Алмаз

Алмаз (далее А), минерал, модификация чистого (С). А обладает самой большой из всех известных в природе материалов твердостью, благодаря которой он применяется во многих важных отраслях промышленности. Известны три модификации кубическая — собственно А и две гексагональные — графит и лонсдейлит. Последняя найдена в метеоритах и получена искусственно.   А природный. А в кубические сингонии. Важнейшие формы А: плоскогранные — октаэдр, ромбододекаэдр, куб и различные их комбинации; кривогранные — додекаэдроиды, октаэдроиды и кубоиды. Встречаются сложные комбинированные формы, двойники срастания по шпине-левому закону, двойники прорастания и зернистые агрегаты. Грани обычно покрыты фигурами роста и растворения в форме отдельных выступов и углублений.   Разновидности А: баллас (шаровидной формы сферолиты радиально-лучистого строения), карбонадо (скрыто- и микрокристаллические агрегаты неправильной формы, плотные или шлакоподобные), борт (неправильной формы мелко- и крупнозернистые поликристаллические образования).   Размер природных А колеблется от микроскопических зерен до весьма крупных массой в сотни и тысячи каратов (1 кар=0,2 г). Масса добываемых А обычно 0,1—1,0 кар; крупные свыше 100 кар встречаются редко. Самый крупный в мире А "Куллинан", массой 3106 кар, найден в 1905 в Южной Африке; из него было сделано 105 бриллиантов, в том числе "Звезда Африки" ("Куллинан ") в 530,2 кар и "Куллинан " в 317,4 кар, которые вставлены в королевский скипетр и императорскую корону Англии. Там же найдены А "Эксцельсиор" в 971,5 кар (1893) и "Джонкер" в 726 кар (1934), из которых также изготовлены бриллианты различной величины.   Об уникальных алмазах СССР см. в ст. Аный фонд СССР.   В зависимости от качества (размера, формы, цвета, количества и вида дефектов) и назначения А делятся на 7 категорий и 23 группы: 1-я категория — ювелирные А, 2-я — светлые А разнообразного назначения, 3-я — А для однокристального инструмента и оснащения измерительных приборов (например, для измерений твердости) и т. д. в соответствии с техническими условиями на природные А   На мировом рынке различают 2 вида А — ювелирные и технические. К ювелирным 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 прочие добываемые А, вне зависимости от их качества и размеров. Технические А применяются в виде порошков, а также отдельных которым путем огранки придают нужную форму (резцы, фильеры и др.).   Физические свойства. Элементарная ячейка решетки алмаза имеет вид куба. С расположены в вершинах куба, в центрах его граней, а также в центрах 4 несмежных октантов (рис. 1). Каждый С связан с 4 ближайшими соседями, симметрично расположенными по вершинам тетраэдра, наиболее "прочной" связью — ковалентной (см. Ковалентная связь). Соседние находятся на расстоянии, равном 0,154 нм. Идеальный А можно представить себе как одну гигантскую молекулу. Прочная связь между С обусловливает высокую твердость А   Структуру, подобную А, имеют и другие элементы группы периодической системы , , . Однако в последовательности С——— прочность ковалентной связи убывает соответственно с увеличением межатомного расстояния. решетку А имеют также многие соединения, например соединения элементов и групп периодической системы (решетка типа сфалерита — ). Структуры этих соединений (являющихся полупроводниками) благодаря дополнительной ионной связи (помимо ковалентной), по-видимому, прочнее структур элементов 4-й группы, принадлежащих к тому же периоду системы элементов. Например, соединение с бором называется боразоном, по твердости не уступает А   Благодаря особенностям структуры (все 4 валентных электрона С прочно связаны) идеальный А (без примесей и дефектов решетки) должен быть прозрачным для видимого света диэлектриком. В реальных же всегда имеется некоторое количество примесей и дефектов решетки, различное для разных образцов (см. Дефекты в кристаллах ). Даже в наиболее чистых ювелирных А содержание примесей достигает 1018 на 1 см3. Наиболее распространены примеси , , и . Распределение примесей в А может быть неравномерным, например на периферии их больше, чем в центре. Сильные связи между С в структуре А приводят к тому, что любое несовершенство решетки А оказывает глубокое воздействие на его физические свойства. Этим объясняются, в частности, расхождения данных разных 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, графит, кварц, окислы и т. п.), жидкие (вода, углекислота) и газообразные ( и др.) включения.   