Алмаз, минерал, кристаллическая модификация чистого углерода (С). А. обладает самой большой из всех известных в природе материалов твёрдостью, благодаря которой он применяется во многих важных отраслях промышленности. Известно три кристаллические модификации углерода: кубическая - собственно А. и две гексагональные - графит и лонсдейлит. Последняя найдена в метеоритах и ​​получена искусственно.

А. естественный. А. кристаллизуется в кубические сингонии. Важнейшие кристаллографические формы А .: плоськогранние - восьмигранник, ромбододекаэдра, куб и различные их комбинации; кривогранные - додекаедроиды, октаедроиды и кубоиды. Встречаются сложные комбинированные формы, двойники срастания по шпине-левом закона, двойники прорастания и зернистые агрегаты. Грани кристаллов обычно покрыты фигурами роста и растворения в форме отдельных выступов и углублений.

Разновидности А .: баллас (шаровидной формы сферолиты радиально-лучистого строения), карбонадо (ськрито- и микрокристаллические агрегаты неправильной формы, плотные или шлакоподибни), борт (неправильной формы мелко- и крупнозернистые поликристаллические образования).

Размер природных А. колеблется от микроскопических зерен до весьма крупных кристаллов массой в сотни и тысячи карат (1 кар = 0,2 г). Масса тех, добываемых А. обычно 0,1-1,0 кар; крупные кристаллы более 100 кар встречаются редко. Крупнейший в мире А. «Куллинан» массой 3106 кары, найденный в 1905 в Южной Африке; с него было сделано 105 бриллиантов , В том числе «Звезда Африки» ( «Куллинан I») в 530,2 казни и «Куллинан II» в 317,4 казни, которые вставлены в королевский скипетр и императорскую корону Англии. Там же найдены А. «Эксцельсиор» в 971,5 казни (1893) и «Джонкер» в 726 казни (1934), из которых также изготовлены бриллианты различной величины.

Об уникальных алмазы СССР см. (Смотри) в ст. Алмазный фонд СССР .

В зависимости от качества (размера, формы, цвета, количества и вида дефектов) и назначении А. делятся на 7 категорий и 23 группы: 1-я категория - ювелирные А., 2-я - светлые А. различного назначения, третий - А. для однокристального инструмента и оснастки измерительных приборов (например, для измерений твердости) и так далее в соответствии с техническими условиями на природных А.

На мировом рынке различают 2 вида А. - ювелирные и технические. К ювелирных относятся А. совершенной формы, высокой прозрачности без трещин, включений и др. дефектов. А., ограненные специальной «бриллиантовой» гранью, называются бриллиантами. Ювелирные А. обычно применяются в виде украшений. а в капиталистических странах и в качестве надежного источника вложения капитала. К техническим относятся все что другие добываются А., независимо от их качества и размеров. Технические А. применяются в виде порошков, а также отдельных кристаллов, каким путем огранки придают нужную форму (резцы, фильеры и др.).

Физические свойства. Элементарная ячейка кристаллической решетки алмаза имеет вид куба. Атомы углерода С расположены в вершинах куба, в центрах его граней, а также в центрах 4 несмежных октантов (рис. 1). Каждый атом С связан с 4 ближайшими соседями, симметрично расположенными по вершинам тетраэдра, «крепким» химической связью - ковалентной (см. ковалентная связь ). Соседние атомы находятся на расстоянии, равном 0,154 нм. Идеальный кристалл А. можно представить себе как одну гигантскую молекулу. Прочную связь между атомами С обусловливает высокую твердость А.

Структуру, подобную А., имеют и другие элементы IV группы периодической системы Si, Ge, Sn. Однако в последовательности С-si-ge-sn прочность ковалентной связи убывает соответственно с увеличением межатомного расстояния. Кристаллическую решетку А. имеют также многие химические соединения, например соединения элементов III и V групп периодической системы (играть типа сфалерита - ZNS). Структуры этих соединений (что полупроводниками ) Благодаря дополнительному ионной связи (кроме ковалентной), видимо, прочнее структуры элементов четвёртой группы, относящихся к тому же периоду системы элементов. Например, соединение азота с бором называется боразона , По твердости не уступает А.

