Технологии производства драгоценных камней

Первые попытки изготовления искусственных самоцветов относятся к 4000 г. до н. э. Это были бусины, покрытые синей эмалью, имитирующие лазурит. Позже аналоги драгоценных камней изготавливались из цветного стекла, потом — из пластика. Первый эксперимент, в результате которого ученым удалось вырастить минерал, относится к XIX веку. В своей лаборатории француз Марк Годен получил небольшие кристаллы рубина, пытаясь воспроизвести природные процессы кристаллизации.

Современным ученым доступны все знания предшественников, точные приборы и установки, способные создавать очень высокую температуру и давление. Химики и физики практикуют много методов для производства синтезированных камней, в том числе алмазов. Основой для их получения могут быть:

  • расплавы;
  • растворы;
  • газовые среды.

Соответственно, кристалл можно вырастить как преобразованием исходного твердого вещества, так и созданием образца из жидкой или газообразной фазы.

Одной из самых сложных технологий является получение алмаза. Разработка методов его синтеза отталкивалась от того, что бриллиант имеет тот же состав, что и графит. Но заставить одно вещество превратиться в другое непросто. Чтобы сделать алмаз, потребуется температура 1600 ℃ и выше и давление около 110 000 атмосфер.

Чтобы добиться от полученного алмаза ювелирного качества, потребуется еще более сложная промышленная методика, особенности которой производители не раскрывают.

Наиболее безопасный способ, который можно опробовать, чтобы вырастить алмаз вне лаборатории, требует применения следующих компонентов и приспособлений:

  • грифель из карандаша;
  • провод;
  • жидкий азот или вода;
  • источник напряжения.

Каждый из концов кусочка графита нужно обмотать проводом и заморозить грифель в жидком азоте. Если жидкого азота нет, можно поместить заготовку в емкость с водой и заморозить. Следующий шаг — соединить концы провода с источником напряжения и провести через грифель ток. В результате графит должен превратиться в алмаз, то есть приобрести его твердость.

Свойства алмаза и графита

Коротко об аллотропном углероде и карбине. В периодической таблице Менделеева этот тип неметалла расположен под номером 6. Валентное состояние углерода коренным образом влияет на свойства вещества, в котором он присутствует.

Получение алмаза из графита

Несмотря на то, что алмаз от графита отличается по всем характеристикам, оба минерала построены из свободного углерода.

Химические свойства

Структура кристалла алмаза пространственная. Алмаз и графит – это прочно связанные между собой тетраэдры, внутри которых атомы с ковалентной связью удалены друг от друга на равные расстояния. Доля углерода приближается к 99,8%. Незначительные примеси влияют на «чистоту» и оттенок самородка. Известно о химической стойкости к воздействию кислот и щелочей.

Важно помнить о том, что при высокой температуре сжигания от 800 до 1000 градусов на воздухе молекулы алмаза превращаются в кучку графита.

Сущность кристаллической решетки графита состоит из слоев. Отдельные слои выглядят как связанные между собой шестиугольники, похожие на пчелиные соты. Расположение слоев относительно друг друга не структурированное и может различаться в самородках. Атомы связаны прочно только в пределах одного пласта.

Физические свойства

Различие в строении алмаза и графита обуславливает и разные физические свойства:

  1. Твердость. Алмаз – это самый твердый и плотный из созданных природой минералов. Он обладает минимальным коэффициентом сжатия. Графит имеет мягкую структуру, на ощупь жирный. Несмотря на разное значение плотности, оба они хрупкие и рассыпаются при падении или ударе.
  2. Прозрачность. Непрозрачный, серый или темно-серый графит поглощает свет. При трении отслаивается и оставляет темные следы на поверхности. Металлические включения дают самородку блеск. Строение кристаллов в алмазе дает прозрачность. Природные самоцветы не всегда абсолютно прозрачные и бесцветные. Некоторые имеют цветной оттенок. Мутные кристаллы ценятся ниже.
  3. Теплопроводность. Алмаз обладает самым высоким показателем, в сравнении с другими твердыми телами. Отличный полупроводник, способный работать при высоких температурах. У графита этот показатель теплопроводности крайне низкий.
  4. Электропроводность. Если замерять этот параметр вдоль слоев графита, результат окажется довольно высоким, приближенным к металлу. Поперек плоскостей он в сотни раз меньше, а самый высокий – у рекристаллизованного графита. Алмаз не проводит электричество, он – диэлектрик.

