества есть много аллотропных модификаций, но уже не настолько твёрдых. Так, из элемента получаются такие материалы, как:

  • графит;
  • углеродные нанотрубки;
  • уголь и сажа;
  • фуллерены;
  • лонсдейлит.

Среди всех модификаций хорошо изучен графит, именно этот материал, вместе с тальком, обладает твердостью по шкале Мооса равной единице. На самом деле такая разница в твердости объясняется кристаллическим строением решетки атомов.

Атомы углерода в алмазе выстроены в форме тетраэдров — это фигуры с четырьмя гранями, которые по углам содержат атомы углерода, связанные между собой ковалентными сигма-связями. Сигма-связи в химии — самые прочные, а такой материал, как алмаз, полностью состоит из них. В графите, в свою очередь, плоские связи, также ковалентные сигма-структуры, а вот пространственные являются ковалентными пи-связями, которые менее прочны и неустойчивы к разрывам. Пи-связи подразумевают наличие свободных электронов, поэтому графит обладает незначительной электропроводностью.

Средними по твердости являются фуллерены, поскольку их решетка по углам содержит не атомы, а молекулы углерода. Связи между атомами в молекуле очень прочные, а вот ковалентные связи между молекулами можно разорвать. Именно сложностью построения связей объясняется сложность в работе по созданию искусственного алмаза. Разрушить между собой связи можно, а вот выстроить их и получить твердый минерал из графита — чрезвычайно сложно. Для этого нужны специальные условия по давлению и температуре.

Прочность алмаза, или твердость, можно проверить только с помощью постепенного давления. Если давление на материал повысится резко, то это будет считаться механическим воздействием, проще говоря, ударом. А постепенное повышение показателя выявит либо пластичность, либо твердость вещества.

Ученые придумали материал, который на 58% тверже этого минерала, его они назвали лонсдейлитом. Причем состав материала идентичен — атомы углерода. Вещество выдерживает давление на 55 ГПа больше, чем алмаз, но получить такую кристаллическую структуру и синтезировать лонсдейлит — очень сложная и материально затратная работа. Поэтому применение лонсдейлита ограничено.

Применение камня

Используется показатель твердости алмаза и в промышленности. Не все камни, которые обнаруживают в трубках на месторождениях, пригодны для ювелирной обработки. Большинство материала имеет слишком много дефектов. Такие минералы отправляются на потребности промышленности, где алмаз используется в качестве абразива. Аппаратура, которая имеет покрытие алмазной крошкой, работает дольше и качественнее. Алмаз используется в таких приборах и инструментах, как:

  • оборудование в медицине (скальпели, хирургические инструменты);
  • сверла, фрезы, шлифовальные круги, стеклорезы, ножницы и пилы по металлу, буровые установки;
  • в телекоммуникациях и электронике алмаз используют для прохождения сигналов разных частот по одному кабелю;
  • защитный элемент в химической и физической промышленности;
  • космическая отрасль, где используются даже лонсдейлиты, которые прочнее алмаза.

Алмаз — вещество, которое имеет уникальные свойства. В том числе и твердость минерала дает возможность использовать его в разных сферах. Применение камня актуально, и его стоимость продолжает расти. А искусственные вещества, которые крепче алмаза, пока недоступны для широкого использования.

Рекомендуем другие статьи