Благодаря особенностям кристаллической структуры (все 4 валентных электрона атомов С прочно связаны) идеальный кристалл А. (без примесей и дефектов решетки) должен быть прозрачным для видимого света диэлектриком . В реальных же кристаллах всегда есть некоторое количество примесей и дефектов решетки, разное для разных образцов (см. Дефекты в кристаллах ). Даже в наиболее чистых ювелирных А. содержание примесей достигает 10 18 атомов на 1 см3. Наиболее распространены примеси Si, Al, Ca и Mg. Распределение примесей в А. может быть неравномерным, например на периферии их больше, чем в центре. Сильные связи между атомами С в структуре А. приводят к тому, что любая несовершенство кристаллической решетки А. оказывает глубокое воздействие на его физические свойства. Этим объясняются, в частности, расхождения данных различных исследователей. При общем описании свойств А. исходят из того, что максимальное содержание примесей составляет 5%, причем количество одной примесной компоненты не превосходит 2%.

В А. также встречаются твердые (оливин, пироксен, гранаты хромшпинелиды, графит, кварц, оксиды железа и т. П.), Жидкие (вода, углекислота) и газообразные (азот и др.) Включения.

Плотность А. в различных минералогических образцов колеблется в пределах от 3470 до 3560 кг / м 3 (в карбонадо от 3010 до 3470 кг / м 3). Исчисленная плотность А. (по рентгенограммам) ~ 3511 кг / м 3. А. - эталон твердости Мооса шкалы с числом твердости 10 (корунд - 9, кварц - 7, кальцит - 3). Микротвердость А., измеряемая вдавливанием алмазной пирамидки, составляет от 60-70 до 150 Гн / м 2 [или от (6-7) '10 3 до 15-10 кгс / мм 2] в зависимости от способа испытания (по Хрущеву и Беркович ~ 10 апреля кгс / мм 2; корунд ~ 2'10 3, кварц ~ 1,1ь10 3, кальцит ~ 1,1ь10 2 кгс / мм 2). Твердость А. на различных кристаллографических гранях не одинакова - наиболее твердой является октаэдрических грань [(111) - см. (Смотри) миллеровские индексы ). А. очень хрупкий, обладает весьма совершенной спайностью по грани (111). Анизотропия механических свойств учитывается при обработке монокристаллов А. и их ориентировке в однокристальном инструменте. Модуль Юнга - модуль нормальной упругости Л. 1000 Гн / м2 (~ 13 октября дин [см 2), модуль объемного сжатия 600 Гн / м2 (~ 6'10 12 дин / см 2). Тепловой коэффициент линейного расширения возрастает с температурой от 0,6ь10 -5 ° С -1 в интервале 53-303 К 5,7ь10 -6 в интервале 1100-1700 К. Коеффициент теплопроводности уменьшается с увеличением температуры в интервале 100- 400 к от 6 до 0,8 кДж / м × к (от ~ 14 до ~ 2 кал / сек × см × С). При комнатной температуре теплопроводность А. выше, чем у серебра, а молярная теплоемкость равна 5,65 кДж / С кмоль × К. А. диамагнитен (см. диамагнетизм ), Магнитная восприимчивость на единицу массы равна 0,49ь10 -6 единиц СГС при 18 ° С

Цвет и прозрачность А. различны. Встречаются А. бесцветные, белые, голубые, зеленые, желтые, коричневые, красные (разных оттенков), темно-серые (до черного). Часто окраска распределена неравномерно. А. изменяет окраску при бомбардировке а-частицами, протонами, нейтронами и дейтронами.

