Основные свойства и классификация природных алмазов

Общие физические свойства

Из всех известных драгоценных камней алмаз самый простой по своему химическому составу: он состоит только из одного элемента - углерода. Можно сказать, что природа превзошла самое себя, когда создала из одного и того же элемента два, столь разные вещества, как твердый, блестящий и прозрачный алмаз и мягкий, жирный на ощупь, непрозрачный графит. Сравнительная характеристика свойств алмаза и графита приведена в табл. 1.

Таблица 1. Свойства алмаза и графита

Природа алмаза долгое время оставалась загадочной. Вначале его приравнивали по составу к горному хрусталю (чистому кварцу), и только в XVII в. была открыта принадлежность алмаза к горючим телам. В 1649 г. флорентийские академики в своем знаменитом опыте по сжиганию алмаза в солнечных лучах, сфокусированных с помощью линзы, установили, что алмазы исчезают при сильном нагревании, но при этом они дали неверное толкование наблюдаемому явлению, полагая, что алмаз испаряется. Позднее было установлено, что алмазы попросту сгорают.

После открытия М. В. Ломоносовым в 1748 г. закона сохранения вещества, который затем 40 лет спустя был подтвержден французским химиком Лавуазье, бесследное исчезновение алмазов при нагревании потребовало другого объяснения, которое бы не противоречило этому всеобщему закону. Вот почему сам Лавуазье занялся опытами с алмазами. Им было установлено, что алмаз при сильном нагревании и свободном доступе воздуха не испаряется, а сгорает с образованием углекислоты. Своими опытами Лавуазье впервые доказал, что алмаз состоит из чистого углерода. Такое известие вызвало сенсацию, настолько невероятным было сопоставление драгоценного камня с углеродом, который до этого был известен в форме таких малоценных материалов, как графит, сажа, уголь.

Алмаз и графит представляют собой две полиморфные модификации углерода (рис. 1). Кроме углерода в кристалле алмаза всегда присутствует некоторое количество примесей, составляющих не более десятых долей процента, но иногда доходящих (в виде включений посторонних минералов) до 5 %. Основные химические элементы-примеси в алмазе - азот, кислород, водород, железо, титан, марганец, кремний, алюминий, реже встречаются и некоторые другие. Азот является одной из характерных примесей, оказывающих существенное влияние на ряд свойств алмаза, в частности на его люминесценцию (свечение). Железистые загрязнения придают алмазу оранжево-желтые оттенки.

Рис. 1. Атомная структура алмаза (а) и графита (б)

Алмаз весьма устойчивый минерал. Он стоек к кислотам и щелочам. Растворимость алмаза во всех кислотах, даже концентрированных, практически равна нулю. Даже фтористоводородная кислота и царская водка (смесь в определенной пропорции азотной и соляной кислот) не действуют на алмаз. Поэтому, образовавшись при высоких давлениях и температурах в глубинах Земли, алмаз практически не подвергается химическим превращениям в условиях земной поверхности и сохраняется без изменения в течение многих сотен миллионов лет.

Вместе с тем алмаз может быть легко разрушен (окисляется и сгорает) в смеси соды с расплавленной натриевой или калиевой селитрой. Расплавленные карбонаты щелочей при 1000-1200 °С также превращают алмаз в окись углерода. Установлено, что сера слабо реагирует с алмазом при нагревании выше 600 °С. При нагревании до 800 °С в присутствии железа или сплавов на его основе алмаз растворяется. Именно поэтому алмазные резцы не получили применения при обработке стали и чугуна.

Алмаз с чистой поверхностью не смачивается водой (гидрофобен), но обладает способностью прилипать к некоторым жировым смесям. Гидрофобностью алмаза объясняются его проникновение ниже слоев смоченных водой гравийно-песчаных отложений и осаждение в природных и искусственных условиях вместе с минералами, имеющими значительно большую, чем у алмаза, плотность (например, гранаты, ильмениты и др.). Эти минералы являются, таким образом, спутниками алмаза в речных отложениях и помогают геологам при поисках алмазных месторождений: их присутствие служит поисковым признаком на алмазы.

На способности алмазов прилипать к некоторым жирам основан один из способов их извлечения из раздробленной горной породы. Алмазы прилипают к жиру, а остальные минералы и обломки пород в основном уносятся водой. Прилипшие алмазы извлекают, растапливая жир. Такова в принципе схема данного технологического способа извлечения алмазов.