Алмазы

Это свет солнца, сгустившийся в земле и охлажденный временем, он играет всеми цветами радуги, но сам остается прозрачным, словно капля.

(А. И. Куприн)

Алмазы известны с незапамятных времен, и слава о них как о первых среди лучших драгоценных камней прошла через всю историю человечества. Со времен древнеримских писателей Лукреция и Плиния и собственно с их слов очень долго считали, что алмаз не горит в огне и не дробится от ударов молота. Думали, что скорее молот разлетится на куски, чем расколется алмаз. Этим объясняется и само название алмаза, которое произошло от греческого слова "адамас", что значит "нерушимый". Такое мнение о несокрушимости алмаза держалось очень долго, так как никто не соглашался пожертвовать драгоценностью в целях эксперимента. В 1694 г. флорентийские академики в своем знаменитом опыте по сжиганию алмаза в солнечных лучах, собранных в фокусе большого вогнутого зеркала, подтвердили указание английского ученого Роберта Бойля, что алмаз исчезает при сильном нагревании. Но при этом они дали неверное объяснение наблюдаемому явлению, полагая, что алмаз испарился. В последующих опытах, выполненных весьма тщательно гениальным французским химиком Лавуазье, 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 большую сенсацию, настолько невероятно было сопоставление такого блестящего, драгоценного камня, как алмаз, с углеродом, который до тех пор был известен только в форме графита или угля. Оказалось, что в чистом виде углерод может существовать в двух кристаллических модификациях - в форме графита и алмаза. Как показали дальнейшие исследования с помощью лучей рентгена, кристаллы их отличаются друг от друга только структурой - расположением атомов углерода в пространстве.

В структуре алмаза каждый атом углерода окружен четырьмя соседями, которые пространственно так расположены, что находятся как бы в вершинах тетраэдра, т. е. замкнутой геометрической фигуры, состоящей из четырех треугольных граней, расположенных в пространстве так, как показано на рис. 8. При этом каждый атом углерода, находящийся в вершине тетраэдра, сам является центром другого тетраэдра. Все атомы углерода в кристалле алмаза расположены на одинаковом расстоянии друг от друга, равном 0,00000000152 см (рис. 9). Прочность связи атомов углерода в алмазе между собой придает последнему сугубую твердость. Удельный вес алмаза равен 3,51.

Рис. 8. Тетраэдр

В структуре графита (рис. 10) атомы углерода расположены слоями в параллельных плоскостях в углах правильных шестиугольников. В таком слое каждый атом углерода имеет только 3 соседей, каждый из которых находится на расстоянии 0,00000000142 см, однако расстояние между слоями почти в 2,4 раза больше и составляет 0,00000000339 см. Для мира атомов в неорганических соединениях такое расстояние весьма велико. Если в плоскости одного слоя связь между атомами углерода в кристалле графита чрезвычайно прочна, прочнее даже, чем в кристалле алмаза (так как расстояние между атомами меньше), то связь между слоями очень непрочна. Поэтому графит марок: плоские слои в виде мелких чешуек легко отделяются друг от друга. На этом свойстве графита основано применение его в качестве сердечников для карандашей. Удельный вес графита 2,24. Меньшая плотность графита в сравнении с алмазом объясняется большим расстоянием между слоями в кристалле графита.

Рис. 9. Расположение атомов углерода в кристалле алмаза

На примере алмаза и графита мы видим, какое колоссальное влияние на физико-химические свойства вещества имеет его кристаллическая структура. Алмаз прозрачен, бесцветен, имеет исключительно высокую твердость и является прекрасным изолятором, свойства графита совершенно противоположны. Графит черного цвета, непрозрачен, имеет сравнительно незначительную твердость и электропроводен.

Рис. 10. Расположение атомов углерода в кристалле графита

Хотя алмаз и образуется исключительно из углерода, тем не менее при его сжигании всегда обнаруживается некоторое количество золы, иногда до 4,8%, что объясняется наличием в алмазе различных примесей. Присутствие посторонних примесей в алмазе придает последним различного рода окраску. Бесцветные алмазы более ценны, присутствие золы в них значительно меньше, в пределах 0,02-0,05% и даже ниже.

Алмазы могут быть окрашены в различные цвета: черный, коричневый, красный, желтый, синий, голубой, зеленый и т. д., причем окраска может быть различной интенсивности. Окраска алмазов зависит исключительно от тех микроскопических примесей, которые они содержат (примеси попадают в кристалл алмаза из окружающей среды в процессе его роста). В химическом отношении алмаз очень стойкое вещество, нерастворимое даже при нагревании ни в кислотах, ни в каких-либо других известных растворителях.