Показатель преломления А. равен 2,417 (для длины волны l = 0,5893 мкм) и возрастает с температурой, дисперсия 0,063. Угол полного отражения равен 24 ° 24 ''. Некоторые образцы А. обладают оптической анизотропией, например двойным лучепреломлением , Обусловленным внутренними упругими напряжением, связанным с неоднородностями строения кристалла. В большинстве А. наблюдается люминесценция (В зеленой и синей частях спектра) под действием ультрафиолетового и рентгеновского излучений, электронов, ot-частиц и нейтронов. Облучение А. нейтронами не сообщает ему стойкой радиоактивности, уменьшает плотность А., «разрыхляет» играть (см. Радиационные эффекты в твердом теле ) И вследствие этого ухудшает его абразивные качества. Большинство А. избирательно поглощает электромагнитное излучение в инфракрасной области спектра (l ~ 8-10 мкм) и в ультрафиолетовой (ниже 0,3 мкм). Их называют А. 1-го типа. Значительно реже встречаются А. 2-го типа (обнаружены впервые в 1933), не имеют линий поглощения в области 8-10 мкм и прозрачные до ~ 0,22 мкм. Встречаются А. со смешанными признаками, а также обладающие в одних частях кристалла признаками 1-го типа, а в других - 2-го. Основные спектроскопические характеристики кристаллов хорошо коррелируются с количеством азота, содержащегося в решетке А., и, пожалуй, устойчивыми различиями кристаллического строения.

Предложенное подразделение А. 2-го типа на 2а и2б, различающихся электрическими свойствами. Удельное электрическое сопротивление А. 1-го типа r ~ 12 октября -10 14 ом × м, типа 2а - r ~ 12 октября ом × м. А., принадлежащих к типу 2б, имеют r ~ 0,5-10 ом × м, они примесными полупроводниками р-типа, обладают фотопроводностью и при нагревании обнаруживают линии поглощения на длинах волн l> 6 мкм (они крайне редки открыты только в 1952). Встречаются кристаллы А. с исключительно малым сопротивлением r ~ 10 -2, которые могут пропускать большие токи. Среди ненапивпровидникових А. 2-го типа иногда встречаются кристаллы, электропроводность которых резко возрастает при облучении а-частицами, электронами и g-лучами. Глубина проникновения a-частиц в А. не более 10 мкм, электронов (с энергией ~ 1 МэВ) - 1 мм. Такие А. могут использоваться в кристаллических счетчиках . К достоинствам алмазных счетчиков относится способность работать при комнатной температуре, длительно работать в непрерывном режиме, выделять узкие пучки радиации. Их можно стерилизовать, что очень важно, например, для биологических исследований.

А. стоек к действию кислот и растворов щелочей (даже кипящих), растворяется в расплавах селитры (азотнокислого натрия или калия) и соды (t ~ 500 ° С). На воздухе А. сгорает при 850-1000 ° С, в кислороде - при 720-800 ° С. В вакууме или в инертном газе при 1400 ° С начинается заметная поверхностная графитизация А. При повышении температуры этот процесс ускоряется, и в области 2000 ° С полное превращение происходит за 15-30 мин. При импульсном нагреве (за несколько мсек) кристаллы А. сохраняются при 3400 ° С, но превращаются в графит при 3600 ° С и выше. Эти предельные для А. температуры отмечены на рис. (Рисунок) 2 (граница между областями 5 и 3).

Месторождения и добыча. А. известен человечеству за много веков до н.э. (э) Впервые А. начали добывать в Индии, в 6-10 вв. (Века) - на острове Борнео, в 1725 - в Бразилии. С 70-х гг. 19 в центр добычи А. из Азии и Южной Америки переместился в Африку (сначала в Южную Африку, затем в Центральной, Западной и Восточной Африки).

А. добываются из коренных и россыпных месторождений. Единственной промышленный коренной породой А. является кимберлиты Встречающиеся преимущественно на древних щитах и платформах. Кимберлиты чаще всего представлены трубообразными телами различного размера, дайками, жилами, реже силлами. На глубине нескольких сотен метров от поверхности Земли трубки могут переходить в маломощные жилы и дайки. Крупнейший промышленный интерес представляют трубки размером до 1525ь1068 м (трубка «Мвадуи» в Танзании), реже разрабатываются дайки и жилы. На всех платформах известно свыше 1500 кимберлитовых тел, но промышленному содержание А. имеют из них лишь единицы (в зарубежных странах - трубки «Премьер», «Де Бирс», «Бюлтфонтейн», «Дю-тойтспен», «Весселтон», «Кимберли», «Ягерсфонтейн» и «Финш» в ЮАР (Южно-Африканская Республика), «Мвадуи» в Танзании, «Маджгаван» в Индии; дайки и жилы Мали, «Бельсбенк», «Щвартругген» в ЮАР (Южно-Африканская Республика), «Коиду» в Сьерра-Леоне, дайка на р. Бу - Берег Слоновой кости и др.). В кимберлитах А. распределены весьма неравномерно. Они встречаются одиночными кристаллами и реже их сростками; характерно, что нигде не образуют крупных скоплений.