Органические соли

Чтобы синтезировать кристаллы из растворов, в качестве основы используются органические соли. Из этих веществ, называемых квасцами, Марк Годен получил кристаллы рубина. Для этого он сплавил сульфат калия и алюминия с хроматом калия.

Используя некоторые из веществ, любители химии выращивают кристаллы самостоятельно. Например, в домашних условиях получают красивые ярко-синие кристаллические образования из медного купороса. Кроме того, для самостоятельного выращивания минералов различных цветов можно использовать:

  • хлорид калия;
  • железный купорос;
  • сульфат никеля;
  • алюмокалиевые квасцы;
  • соль Мора;
  • калиевую селитру и некоторые другие.
Предлагаем ознакомиться  Какие виды плетения цепочек существуют?

Получение алмаза из графита

Выбирая подходящий реагент, учитывают, что он должен отвечать таким требованиям:

  • растворяться в воде или другом растворителе;
  • быть стабильным к повышению температуры;
  • не представлять опасности для здоровья при правильном использовании.

Методика выращивания кристаллов из органических солей основана на приготовлении перенасыщенных растворов с последующей кристаллизацией в открытой емкости. Процесс получения красивого «камня» занимает не один месяц и состоит из нескольких ключевых шагов.

Этот этап включает ряд действий:

  1. В термостойкий стакан объемом 1 л налить 700–800 мл достаточно горячей воды, температура которой равна 50 ℃.
  2. Постепенно — по 1 столовой ложке — добавлять выбранное вещество и перемешивать состав до полного растворения порошка.
  3. Когда раствор станет насыщенным, то есть вещество перестанет растворяться, добавить еще 2 столовые ложки и оставить на 24 часа.
  4. Чтобы в жидкость не попали посторонние частички пыли, емкость можно накрыть листом фильтровальной бумаги.

Получение затравки

Включает в себя несколько шагов:

  1. Для начала понадобится перелить полученную жидкость в термостойкую колбу, пропуская ее через фильтр, и добавить 1 чайную ложку вещества, в качестве которого могут выступать выпавшие в первоначальном растворе кристаллы.
  2. Чтобы вещество растворилось, рекомендуют нагревать емкость на водяной бане при температуре не выше 60–70 ℃.
  3. Чистую емкость ополоснуть кипятком, чтобы она нагрелась до той же температуры, что и раствор, и перелить жидкость в посуду.
  4. Обернуть емкость тканью, например, полотенцем, накрыть фильтровальной бумагой и дать остыть.
  5. Когда состав станет прохладным, на дне и стенках стакана образуются небольшие кристаллы, из них надо выбрать один, который и станет основой будущей «драгоценности».

Получение камня

Выращивание монокристалла будет производиться из полученной затравки:

  1. Понравившийся образец надо плотно обмотать ниткой или леской.
  2. Другой конец нити можно намотать на палочку или карандаш, которые будут служить опорой.
  3. Опустить затравку в стакан с раствором комнатной температуры.
  4. Кристалл растет постепенно, в течение этого периода его нельзя вытаскивать или поворачивать. Если жидкость будет испаряться, обнажая «камень», потребуется долить раствор.
  5. После того как кристалл достигнет желаемых размеров, его следует аккуратно достать и положить на салфетку.

Иногда выращенные образцы подвержены выветриванию, то есть разрушаются при испарении кристаллизационной жидкости и превращаются в порошок. Сохранить их можно в парафине или под слоем растительного масла.

Отличия между графитом и алмазом

Основное отличие — это строение алмаза и графита. Алмаз представляет собой минерал, форму углерода. Характеризуется метастабильностью, что означает, что он способен оставаться в неизменно вид бесконечно долго. Алмаз переходит в графит при некоторых специфических условиях, например, при высокой температуре в вакууме.

Графит также является модификацией углерода. Его структура делает минерал очень слоистым, поэтому самое распространенное его применение — изготовления грифеля для карандаша.

Алмаз и графит сравнение

Явление, при котором вещества, образованные одним и тем же химическим элементом, имеют разные физические свойства, называется аллотропией. Существуют и другие подобные вещества, однако эти два минерала имеют наибольшую разницу между собой. Решающую роль в этом играют особенности строения кристаллической структуры каждого из минералов.

