Многоликий углерод

Во вселенной углерод является одним из самых распространенных элементов. Эволюция некоторых классов звезд заканчивается образованием именно углерода. Природный круговорот этого элемента на Земле происходит при участии основного его соединения — углекислого газа. Именно он поглощается растениями в процессе фотосинтеза, а из атомов углерода складываются органические вещества. Этот же газ выделяется живыми организмами в процессе жизнедеятельности. Углеродные цепочки — основа жизни на Земле.

В таблице Менделеева углерод имеет обозначение C (carboneum). Он имеет порядковый номер 6, а его атомная масса в среднем составляет 12, хотя в природе встречаются и изотопы 13 и 14: последний является продуктом нейтронной бомбардировки космическим излучением верхних слоев тропосферы. Нейтроны соединяются с атомами азота, в результате чего от их ядер отсоединяется протон. В результате получаются два новых элемента — углерод-14 и водород.

На внешнем уровне атома этого элемента находятся 4 электрона. Такое положение элемента между металлами и неметаллами дало ему возможность образовывать совершенно разные химические связи. Именно этим объясняется многообразие природных и искусственных форм существования углерода, а также тот факт, что именно он послужил основой для целого класса веществ, именуемых органическими.

Количество тригональных модификаций больше. Именно в этом классе аллотропов создаются новые, искусственные формы. К числу тригональных аллотропов принадлежат:

  • Свойства и применение алмазаграфит;
  • графен;
  • астрален;
  • фуллерен;
  • нанотрубки;
  • наноконусы.

Дигональная структура углерода образует карбин. В нем атомы углерода связаны в цепочки. Среди смешанных и аморфных форм этого элемента можно выделить:

  • уголь;
  • сажу;
  • нанопену;
  • стеклоуглерод;
  • нановолокна.

ТОП-10 самых твердых минералов в мире (фото   описание)

Каждая аллотропная модификация обладает своими физическими и механическими свойствами. Например, лонсдейлит имеет более «разряженную» кристаллическую решетку, и его твёрдость составляет 7−8 по Моосу, хотя показатель преломления тот же, что и у алмаза. Графит является мягким материалом: он отслаивается, что позволяет использовать его как карандаш.

 Гипс

Тальк не может поцарапать гипс, поэтому он на втором месте в шкале Мооса. Гипс является сульфатным минералом, состоящим из гидрата сульфата кальция. Его можно использовать в качестве удобрения. Различные гипсовые смеси использовались ещё в скульптурах Месопотамии, Древнего Рима и Византии. Широко используется в медицине и в скульптуре.

Орбитальные снимки с разведывательного аппарата на Марсе указывают на существование гипсовых дюн в северном полушарии Красной планеты. США, Индия и Бразилия являются странами с самыми большими запасами гипса в мире.

Свойства и применение алмаза

Алмаз — наверное, самая известная аллотропная форма углерода. Известность она получила за счет как своей уникальной твердости, так и по причине использования этого минерала в ювелирной промышленности.

Предлагаем ознакомиться  Кто создал яйца фаберже

Твердый минерал

Согласно современным теоретическим представлениям, тверже алмаза ничего в мире быть не может — такова у него кристаллическая решетка. Ею же обусловлен самый высокий модуль упругости и самая низкая сжимаемость. Можно сказать, что алмаз — самый крепкий минерал в мире. Из других рекордов можно отметить самую высокую теплопроводность и почти самый высокий показатель преломления — 2,4.

Плавится алмаз при высоких температурах, от 3700 до 4 тыс. градусов. Но еще раньше, при 850 градусах, он начинает гореть, а без доступа воздуха при достижении половины от температуры плавления превращается в графит.

Преломление света в кристалле алмаза уникально. Этот показатель зависит от двух характеристик — свойств среды и длины волны. Причем при высоких значениях показателя преломления, вторая характеристика очень наглядно демонстрируется, ведь свет представляет собой целый спектр волн разной длины. При пересечении границ сред они имеют разный угол преломления, из-за чего можно наблюдать дисперсию и в алмазе она максимальна. Это явление получило название «игра цвета».

Известно то, что в плотных средах скорость света становится меньше и при попадании в них волн невидимого человеческим глазом диапазона эти волны становятся видимыми. Явление это называется люминисценцией, причем алмаз способен сделать видимыми не только ультрафиолетовые волны, но и рентгеновские. Благодаря последним можно обнаружить алмазы в куче пустой породы: такой метод называется рентгенолюминесценцией.

История добычи

Алмазы не всегда были драгоценными камнями, имевшими ценность и шкалу стоимости. В природе этот камушек непривлекателен — простая шершавая стекляшка. Ценность ему придает огранка. Находки алмазов в древности были случайными и ценили некоторые экземпляры из-за их размеров или особенностей. Массового применения этот камень не находил, хотя его месторождения имелись.

Вскоре Сесиль Родс стал монополистом на рынке алмазов, чему поспособствовали Ротшильды, а бриллианты стали потребительским товаром, доступным не только королям. Монопольное положение де Бирс пошатнулось только в середине XX века благодаря антимонопольному законодательству в США и началу массовой добычи в странах, где возможностей захвата рынка в принципе не было — например, в СССР.

