Из истории огранки алмазов

Коллекция материалов для учащихся
Углерод, С (carboneum), неметаллический химический элемент
IVA подгруппы (C, Si, Ge, Sn, Pb) периодической системы элементов
Д.И .Менделеева. Встречается в природе в виде кристаллов алмаза, графита или
фуллерена и других форм и входит в состав органических (уголь, нефть,
организмы животных и растений и др.) и неорганических веществ (известняк,
пищевая сода и др.). Углерод широко распространён, но содержание его
в земной коре всего 0,19%.
Историческая справка
Углерод известен с глубокой древности: в виде древесного угля он
применялся для выплавки металлов. Издавна известны аллотропные
модификации углерода − алмаз, как драгоценный камень, и графит, который
значительно позднее стали применять для изготовления тиглей и карандашей.
В 1778 году К. Шееле, нагревая графит с селитрой, обнаружил, что при
этом, как и при нагревании угля с селитрой, выделяется углекислый газ.
Химический состав алмаза был установлен в результате опытов А. Лавуазье
(1772) по изучению горения алмаза на воздухе и исследований С. Теннанта
(1797), доказавшего, что одинаковые количества алмаза и угля дают при
окислении равные количества углекислого газа. Углерод был признан
химическим элементом в 1789 году Лавуазье. Латинское название «сагboneum»
углерод получил от «carbo» − уголь.
Графит − одна из аллотропных модификаций углерода. Это тёмно-серое
непрозрачное мелкокристаллическое вещество, жирное на ощупь. В отличие
от алмаза графит хорошо проводит электрический ток и очень мягкий.
Большая разница в физических свойствах алмаза и графита обусловлена
разным кристаллическим строением. В кристаллах алмаза каждый атом
углерода окружён четырьмя другими атомами, расположенными на одинаковом
расстоянии друг от друга. В кристаллах графита атомы углерода расположены
в углах правильных шестиугольников в одной плоскости и образуют отдельные
слои. Расстояние между отдельными слоями больше, чем между атомами в том
же слое. В результате связь между отдельными слоями значительно слабее, чем
между атомами того же слоя. Поэтому кристаллы графита легко расщепляются
на отдельные чешуйки, которые сами по себе достаточно крепкие.
Графит широко применяется для изготовления электродов, в смеси
с глиной − для производства огнеупорных тиглей. Из графита делают
обычные карандаши. В смеси с минеральными маслами его используют
в качестве смазки для машин, работающих при повышенных температурах. При
высоких температурах и давлениях из графита получают искусственные
алмазы, которые широко применяют в технике.
Аморфный углерод
В жизни часто приходится иметь дело с аморфным углеродом в виде
сажи, кокса и угля. По строению сажа, кокс и уголь − это тот же графит, но
в состоянии тончайшего измельчения.
Сажу получают преимущественно при разложении метана. Она
используется для изготовления типографской краски, косметической туши,
картриджей. Добавка сажи к резине при производстве автопокрышек повышает
их прочность и увеличивает срок службы.
Кокс представляет собой в основном свободный углерод, он получается
при нагревании каменного угля без доступа воздуха. Кокс применяется
в доменных печах при выплавке чугуна из руд.
Древесный уголь получают при сухой перегонке древесины. Этот уголь
благодаря своей пористой поверхности обладает способностью поглощать газы
и растворённые вещества. Такое свойство некоторых веществ называется
адсорбцией. Древесный уголь стал важнейшей составной частью первого
русского противогаза, созданного в 1915 году русским химиком
Н.Д. Зелинским совместно с инженером А. Кумантом.
Алмаз − аллотропная модификация углерода. Слово «алмаз» происходит
от
греческого слова «адамас», т. е. «несокрушимый». Это прозрачное,
бесцветное или слегка окрашенное примесями в различные оттенки
кристаллическое вещество. Алмаз − самое твёрдое вещество среди всех
известных, прочнее обсидиана. Он служит эталоном твердости (10 баллов
по шкале твёрдости). Он также имеет наиболее высокую теплопроводность
среди всех твёрдых тел. На воздухе алмаз сгорает при 850−1000°C.
Благодаря своей чрезвычайной твёрдости он широко применяется при
бурении твёрдых горных пород, обработке твёрдых металлов, производстве
абразивов и т. п. Для отшлифованных алмазов, бриллиантов характерна особая
игра света, обусловленная сильным преломлением на гранях. Огранённый
алмаз (бриллиант) уже многие десятилетия является популярнейшим и дорогим
драгоценным камнем.
В алмазе каждый атом углерода образует ковалентные связи с четырьмя
другими атомами. В результате образуется гранецентрированная кубическая
структура из двух подрешёток, получившая название структуры алмаза. Такая
структура характерна и для других элементов 14 подгруппы периодической
системы: кремния и германия.
Крупнейшие месторождения алмазов расположены в Южной Африке
и в Якутии. Ежегодная мировая добыча алмазов составляет примерно 300 кг.
В последние годы алмаз начали получать искусственно при очень высоких
давлениях и высокой температуре.
Ниже в таблице приведены характеристики некоторых аллотропных
модификаций углерода.