Графит

Алмаз имеет невероятно прочную связь между атомами, что обусловлено их плотным расположением. Смежные атомы ячейки имеют форму куба, где частицы расположены на углах, гранях и внутри их. Это тетраэдрический тип строения. Такая геометрия атомов обеспечивает максимально плотную их организацию. Поэтому твердость алмаза такая высокая.

Низкий атомный номер углерода, показывающий, что атом имеет небольшую атомную массу, а соответственно и радиус, делает его самым твердым веществом на планете. Вместе с тем это совершенно не означает прочность. Расколоть алмаз довольно легко, достаточно его ударить. Такое строение объясняет высокий коэффициент теплопроводности и светопреломления алмаза.

Структура графита совершенно иная. На атомарном уровне она представляет собой ряд пластов, расположенных в разных плоскостях. Каждый из этих пластов представляет собой шестиугольники, которые примыкают друг к другу подобно сотам. При этом сильной связью обладают только атомы, расположенные в пределах каждого слоя, а между слоями связь хрупкая, они практически независимы друг от друга.

След от карандаша — это как раз и есть отделяемые слои графита. Из-за особенности своего строения графит имеет невзрачный вид, поглощает свет, обладает электропроводностью и металлическим блеском.

При сравнении основных характеристик обнаруживаются существенные различия. Некоторые качественные параметры прямо противоположные.

По десятибалльной шкале Мооса алмаз имеет твердость, равную 10, а графит – 1.

Свет может легко проходить сквозь кристалл самоцвета. Используя это свойство, самоцвет гранят особым образом и получают бриллиант. Отраженные от граней лучи играют всеми цветами радуги. Графит непрозрачный и поглощает свет.

Графит обладает магнитной восприимчивостью.

Строение и отличие алмаза и графита

Теплопроводность алмаза – от 900 до 2300, а графита – не выше 350 Вт/(м·К). Первый является диэлектриком, а электропроводимость второго приближается к показателям металлов.

Интересно, что при нагреве алмаз сохраняется до 720 градусов по Цельсию, а графит – до 3700. При нагревании до 700 градусов по Кельвину графит сжимается, а при дальнейшем росте температуры – расширяется.

Предлагаем ознакомиться  Условный знак алмаза

Метод Огюста Вернейля

В конце XVIII — начале XIX века году ученый из Франции Огюст Вернейль разработал новый метод получения искусственных рубинов, называемый также «плавление в пламени». Этот способ обозначил начало этапа промышленного синтеза драгоценных камней. Их стали использовать не только в ювелирном деле, но и в производстве часов, измерительных приборов и для других технических целей.

Вернейль сконструировал и испробовал конструкцию, состоящую из кислородно-водородной горелки, дозатора порошка, из которого будет синтезироваться самоцвет, и керамического основания. В такой печи за 3–4 часа можно вырастить кристалл длиной 40–50 мм. В зависимости от химического состава порошка получают камни различных цветов, а также их звездчатые разновидности.

Однако вырастить с помощью этой методики бриллиант в домашних условиях не получится — таким образом синтезируют, как правило, корунды (рубины и сапфиры), шпинель. В устройстве Вернейля получают синтетические титанит стронция и рутил, которые по блеску могут соперничать с бриллиантами, однако обладают меньшей твердостью. Качественными имитациями алмазов также являются гранатиты, ниобат лития и фианит.

Как получить из графита алмаз

Запасы природных ископаемых конечны. Промышленность стремительно развивается. Алмаз и графит применяют с целью роста потребности в материалах с данными свойствами. Если исходные минералы состоят из одного и того же элемента, можно ли получить из графита алмаз?

В естественных условиях самородки алмаза образовались при высоком давлении и резком охлаждении. В лаборатории смоделировали взрыв, получив переход графита во множество маленьких кристаллов алмаза. После многочисленных опытов, когда графит нагревали до разных температур при разных сочетаниях давления, ученые разработали методику получения искусственных алмазов.

Процесс заключается в преобразовании ковалентных связей. Кристаллическая решетка графита разрушается под воздействием высокой температуры и давления. При использовании катализатора вырастает новый кристалл – алмаз. Технология сложная. Все происходит в прочной камере. Пресс создает высокое давление в 1010 Па.

