Уникальное строение кристаллической решетки алмаза

Строение алмаза

Алмаз — удивительный минерал, тверже, чем гранит, базальт и другие известные науке вещества. Его уникальные характеристики нашли свое применение в различных сферах хозяйственной деятельности: от приборостроения до ювелирного дела. Кристаллическая решетка алмаза имеет удивительное строение, благодаря которому этот минерал и стал одним из самых дорогих и востребованных в мире.

Ученые выяснили, из чего состоит удивительный минерал, и как объясняется удивительная твердость минерала, лишь в конце 18-го века. С тех пор предпринимались многочисленные попытки повторить это чудо природы и получить этот уникальный кристалл природного алмаза в лабораторных условиях. Парадокс состоял в том, что процесс возникновения минерала его структуры и решетки, был уже понят и описан, не хватало лишь технических условий определенного типа. Прогресс науки и изобретение новых лабораторных устройств, привели к тому, что в начале 50 г. 20-го века три страны СССР, ЮАР и США объявили о синтезе искусственных драгоценных камней.

Строение

Удивительный камень состоит из атомов углерода, соединенных между собой в пространстве в особом порядке. Порядок расположения атомов вещества называется кристаллической решеткой. Особое расположение частиц, тип решетки и задают плотность алмаза. Любая из ячеек имеет форму куба, поэтому и кристаллическая решетка этого камня названа кубической.

В каждой ячейке атомы углерода расположены в тетраэдрическом порядке. Прочные ковалентные связи между атомами углерода, образованы с помощью перекрывания sp3 гибридных орбиталей этих атомов. Каждый атом связан таким образом с четырьмя другими. Поскольку наивысшая валентность углерода равна четырем, то все возможные связи оказываются занятыми, и стороннее взаимодействие попросту невозможно. Именно тип кристаллической решетки и объясняет удивительный парадокс — необычайная твердость алмаза, крепче которого не существует в природе.

Твердость алмаза

Разновидности углеродных соединений

Известны еще две разновидности кристаллического вещества, состоящие из атомного углерода, это лонсдейлит и графит. Кристалл минерала алмаза значительно тверже своих собратьев. Лонсдейлит встречается лишь в останках метеоритов, а графит можно увидеть на каждом шагу. Парадокс, но мягкость графита, который легко слоится, и абсолютная твердость алмаза, объясняется лишь разным строением кристаллической решетки. Тип атомов у этих веществ абсолютно одинаков. Все дело в том, что кристаллическая решетка алмаза и графита и различны.

У графита решетка имеет гексагональный характер, частицы углерода расположены слоями, дистанция между которыми превышает расстояние между атомами в одном слое. Этим объясняется и электропроводность графита, и его высокий показатель поглощения света. Алмаз обладает кубической оксагональной решеткой, которая отвечает за его высокую прозрачность и низкий уровень электропроводности. Расстояние между атомами кристаллической решетки везде имеет одинаковое значение, поэтому прочность этого минерала особенно высока. В связи с этим кристалл алмаза является хорошим диэлектриком, практически не пропускающим электрический ток.

Состав

Кристалл алмаза содержит примеси таких веществ, как алюминий, магний, кремний, кальций, гранит. Часто встречается тип кристаллов с включениями воды, углекислоты и газообразных веществ. Распределение примесей обычно неравномерно, больше всего посторонних включений наблюдается на периферии кристалла.

Тип кристаллической структуры такой, как алмаз, встречается в строении других элементов 4-ой группы. Однако с увеличением атомной массы расстояние между атомами растет, и прочность ковалентных связей падает. Твердость алмаза объясняется тем, что атомы углерода расположены очень близко друг от друга.

Решетка графита

Свойства

Плотность алмаза составляет 3511 кг на куб. м. Этот минерал — эталон твердости по шкале Мооса, значение его твердости составляет 10 баллов. Гранит, например, имеет плотность 8-9, мрамор — еще меньше. Парадокс алмаза заключается и в том, что при абсолютных значениях твердости, прочность алмаза невелика, он превращается в пыль от резкого удара обычного молотка.

Спайность. Плотность алмаза неравномерна, камень раскалывается по системе плоскостей, параллельных граням кристалла. Такая способность в минералогии называется спайностью. Правильно выбранный тип плоскости спайности важен при ювелирной обработке, которой подвергается кристалл алмаза — точно выбранные угла раскола отделяют ненужные примеси, дефекты и вкрапления воды и твердых веществ, понижающие стоимость драгоценного камня.

Прозрачность. Структура алмаза позволяет предположить, что это камень должен быть абсолютно прозрачным для видимого света. Парадокс, но алмаз чистой воды не существует, реальные алмазы содержат от 2 до 5% примесей, которые искажают строение кристаллической решетки, делая ее неидеальной.

В последнее время открыта особенность алмаза изменять свой цвет под действием рентгеновского излучения. Облучение заставляет кристалл алмаза излучать свет в синей и зеленой части спектра. Кристаллическая решетка минерала под действием радиоактивности становится рыхлой, ковалентные связи между атомами нарушаются. Алмаз теряет свои показатели прочности и прозрачности.

Температура и алмаз
Парадокс алмаза распространяется так же на его химические показатели. Этот минерал необычайно стоек к воздействию различных кислот, вне зависимости от их температуры. В атмосфере этот кристалл алмаза сгорает при температурах около 1000°С. При более высоких температурах, порядка 1400°С, в вакуумной среде структура алмаза разрушается, начинается процесс превращения алмаза в графит. Точный расчет давления и температуры позволяет избежать образования графита и из углеродной заготовки ученые получают искусственный алмаз.

Природный кристалл алмаза

Добытый в природе алмаз имеет плоскогранную кристаллографическую форму. Часто встречаются и сложные, комбинированные разновидности. Грани найденных кристаллов обычно покрыты различными наростами и углублениями. Мнение о том, что алмаз чистой воды всегда бесцветен, ошибочно: в природе встречаются различные цвета этого минерала — красные, желтые, зеленоватые. Существует и парадокс — камни черных или темно-серых тонов. Окраска камня также может быть неравномерной. Тон окраски и степень ее однородности зависит от различных вкраплений инородных веществ, таких, как гранит, например.

Искусственный алмаз чистой воды высоко ценится в науке, технике, различных сферах производственной деятельности в ювелирном деле. Поэтому доскональное знание особенностей этого минерала, изучение кристаллической решетки алмаза привело к тому, что производство технических алмазов стало новой отраслью промышленности ведущих стран мира.

Оцениваем!
0