Эксплуатируются месторождения с содержанием А. порядка 0,4-0,5 кар / м 3 и некоторые трубки с исключительно высококачественными А., в которых содержание снижается до 0,08-0,10 кар / м3 ( «Ягерсфонтейн» в ЮАР ( Южно-Африканская Республика)). Добыча из отдельных трубок достигает 2-2,5 млн. Казни в год. Некоторые трубки дали значительные количества А. (в млн. Кар): «Премьер» около 55, «Бюлтфонтейн» около 24 «Весселтон» около 23 и др.

Единого мнения о генезисе А. в кимберлитах нет. Одни исследователи предполагают, что А. кристаллизуется на больших глубинах в пределах верхней мантии, другие считают, что А. образуется на глубинах 2-4 км. в промежуточных очагах, возникающих на границе пород фундамента и осадочного чехла платформ.

Основная добыча А. идет из россыпей (80-85%) различных генетических типов (делювиальные, аллювиальные, прибрежно-морские россыпи, эксплуатируемых при содержании 0,25-0,50 кар / м3).

В России А. впервые были обнаружены в 1829 на Среднем Урале (в бассейне р. Койву). За годы Советской власти в СССР создана сырьевая база А. выявленные месторождения А. на Урале объединяются в Уральскую алмазоносную провинцию, расположенную на западных склонах Южного, Среднего и Северного Урала, где имеются россыпи с высококачественными А. В 1954-55 месторождений А. были открыты в Восточной Сибири, на территории Якутской АССР. Сибирская алмазоносная провинция приурочена к Сибирской платформы; в ее пределах известны как россыпные, так и коренные месторождения (последние представлены кимберлитами трубчатой ​​формы). Месторождения сосредоточены в западной Якутии (трубки «Мир», «Удачная», «Айхал» и др.). Найдены также А. на Тимане, Украине и Казахстане.

Мировая добыча природных А. (без СССР) возросла с 7500000. Казни в 1929 до 30 млн. Казни в 1967.

За все время эксплуатации месторождений (до 1 января 1968) за рубежом вытягивает около 900 млн. Казни (180 т) А. Свыше что 80% добываемых А. используется в промышленности. К 30-м гг. 20 в первое место в мировой добыче А. прочно занимал ЮАС (Южно-Африканский Союз) (с 1961 - ЮАР (Южно-Африканская Республика)) где преобладают ювелирные камни. Впоследствии в связи с сильным ростом спроса на технических А. на первое место по количеству добываемых А. выдвигалось Конго (столица Киншаса), где есть крупные запасы технического А.

Добыча природных алмазов в зарубежных странах (тыс. Казни)

1929

1937

1967 1

Африка

Ангола

312

626

1288

Берег Слоновой Кости

176

Гана

861

1578

2537

Гвинея

56

72

Конго (столица Киншаса)

1910

4925

13155

Намибия (Юго-Западная Африка)

597

197

1900

Сьерра-Леоне

-

913

1493

Танзания

23

3

927

Центральноафриканская Республика

-

6

521

ЮАР

3395

1028

6668

Азия

Индия

1,6

1,2

8

Южная Америка

Венесуэла

15

68

Бразилия

144

197

350

Гайана

126

36

97

1 Предварительные данные

В большинстве стран капиталистического мира добыча и сбыт А. контролируются крупнейшей монополией - бриллиантовым синдикатом .

Разработка месторождений А. россыпные месторождения А. разрабатываются открытым способом с применением экскаваторов или драг. Добыча алмазоносной породы из трубок вначале осуществляется с помощью открытых горных выработок; на больших глубинах переходят к подземному способу разработки. Подземная разработка включает магазинирование алмазоносных пород в камерах и выдачу их на транспортные горизонты через рудоспуски.