Кристаллы получаются с требуемыми свойствами, но непрозрачные. Для массового использования в промышленности «чистота» — не решающий показатель. С середины прошлого века искусственный алмаз заменил в технических изделиях свой природный аналог. Выращивание крупных и чистых кристаллов оказалось делом дорогим и нерентабельным.

«Взрыв», или «ударная волна», широко не используется. Работы по изучению этого метода продолжаются. Прозрачные кристаллы, полученные таким образом, сходны с природными образцами, но размер их маленький.

Аппарат для работ на дому

Чтобы освоить выращивание драгоценных камней в домашних условиях, потребуется собрать аппарат, используя образец Вернейля, или приобрести готовый. Устройство должно включать в себя:

  • механизм, обеспечивающий постепенное поступление вещества в бункер и потом в горелку;
  • муфель;
  • катетометр;
  • 2 отдельные системы подачи кислорода и водорода;
  • кристаллодержатель и механизм его опускания.

В зависимости от выбранного вещества можно вырастить камни различной окраски:

  • оксид кобальта — синие и зеленые;
  • оксид железа — розовые;
  • оксид ванадия — зеленые и серые.

Потребляемая мощность прибора составляет около 3 кВт. Для производства синтетического рубина весом 5–6 г потребуется примерно 3 часа, 0,2 г окиси хрома и 6 г порошка окиси алюминия.

Как выращивать алмазы в домашних условиях

Выращивание «аналогов» алмазов можно организовать, используя доступные на любой кухне сахар или соль. Для начала эксперимента потребуются:

  • дистиллированная или кипяченая чистая вода;
  • соль;
  • нитка или леска;
  • карандаш.

Процесс состоит из следующих шагов:

  1. Создать перенасыщенный раствор: в воду комнатной температуры постепенно добавлять соль и перемешивать ее до тех пор, пока крупицы не перестанут растворяться.
  2. Нить намотать на карандаш так, чтобы конец ее не доходил до дна емкости. Опустить нить в жидкость.
  3. Через несколько дней нить покроется кристалликами. Надо выбрать самый крупный образец, прикрепить его к новой нити и опустить в профильтрованный раствор.
  4. Постепенно «алмаз» будет увеличиваться. Если вода перестанет покрывать алмаз, надо сделать перенасыщенный раствор и долить его в емкость с образцом.

Если добавить в раствор пищевые красители, можно будет вырастить разноцветные кристаллы. Поскольку все используемые в эксперименте вещества не представляют угрозы здоровью, выращивать алмаз из соляного или сахарного раствора можно вместе с детьми.

Чтобы повысить вероятность успешного создания алмаза своими руками, потребуется соблюдать некоторые рекомендации:

  • брать дистиллированную воду — в жидкости не должно быть примесей;
  • при работе с химическими веществами надо использовать перчатки и специальную посуду;
  • лабораторный фильтр можно заменить марлей, ватой или бумагой;
  • вода для раствора должна быть теплой, но не очень горячей;
  • в комнате, где будет стоять емкость, должна поддерживаться постоянная температура, без резких перепадов, иначе кристалл вырастет быстро, но будет хрупким;
  • при добавлении нового раствора его температура и температура основного должны быть одинаковыми;
  • при выращивании прозрачных кристаллов не стоит торопиться — при ускоренном росте они становятся мутными.

Синтетические ювелирные камни обладают всеми достоинствами природных аналогов. Более того, полученные в лаборатории алмазы имеют даже большую твердость и чистоту. Пока ученые не придумали недорогие и доступные каждому способы получения самоцветов в домашних условиях, поэтому любители драгоценностей могут вырастить красивые разноцветные кристаллы из растворов соли или сахара и создать из них собственную коллекцию.

Предлагаем ознакомиться  Сколько граней у алмаза

Применение алмаза и графита

Применение как алмаза, так и графита намного шире, чем кажется. Для алмаза можно выделить несколько сфер использования.

В ювелирной промышленности алмазы используют только в огранке, как известно, они носят название бриллиантов. Всего 20 % всех добытых камней пригодны для украшений, а минералов высокого качества и куда меньше.

Бриллианты — самые дорогие в мире камни. По стоимости только некоторые экземпляры рубинов могут сравниться с ними. На стоимость минералов влияют огранка, цвет, оттенок и чистота. Обычно некоторые из этих характеристик невооруженным глазом являются незаметными, однако выявляются при экспертизе.