Алмаз может быть разрушен только при нагревании его в растворе соды или калиевой селитры, а также при продолжительном нагревании; выше 700° в среде чистого кислорода, выше 1000° при доступе воздуха и выше 1200° в вакууме, когда он начинает перекристаллизовываться в графит. Не менее интересны и другие физико-химические свойства алмазов. Так, например, при облучении алмазов рентгеновскими и ультрафиолетовыми лучами, а также катодными лучами в большинстве случаев алмазы светятся, люминесцируют голубым, желтым и зеленым цветом. Алмазы не смачиваются водой и обладают способностью прилипать к некоторым жировым составам.

При обычных температурах алмазы хорошо проводят тепло и плохо проводят электричество. Такое сочетание свойств несколько необычно, вещества, хорошо проводящие тепло, как правило, бывают хорошими проводниками электрического тока. Проводимость алмазов сильно возрастает лишь при нагревании выше 1000 °С, и в этих условиях, в поле высокой частоты, алмазы ведут себя несколько отлично от других минералов. Это свойство алмазов используется на практике для извлечения алмазов из концентратов гравитационного обогащения методами электрической сепарации^*. Свойства алмазов люминесцировать при облучении их рентгеновскими лучами используется на алмазодобывающих предприятиях Якутии для диагностики алмазов при извлечении их из концентратов. На предприятиях Южной Африки для этой же цели используется свойство алмазов прилипать к некоторым жировым составам.

^* (Электрическая сепарация - метод разделения минералов в электрическом поле.)

Вследствие высокого показателя преломления света алмазы обладают исключительными оптическими свойствами, поставившими их на первое место среди других драгоценных камней. Однако техническое значение алмазы приобрели благодаря своей исключительной твердости.

Технические алмазы используются в абразивной, керамической и металлообрабатывающей промышленности, а также при бурении твердых пород и для изготовления фильер различного назначения. Алмазы применяются как в обработанном, так и в необработанном виде.

Отдельные необработанные кристаллы алмазов применяются при изготовлении резцов. Для этих целей используются алмазы величиной от 0,01 до 2 каратов^*. Алмазы употребляются также в виде порошка при различных шлифовальных работах. В обработанном виде алмазы нашли обширное употребление. Лучшие экземпляры алмазов идут на огранку и используются в качестве вставок при изготовлении различного рода украшений: колец, брошей, медальонов и тому подобных изделий (рис. 11 и 12).

^* (Один карат равен 0,2 грамма. Вес всех драгоценных камней обычно выражается в каратах.)

Алмазы нашли широкое применение в точном строении и часовой промышленности, где они в качестве опор или подшипников для вращающихся осей различного рода механизмов. При этом достигается особая точность, надежность в работе и долговечность приборов и часовых механизмов, так как подшипники из алмазов вследствие их исключительной твердости обладают самым минимальным трением по сравнению с каким-либо другим материалом. А чем меньше трение между подвижными, трущимися друг от друга частями прибора, тем меньше будет этих частей, а следовательно, прибор или часовой механизм будет работать дольше, надежнее и точнее. Подобного рода приборы устанавливаются на самолетах, подводных лодках, кораблях и т. д.

Рис. 11. Табакерка с бриллиантами и разными драгоценными камнями. (Работа середины XVIII века)

В металлообрабатывающей промышленности алмазы применяются при изготовлении различного рода инструментов. Как известно, для обработки металлов нужны такие инструменты, материал которых обладал бы большей твердостью, чем обрабатываемый этим инструментом металл; например, твердые сорта стали или специальные сплавы обрабатывают победитовыми резцами. А чем обработать эти резцы? Или, скажем, требуется изготовить деталь, обладающую твердостью победита. Вот в таких случаях и оказывается, что алмазы абсолютно незаменимы. С помощью алмазов можно обрабатывать детали с точностью до 0,002 мм и при этом значительно сократить время их обработки. Поршни авиационных моторов с помощью алмазных резцов можно изготовить даже с точностью до 0,1 микрона. В волочильной промышленности алмазы нашли применение в качестве фильер (штампов) при протяжке проволок точного диаметра от 0,001 до 2 мм. Алмазные фильеры незаменимы при протяжке проволоки из твердых металлов. Алмазы мало истираются, и поэтому проволока имеет точный диаметр по всей длине. По сравнению с фильерами, изготовленными из твердых сплавов, алмазные фильеры в 200-250 раз более износоустойчивые. Алмазные фильеры употребляются также при производстве искусственного шелка.