Добытая алмазоносная порода после предварительной обработки (в песках - удаление глинистых частиц и крупной гальки, в кимберлитах - дробление и избирательное измельчение) обогащается до получения концентрата на отсадочных машинах или в тяжелых суспензиях (см. гравитационное обогащение ). Извлечение А. в концентрат достигает 96% от содержания их в горной массе.

Для извлечения А. из концентратов наибольшее распространение получил жировой процесс, основанный на избирательной способности А. прилипать к жировым поверхностям (предложен Ф. Кирстен в 1897). Для извлечения мелких А. (до 4 мм) наряду с жировым процессом применяют электростатическое сепарацию , Основанную на различной проводимости минералов (А. - плохой проводник электричества). В СССР разработан рентгенолюминесцентний метод извлечения А. из концентратов, основанный на способности кристаллов А. люминесцировать. Разрабатываются аппараты, в которых рентгеновские трубки заменены радиоизотопами. Созданные рентгенолюмииесцентние автоматы, в которых вместо визуального обнаружения и ручного съема А. с конвейерной ленты используется фотоэлектронный умножитель (т.н. електрооко).

А. синтетический является А., получаемый искусственным путем с недиамантового углерода и углеродсодержащих веществ. Синтетический А. имеет кристаллическую структуру и основной химический состав природного А.

Химический состав А. определен в конце 18 в Это дало начало многочисленным попыткам получения искусственного (синтетического) А. в разных странах. Надежные результаты синтеза А. получены в середине 50-х гг. 20 в почти одновременно в нескольких странах (США, Швеция, ЮАР (Южно-Африканская Республика)).

В Советском Союзе А. впервые синтезированы в институте физики высоких давлений под руководством академика АН (Академия наук) СССР Л. Ф. Верещагина. Промышленное производство А. было развито совместно с Украинским институтом сверхтвердых материалов. О получении синтетического А. в СССР было объявлено на Июльском пленуме ЦК КПСС (1960).

А. является кристаллической модификацией углерода стабильной лишь при высоком давлении. давление равновесия термодинамического между А. и графитом при абсолютном нуле (0 К = -273,16 ° С) составляет около 1500 Мн / м 2 (15 кбар) и возрастает с увеличением температуры (рис. 2, граница между 4 и 5). При давлении, меньшем равновесного, устойчив графит, а при высоком - А. Однако взаимные превращения А. в графит и графита в А. при давлении, соответственно меньшем или большем равновесного, происходят с заметной скоростью только при достаточно высоких температурах. Поэтому А. при нормальном давлении и температурах до 1000 ° С сохраняется практически неограниченное время (метастабильное состояние).

Непосредственное преобразование графита в А. требует высокой температуры и соответственно высокого давления (7 на рис. (Рисунок) 2). Поэтому для облегчения синтеза используют различные агенты, способствующие разрушению или деформации кристаллической решетки графита, или снижающие энергию, необходимую для ее перестройки. Такие агенты могут оказывать каталитическое действие. Процесс синтеза А. объясняют также растворением графита или образованием неустойчивых соединений с углеродом, который, выделяясь из раствора или при распаде соединений, кристаллизуется в виде А. Роль таких агентов могут играть некоторые металлы (например, железо, никель и их сплавы ).

Необходим для синтеза давление создается мощными гидравлическими прессами (усилием в несколько и десятки Мн, или в сотни и тыс. Тс), в камерах с твердым сжимаемой средой (см. давление высокое ). В сжатий среде располагается нагреватель, содержащий реакционную смесь, состоящая из графита (или др. Углеродсодержащих вещества) и металла что облегчает синтез А. После создания нужного давления смесь нагревается электрическим током до температуры синтеза, который длится от нескольких секунд до нескольких часов ( обычно нескольких минут достаточно для образования кристаллов с линейными размерами в десятые доли мм). Для сохранения полученных А. в нормальных условиях (в метастабильном состоянии) смесь прореагировала, охлаждается до комнатной температуры, а затем снимается давление.