Использование бриллиантов в украшениях очень распространено. Часто они выступаю как единственный камень или дополняют высококачественные сапфиры, рубины, изумруды. Наиболее частое применение камней — кольца для помолвки.

В технической сфере обычно берут второсортное сырье, с дефектами или с различными оттенками. Технические алмазы разделяются на несколько подкатегорий.

  • алмазы определенной формы, которая годится для изготовления подшипников, наконечников сверл и так далее;
  • необработанные камни;
  • камушки с дефектами, применяемые только для изготовления алмазной крошки и порошка.

Последние применяются либо в очень маленьких деталях, либо в качестве напыления для изготовления режущего и шлифовального инструмента.

В электронике применяются иглы, которые являют собой необработанные кристаллы, имеющие от природы острую вершину, или осколки с такой же вершиной. Буровые установки в промышленности также содержат алмазы. Прослойки из этого минерала используются в микросхемах, счетчиках и так далее, происходит это благодаря высокому коэффициенту теплопроводности и сопротивлению.

Около 60 % всех технических алмазов используется в инструментах. Остальные 40 % в равных количествах:

  • при бурении скважин;
  • переработке;
  • в мелких деталях ювелирных изделий;
  • в шлифовальных кругах.

В чистом виде графит не используется. Его, как правило, обрабатывают. Графит высочайшего качества применяется в виде стержня для карандаша. Наиболее широкое применение графит находит в литье. Здесь он применяется для обеспечения гладкой поверхности стали. Для этого он используется в необработанном виде.

В электроугольной промышленности используют не только природного происхождения минерал, но и созданный. Последний имеет высокую однородность по качеству и чистоте. Высокая проводимость тока делает его также широко используемым для изготовления электродов в приборах. Кроме того, он применяется в качестве щеток для двигателя. В металлургии графит используют как смазочный материал.

Графитовые стержни за свою способность замедлять нейтроны раньше широко использовались при создании атомных реакторов. В частности, именно боровые стержни с графитовыми наконечниками выступали в качестве стержней управления-защиты на Чернобыльской АЭС. Одна из проблем, которая после привела к аварии, была в том, что для гашения цепной реакции нужно было нейтроны поглощать, за что отвечал бор, а не замедлять.

Таким образом, алмаз и графит — два разных минерала с одинаковым элементом в основе. Их структуры делают свойства разными, что и представляет интерес. Каждый из них по-своему красив и имеет очень широкое применение как в очень сложных конструкциях, так и в предметах повседневности.

Оба эти вещества используются человеком как в промышленности, так и в быту. Характерные свойства обуславливают область применения.

Различают ювелирные и технические алмазы. В ювелирном деле используется не более 22% самоцветов. Для этого отбирают лучшие, как правило, природные камни. Их гранят, учитывая структуру. Из полученных бриллиантов создают всевозможные украшения. Синтетические камни тоже используют. Изделия из них выглядят красиво, но есть отличия. Наличие мельчайших вкраплений, оттенок граней и влияние магнита выдадут искусственный бриллиант.

В технических изделиях используют второсортный материал. В справедливое дело идут целые кристаллы, осколки и даже «пыль» от шлифовки минерала. На подшипники, наконечники буров, сверла отбирают алмазы соответствующего вида и размера. Необработанные кристаллы с острой верхушкой применяются в электронике.

Есть утверждение, что при бурении скважин в плотных породах применение алмазной коронки дает экономию времени, ресурсов и снижает общие затраты. Инструменты с алмазным напылением предназначены для шлифовки поверхностей. С давних пор алмаз применяется для резки стекла, металла и других материалов. Часовая промышленность не обходится без этих камней. Более тысячи промышленных товаров содержат различные виды самоцветов.

Сфера применения графита также обширна. В быту минерал используют при изготовлении грифелей для карандашей. Графит – основа твердых смазочных материалов и входит в состав пластмасс, красок, электропроводящих клеев. В электрических машинах присутствует в щетках, токосъемниках, реостатах и везде, где нужен подвижный электроконтакт. В металлургии при выплавке стали и алюминия применяют необработанный графит и сажу.

В ядерной энергетике графитовые стержни, замедляющие нейтроны в ядерных реакторах, – важнейший элемент реактора. В военных и космических целях применяется для защиты корпуса ракеты от перегрева.