Алмазы образуются под высоким давлением, приурочены их месторождения к зонам древнего вулканизма. Места прорыва магмы на поверхность, заполненные впоследствии породой, стали называться кимберлитовыми трубками — в честь города Кимберли. Сегодня крупнейшими добытчиками алмазов являются следующие страны (список в порядке убывания):

  • Россия.
  • Ботсвана.
  • Канада.
  • ЮАР.
  • Ангола.
Предлагаем ознакомиться  Черный алмаз: как правильно называется, магические свойства, особенности ухода

В ювелирном производстве бриллиант — ограненный алмаз — считается самым дорогим камнем. Связано это не столько с его твердостью и трудностью огранки, сколько с лимитированной добычей. По сути, драгоценные металлы и камни никакой стоимости не имеют: их нельзя есть, они не греют, и их настоящие ценные качества никакого влияния на цену не оказывают. Само понятие «драгоценность» — не что иное, как мыльный пузырь, но этот пузырь поддерживается добывающими компаниями и ювелирами.

Существует несколько способов огранки алмазов, при которой они лучше всего проявляют такое свое свойство, как игру цвета. Играет свою роль и исходная форма камня, поскольку огранщик старается свести его потери к минимуму. Наиболее распространенными формами бриллианта являются:

  • Алмаз круглая, 57 граней;
  • овальная;
  • «груша»;
  • «маркиза»;
  • радиант;
  • квадрат;
  • «принцесса».

ТОП-10 самых твердых минералов в мире (фото   описание)

Редким камням придают индивидуальную форму. Зачастую такие камни имеют имена.

https://www.youtube.com/watch?v=rSna6bWbFFI

Цвет алмаза, в отличие от других минералов, имеет оригинальную природу. Количество изоморфных включений в кристаллической решетке невелико — это могут быть азот, бор, кремний и железо. Последние 2 влияния на окраску не оказывают. Азот может придавать камню желтый цвет, а бор — голубой. Но главная причина цветной окраски — систематические дефекты решетки. В зависимости от особенностей ее структуры камень может быть коричневым, розовым и зеленым.

Какой минерал самый твердый, всем ясно — алмаз. Но если обратить внимание на другие его качества и сравнить с некоторыми искусственными материалами, то алмаз можно оставить далеко позади. Так, предел прочности на сжатие среди природных минералов у алмаза действительно высок — 1961 МПа. Но у твердых сплавов он выше и может достигать 4903 МПа.

Слабое место алмаза — его хрупкость. Ударная вязкость этого минерала всего в полтора раза выше, чем у стекла; разбить его молотком труда не составит. Поэтому назвать алмаз самым прочным минералом нельзя.

Твердость по Моосу Абсолютная твердость Эталон Другие представители
1 1 тальк графит
2 3 гипс слюда, галит, хлорит
3 9 кальцит золото, серебро, биотит
4 21 флюорит цинковая обманка, доломит
5 48 апатит красный железняк, лазурит
6 72 ортоклаз рутил, опал
7 100 кварц алюмосиликаты — турмалин, гранат
8 200 топаз все виды берилла, в том числе изумруд, шпинель
9 400 корунд рубин и сапфир, карбид вольфрама
10 1600 алмаз эльбор

Близкая к алмазу модификация углерода — лонсдейлит — имеет твердость 7,5. Чуть тверже его один из искусственных камней — фианит. Часто именно он заменяет алмаз в ювелирных изделиях для удешевления. Другой заменитель — муассанит, представляет собой карбид кремния и его твердость приближается к таковой у алмаза — 9,25.

Что касается эльбора, то он представляет собой нитрид бора, BN. По твердости он приближен к алмазу максимально, но лишен такого его недостатка, как растворение в железе при нагревании. Поэтому как абразив эльбор более перспективен.

Иногда в быту твердость оценивают оконным стеклом. Оно в этой шкале находится между баллами 5 и 6. Таким образом, стекло может царапать апатит и все, что выше него, а ортоклаз и более твердые минералы сами царапают стекло. Стальным напильником можно обработать ортоклаз, а медью — кальцит. Поэтому ничего удивительного в строительстве египетских пирамид нет: известняк прекрасно пилился медным инструментом. Наконец, гипс и тальк можно крошить ногтями.

Предлагаем ознакомиться  Как выглядит камень алмаз

В последние годы нашли материал тверже алмаза. Его создали на основе другой модификации углерода — фуллерена, и назвали фуллеритом. Его структура представляет собой молекулярный кристалл, элементарная единица которого состоит из 60 атомов углерода, соединенных в сферу. Найти ему применение пока что не удалось, да и производить фуллерит сложно — для его синтеза требуется сверхвысокое давление.

Нитрид бора

На Земле существует очень небольшое количество вюрцитного нитрида бора. Минерал был либо найден естественным путем, либо синтезирован вручную. Различные исследования показали, что нитрид бора может выдерживать на 18% больше нагрузки, чем алмаз. В естественных условиях они получаются в результате извержения вулкана из-за высоких температур и огромного давления.

ТОП-10 самых твердых минералов в мире (фото   описание)

Синтетический материал нитрид бора, впервые созданный в 1957 году, похож на уголь тем, что имеет несколько аллотропов. В своей кубической форме (c-BN) его кристаллическая структура похожа на алмазную, но вместо атомов углерода состоит из связанных иначе атомов бора и азота. c-BN химически и термально стабилен и широко используется сегодня в качестве сверхтвердого покрытия для станков в автомобильной и аэрокосмической промышленности.

Однако кубический нитрид бора, в лучшем случае, второй по твердости материал в мире по шкале Виккерса — около 50 ГПа. Его гексагональная форма (w-BN) изначально заявлялась еще более твердой, но эти результаты были основаны на теоретическом моделировании, которое прогнозировало на 18% выше твердости, чем у алмаза.

 Лонсдейлит

Лонсдейлит также известен как гексагональный алмаз, получил свое название в честь Кэтлин Лонсдейл. Она является известным ирландским кристаллографом. В сетке имеет шесть атомов, а не восемь как алмаз. Считается, что этот минерал тверже алмаза на 58%. Его крайне сложно получить в естественных условиях.