Вещества, применяемые при синтезе или добавляются к реакционной смеси, могут входить в А. в виде примесей, обусловливая при этом некоторые их свойства (в первую очередь электрические и оптические). Например, примесь бора сообщает кристаллы А. окраску от светло-синей до темно-красной; бор и алюминий добавляют А. определенные температурные зависимости электросопротивления. Форма и окраска кристаллов зависят также от температурного режима: для синтеза при высокой температуре характерны более совершенные прозрачные октаэдрические кристаллы. Снижение температуры приводит к появлению кубооктаедричеських и кубических кристаллов, а в низкотемпературной области обычно образуются черные кубические кристаллы. Микроскопические кристаллы А. могут выходить и без участия катализаторов при сжатии графита в ударной волны . Этот метод пока не получил промышленного применения. Разработаны также методы синтеза А. в области устойчивости графита (9 на рис. (Рисунок) 2).

По сравнению быстрый рост кристаллов А. синтетические и специфические примеси обусловливают их особые физические и механические свойства. Варьирования условий синтеза позволяет получать кристаллы разных размеров (до 4 мм), степени совершенства, чистота и, следовательно, с заданными механическими и др. физическими свойствами. При определенных условиях образуются микрокристаллические агрегаты типа баллас (диаметром в несколько мм) и карбонадо, отличающиеся высокой прочностью и, в частности, устойчивостью против ударных нагрузок (см. инструмент алмазный ).

В СССР с 1965 выпускаются технические синтетические А. обычной, повышенной и высокой прочности. Они используются как абразивный материал, а также при изготовлении однокристального инструмента. С расширением выпуска синтетических А. народное хозяйство получает высококачественный абразивный материал, дешевле, чем природные А. Не исключено, что развитие методов синтеза А. позволит получать синтетические А. со специальными физическими, например полупроводниковыми, свойствами. Это откроет новую область применения А. в приборостроении. Ежегодное производство синтетических А. в США 7,0 млн. Кар (1967).

Лит .: Шафрановський И. И., Алмазы, М., 1964; Трофимов В. С., Основные закономерности размещения и образования алмазных месторождений на древних платформах и в геосинклинальных областях, М., 1967; Верещагин Л. Ф., Физика высокого давления и искусственные алмазы, в сборнике: Октябрь и научный прогресс, кн. 1, М., 1967; Карапузов В. П., Методы получения искусственных алмазов, в сборнике: Исследования природного и технического минералообразования, М., 1966; Коломенская М. Я., Натуральные и синтетические алмазы в промышленности, М., 1967; Рожков И. С., моров А. П., Алмазы на службе человека, М., 1967.

Соболев в.с., Геология месторождений алмазов Африки, Австралии, острова Борнео и Северной Америки, М., 1951; Ферсман А.Е., Кристаллография алмаза, М., 1955; Хильтов Ю. М., главные этапы формирования кимберлитов, «Докл. АН (Академия наук) СССР »1958, т. 123 №3; Васильев В. Г., Ковальский В. В., Черский Н. В., Проблема происхождения алмазов, Якутск, 1961: Орлов Ю. Л., Морфология алмаза, М., 1963; Виноградов А. П., Кропотова А. И. и Устинов В. И., Возможные источники углерода алмазов по изотопному данным С 12 С 13 «Геохимия», 1965, № 6.

Якутские алмазы: 1 - «Лучезарный» 37,60 казни; 2 - «Комсомольский» 48,48 казни; 3 - «Звезда (Сулус)» 21,66 казни; 4 - «Октябрьский» 68,47 казни; 5 - «Фабричный» 40 казни.

Исторические алмазы: 1 - «Великий Могол» 279 казни; 2 - «Кохинор» 108,93 казни; 3 - «Санси» 53,75 казни.

Рис. 1. Элементарная ячейка кристаллической решетки алмаза. Атомы С расположены по вершинам куба, в центрах граней и в центрах 4 несмежных октантов. Плотность упаковки в решетке 34%. В наиболее плотных кристаллических решетках достигается плотность упаковки 68% и 74%. Есть основания полагать, что при высоком давлении (см. Рис. (Рисунок) 2) существуют плотные (возможно - металлические) модификации С.

Исторические алмазы. «Куллинан» .3106 казни.

Рис. 2. Области существования углерода в различных состояниях (диаграмма состояния): 1 - жидкость 2 - стабильный алмаз; 3 - стабильный графит; 4 - стабильный алмаз и метастабильный графит; 5 - стабильный графит и метастабильный алмаз; 6 - гипотетическая область существования других твердых состояний углерода