Рис. 12. Бриллиантовые ювелирные изделия: брошь с рубином, брошь с изумрудом, розовыми топазами и сапфиром

В абразивной промышленности алмазы применяются в виде алмазных кругов, пил или различного рода порошков. Как абразивный материал алмаз в 2500 раз лучше карбида бора^*; при обработке, например, часовых камней из синтетического корунда один карат алмазного порошка (0,2 г) равноценен 500 г карбида бора.

^* (Карбид бора - это химическое соединение бора с углеродом, по твердости занимает место между корундом и алмазом.)

Алмазы широко применяются при производстве буровых работ в поисках полезных ископаемых: нефти, угля и т. д., находящихся глубоко в недрах земли. Особенно незаменимы алмазы при проходке твердых горных пород (рис. 13). В случае применения алмазов скорость бурения в твердых породах увеличивается в 2-3 раза. Обычные буры имеют скорость вращения до 700 оборотов в минуту, а алмазные - в 5-6 раз больше. Увеличение скорости бурения ускоряет процесс работы, сокращает затраты времени и средств.

Рис. 13. Коронка для алмазного бурения; в прорези на торцовой части коронки впрессовывается сплав, содержащий алмазный порошок

Применение алмазов значительно повышает производительность труда. Так, при некоторых видах работ по бурению, шлифовке и резанию производительность труда возрастает в случае применения алмазов почти в 12 раз.

Алмазы все больше и больше проникают в различные области техники, и если бы они были более доступны, то, безусловно, нашли бы еще более широкое применение. Существует мнение, что алмазы будут со временем заменены твердыми и сверхтвердыми сплавами. Такое мнение совершенно не верно. Развитие техники идет по пути применения все более твердых сплавов, поэтому алмазы будут еще более необходимы и незаменимы хотя бы при обработке самих твердых сплавов. Трудно себе представить дальнейшее развитие металлообрабатывающей промышленности без применения алмазов - по потреблению алмазов можно судить о техническом прогрессе страны.

Для технических целей применяются алмазы различно" величины, начиная от сотых долей карата до самых крупных. Обычно величина добываемых алмазов лежит в пределе 0,1-0,2 карата. Крупные алмазы, весом в несколько каратов, встречаются редко. А алмазы, достигающие величины в несколько десятков каратов, чрезвычайно редки. О величине, которой может достичь кристалл алмаза, можно судить по алмазу, найденному в 1905 г. в Южной Африке, вес которого был равен 3106 каратам. Это самый большой алмаз, который когда-либо был обнаружен. Его назвали "Кулинан"^*.

^* (В честь владельца прииска Томаса Кулинана.)

Стоимость алмазов зависит от их величины и возрастает пропорционально квадрату их веса в каратах. Поэтому ценз "Кулинана" оказалась столь высокой, что его никто не в состоянии был купить. Этот алмаз был распилен на три части и продан по частям.

Алмазы добываются главным образом из различного рода россыпей, но имеются и первичные, или так называемые коренные, месторождения.

До середины XIX века добыча алмазов производилась только в Индии. В 1867 г. в Южной Африке были открыты россыпные месторождения алмазов, а в 1870 г. вблизи города Кимберли впервые было открыто коренное месторождение алмазов. В настоящее время добыча алмазов производится в Южной Африке, Бразилии, Индии, Австралии, Советском Союзе и в некоторых других местах земного шара.

До сих пор промышленное значение имели главным образом южноафриканские месторождения, где сосредоточено 95% мировой добычи алмазов и создана крупная алмазная промышленность, в которой занято около одного миллиона рабочих.

Однако в связи с обнаружением на территории СССР богатых месторождений алмазов и решением правительства - СССР о форсировании развития алмазодобывающей промышленности соотношение сил на алмазном рынке будет изменено в самом ближайшем будущем.

На территории Советского Союза алмазы впервые были найдены в 1829 г. на западном склоне Среднего Урала, а коренное алмазоносное месторождение было открыто в конце 1954 г. геологом Л. А. Попугаевой на территории Якутской АССР. Обнаружение коренного месторождения алмазов послужило мощным толчком для поисков алмазоносных пород на обширной территории Восточной Сибири. В результате геологоразведочных работ, предпринятых в широком масштабе, за истекший период в Якутской АССР открыто много кимберлитовых тел. Семилетним планом развития народного хозяйства СССР на 1959-1965 гг. предусмотрено создание в Якутии одного из крупнейших в мире центров промышленной добычи алмазов.

По своим геологическим условиям образования, внешнему облику и минералогическому составу сибирские алмазоносные породы очень похожи на аналогичные породы Южной Африки, которые называют кимберлитами (по имени города Кимберли, вблизи которого они впервые были обнаружены). Это наименование в настоящее время стало общепринятым для всех известных коренных алмазоносных пород, в том числе и сибирских.