Плотность А у различных минералогических образцов колеблется в пределах от 3470 до 3560 кг/м3 (у карбонадо от 3010 до 3470 кг/м3). Вычисленная плотность А (по рентгенограммам) ~3511 кг/м3. А — эталон твердости Мооса шкалы с числом твердости 10 (корунд — 9, кварц — 7, — 3). Микротвердость А, измеряемая вдавливанием алмазной пирамидки, составляет от 60—70 до 150 Гн/м2 (или от (6—7)´103 до 15—10 кгс/мм2) в зависимости от способа испытания (по Хрущеву и Берковичу ~104 кгс /мм2; корунд ~2´103, кварц ~1,1´103, ~1,1´102 кгс/мм2). Твердость А на различных гранях не одинакова — наиболее твердой является октаэдрическая грань ((111) — см. Миллеровские индексы). А очень хрупок, 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 (~1013 дин(см2), модуль объемного сжатия 600 Гн/м2 (~6´1012 дин/см2). Тепловой коэффициент линейного расширения возрастает с температурой от 0,6´10-5 °С-1 в интервале 53—303 К до 5,7´10-6 в интервале 1100—1700 К. Коэффициент 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 а мольная теплоемкость равна 5,65 кдж/С кмоль×К. А диамагнитен (см. Диамагнетизм), восприимчивость на единицу массы равна 0,49´10-6 единиц СГС при 18° С.   Цвет и прозрачность А различны. Встречаются А бесцветные, белые, голубые, зеленые, желтоватые, коричневые, красноватые (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 напряжениями, связанными с неоднородностями строения 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" решетку (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 (обнаруженные впервые в 1933), не имеющие линий поглощения в области 8—10 мкм и прозрачные до ~ 0,22 мкм. Встречаются А со смешанными признаками, а также обладающие в одних частях признаками 1-го типа, а в других — 2-го. Основные спектроскопические характеристики хорошо коррелируются с количеством содержащегося в решетке А, и, по-видимому, стойкими различиями строения.   Предложено подразделение А 2-го типа на 2а и2б, различающиеся электрическими свойствами. Удельное электрическое сопротивление А 1-го типа r ~1012—1014 ом×м, типа 2а — r ~1012 ом×м. А, принадлежащие к типу 2б, имеют r ~0,5—10 ом×м, они являются примесными полупроводниками р-типа, обладают фотопроводимостью и при нагревании обнаруживают линии поглощения на длинах волн l > 6 мкм (они крайне редки, открыты только в 1952). Встречаются А с исключительно малым сопротивлением r~10-2, которые могут пропускать большие токи. Среди неполупроводниковых А 2-го типа иногда встречаются электропроводность которых резко возрастает при облучении a-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 ( или и соды (t ~500°С). На воздухе А сгорает при 850—1000°С, в — 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) А сохраняются при 3400°С, но превращаются в графит при 3600°С и выше. Эти предельные для А температуры отмечены на рис. 2 (граница между областями 5 и 3).   Месторождения и добыча. А известен человечеству за много веков до н. э. Впервые А начали добывать в Индии, в 6—10 вв. — 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 Центральную, Западную и Восточную Африку).   А добываются из коренных и россыпных месторождений. Единственной промышленный коренной породой А являются 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. Наибольший промышленный интерес имеют трубки размером до 1525´1068 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, "Мвадуи" в Танзании, "Маджгаван" в Индии; дайки и жилы Мали, "Бельсбенк", "Щвартругген" в ЮАР, "Коиду" в Сьерра-Леоне, дайка на р. Бу — Берег Слоновой Кости и др.). В кимберлитах А распределены весьма неравномерно. Они встречаются одиночными и реже их сростками; характерно, что нигде не образуют крупных скоплений.   Эксплуатируются месторождения с содержанием А порядка 0,4—0,5 кар/м3 и некоторые трубки с исключительно высококачественными А, в которых содержание снижается до 0,08—0,10 кар/м3 ("Ягерсфонтейн" в ЮАР). Добыча из отдельных трубок достигает 2—2,5 млн. кар 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 не имеется. Одни исследователи предполагают, что А 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, которые эксплуатируются при содержании 0,25—0,50 кар/м3).   В России А впервые были обнаружены в 1829 на Среднем Урале (в бассейне р. Койвы). 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 месторождения А были открыты в Восточной Сибири, на территории Якутской АССР. Сибирская алмазоносная провинция приурочена к Сибирской платформе; 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 в Казахстане.   Мировая добыча природных А (без СССР) возросла с 7,5 млн. кар в 1929 до 30 млн. кар в 1967.   За все время эксплуатации месторождений (по 1 января 1968) за рубежом извлечено около 900 млн. кар (180 т) А Свыше 80% добываемых А используется в промышленности. До 30-х гг. 20 в. первое место в мировой добыче А прочно занимал ЮАС (с 1961 — ЮАР) где преобладают ювелирные камни. Впоследствии в связи с сильным ростом спроса на технические А на первое место по количеству добываемых А выдвинулось Конго (столица Киншаса), где имеются крупные запасы технического А Добыча природных алмазов в зарубежных странах (тыс. кар)   1929 1937 19671 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                                            1Предварительные данные     В большинстве стран капиталистического мира добыча и сбыт А контролируются крупнейшей монополией — Аным синдикатом.   Разработка месторождений А Россыпные месторождения А разрабатываются открытым способом с применением экскаваторов или драг. Добыча алмазоносной породы из трубок вначале осуществляется при помощи 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. Кирстеном в 1897). Для извлечения мелких А (до 4 мм) наряду с жировым процессом применяют электростатическую сепарацию, основанную на различной проводимости минералов (А — плохой проводник электричества). В СССР разработан рентгенолюминесцентный метод извлечения А из концентратов, основанный на способности А люминесцировать. Разрабатываются аппараты, в которых рентгеновские трубки заменены радиоизотопами. Созданы рентгенолюмииесцентные автоматы, в которых вместо визуального обнаружения и ручного съема А с конвейерной ленты используется фотоэлектронный умножитель (т. н. электроглаз).   А синтетический представляет собой А, получаемый искусственным путем из неалмазного и веществ. Синтетический А имеет структуру и основной состав природного А   состав А определен в конце 18 в. Это дало начало многочисленным попыткам получения искусственного (синтетического) А в различных странах. Надежные результаты синтеза А получены в середине 50-х гг. 20 в. почти одновременно в нескольких странах (США, Швеция, ЮАР).   В Советском Союзе А впервые синтезированы в институте физики высоких давлений под руководством академика АН 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 модификацией стабильной лишь при высоком давлении. Давление равновесия термодинамического между А и графитом при абсолютном нуле (0 К= —273,16°С) составляет около 1500 Мн/м2 (15 кбар) и возрастает с увеличением температуры (рис. 2, граница между 4 и 5). При давлении, меньшем равновесного, устойчив графит, а при более 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 превращение графита в А требует высокой температуры и соответственно высокого давления (7 на рис. 2). Поэтому для облегчения синтеза используют различные агенты, способствующие разрушению или деформации 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 который, выделяясь из раствора или при распаде соединений, в виде А Роль таких агентов могут играть некоторые металлы (например, и их сплавы).   Необходимое для синтеза давление создается мощными гидравлическими прессами (усилием в несколько и десятки Мн, или в сотни и тыс. тс), в камерах с твердой сжимаемой средой (см. Давление высокое). В сжимаемой среде располагается нагреватель, содержащий реакционную смесь, состоящую из графита (или др. вещества) и металла, облегчающего 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 с линейными размерами в десятые доли мм). Для сохранения полученных А в нормальных условиях (в метастабильном состоянии) прореагировавшая смесь охлаждается до комнатной температуры, а затем снимается давление.   Вещества, применяемые при синтезе или добавляемые 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 А окраску от светло-синей до темно-красной; бор и придают А определенные температурные зависимости электросопротивления. Форма и окраска зависят также от температурного режима: для синтеза при высокой температуре характерны более совершенные прозрачные октаэдрические Снижение температуры приводит к появлению кубооктаэдрических и кубических а в низкотемпературной области обычно образуются черные кубические Микроскопические А могут получаться и без участия катализаторов при сжатии графита в ударной волне. Этот метод пока не получил промышленного применения. Разработаны также методы синтеза А в области устойчивости графита (9 на рис. 2).   Сравнительно быстрый рост А синтетические и специфические примеси обусловливают их особые физические и механические свойства. Варьирование условий синтеза позволяет получать разных размеров (до 4 мм), степени совершенства, чистоты 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, стойкостью против ударных нагрузок (см. Инструмент алмазный).   В СССР с 1965 выпускаются технические синтетические А обыкновенной, повышенной и высокой прочности. Они используются в качестве абразивного материала, а также при изготовлении однокристального инструмента. С расширением выпуска синтетических А народное хозяйство получает высококачественный абразивный материал, более дешевый, 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.: Шафрановский И. И., Аы, 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 высоких давлений и искусственные алмазы, в сборнике: Октябрь и научный прогресс, кн. 1, М., 1967; Бутузов 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., Аы на службе человека, М., 1967.   Соболев В.С., Геология месторождений алмазов Африки, Австралии, острова Борнео и Северной Америки, М., 1951; Ферсман АЕ. , алмаза, М., 1955; Хильтов Ю. М., Главнейшие этапы формирования кимберлитов, "Докл. АН 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 О. И. и Устинов В. И., Возможные источники алмазов по изотопным данным С12 С13, "Геохимия", 1965, № 6.