Строение
Свойства
Применение
Алмаз
Атомная
кубическая
решётка,
ковалентная
неполярная связь
Твёрдость,
высокая
преломляемость
света
Алмазные резцы,
напильники,
бриллианты
Графит
Слоистое строение, внутри
слоя − ковалентная
неполярная связь, между
слоями − межмолекулярное
взаимодействие
Хорошо проводит
электрический ток,
тугоплавкий, оказывает
смазывающее действие
Электроды, ракетные
двигатели, узлы трения
Карбин
Цепочечное
строение
Фуллерен
С60, С70,
молекулы
образуют
сферу
Полупроводниковые
Химически
стойкий,
твёрдый
В фотоэлементах
Сверхтвёрдые
материалы
Из истории огранки алмазов
История огранки алмазов насчитывает более 500 лет. Первые попытки
огранить алмаз были предприняты в Индии. На первом этапе мастерам удалось
только приполировать природные грани кристалла алмаза. Так появилась
первая огранка − остроконечный камень или алмазная пирамида.
Последующий прогресс в развитии огранок алмазов был достигнут уже
европейскими огранщиками. В 1454 году придворный огранщик герцога
Бургундского Людвиг ван Беркем открыл первую гранильную мельницу
и, повторив сначала достижение индийских мастеров, создал также новую
огранку – «Алмазную Розу».
В середине XVI века на поверхность алмаза были нанесены 18 граней −
так появилась простая или одинарная бриллиантовая огранка.
Кардинал Мазарини − первый министр двора короля Франции Людовика
XIV, будучи большим любителем драгоценных камней, создал свою
ограночную мастерскую, где, по легенде, и была создана удвоенная
бриллиантовая огранка или «Мазарини», в которой уже было 34 грани.
Следующим этапом стало появление утроенной алмазной огранки или
«Перуцци», которая была создана венецианским огранщиком Виченце Перуцци
в конце XVII века. Несмотря на то что огранка имела уже 58 граней, она ещё
очень сильно отличалась от современной, привычной нам огранки. Камень
имел не круглую, а квадратную или прямоугольную форму с закруглёнными
углами и непропорционально высокие корону и павильон. Эту огранку
называют также Old Main Cut − Старая основная огранка.
В этот период времени уже становится ясно направление дальнейшего
развития бриллиантовой огранки − стремление создать более идеальную
форму, пропорции камня и максимально раскрыть дисперсию алмаза
(способность раскладывать падающий белый свет на спектр − что и даёт
разноцветную игру бриллианта).
Ещё в XVIII веке специалистами не раз предпринимались попытки
математически рассчитать и обосновать пропорции огранки, дающие
максимальное увеличение «игры» и бриллианции камня. В 1919 году расчёты
параметров идеального бриллианта завершил и опубликовал в своей книге
двадцатилетний математик Марсель Толковский. Но лишь с появлением
современного оборудования в 40-е годы XX века появляется стандартный
бриллиант, имеющий 57 граней − Кр-57. Благодаря современным технологиям
в XX веке были разработаны огранки, дающие гораздо большее количество
фасет, например, для огранки «магна» характерны 102 грани, а для
«принцесс» − 146 граней.
Характеристиками
качества
огранки
бриллиантов
являются
геометрические параметры, пропорции, симметрия, полировка.
Могут ли люди делать алмазы?
Поскольку алмазы представляют собой большую ценность для человека,
естественно, были предприняты попытки производить их искусственным
путём, то есть делать синтетические алмазы. Честь первооткрывателей в этой
области, считалось, принадлежит трём разным людям, работавшим над
проблемой относительно недавно. Первым достиг успеха англичанин
Д.Б. Хэнней в 1880 году, вторым − Анри Муассан во Франции (1893), третьим −
сэр Уильям Крукс, тоже в Англии (1906).
Метод Муассана заключался в следующем: уголь растворялся
в расплавленном железе в электрической печи. Потом расплавленное железо
погружалось в соляной раствор. Охлаждение и сжатие верхнего слоя создавали
сильнейшее давление на находящийся внутри расплавленный материал. И при
этом, считалось, должны получаться алмазы. Но при повторении опытов этих
людей никаких алмазов не получалось.
Считается, что первый синтетический алмаз был получен в 1954 году
в Америке на специальном прессе, в котором уголь подвергался действию
температуры в 2800 градусов по Цельсию и давлению в 56 245 килограммов
на квадратный сантиметр. Первые из получившихся алмазов были жёлтого
цвета, а самые большие были немногим больше полутора миллиметров в длину.
В конце 50-х годов такие алмазы были получены и в нашей стране.
В настоящее время освоен метод искусственного получения алмазов
из графита, сажи и других богатых углеродом веществ путём обработки при
высоких давлениях (> 50 000 атм) и температурах выше 1200°С в присутствии
катализаторов.
Синтетические алмазы − обычно несовершенной формы и пока
используются больше для производства режущих инструментов, чем в качестве
украшений.
Алмазные месторождения
К настоящему времени алмазы найдены на всех континентах Земли, в том
числе и в Антарктиде, где обнаружены осколки железного метеорита
с алмазами. Возраст природных алмазов, согласно оценкам, насчитывает более
100 млн лет.
Месторождения алмазов подразделяются на две большие группы:
коренные (первичные), связанные с магматическими горными породами,
и россыпные
(вторичные),
возникшие
при
разрушении
коренных
месторождений. Коренными месторождениями алмазов являются кимберлиты
и лампроиты, во всём мире они приурочены к древним платформам −
Индийской, Китайской, Сибирской, Восточно-Европейской, Австралийской.
Примерное распределение алмазных ресурсов между коренными
источниками и россыпями − соответственно 85 и 15%, поэтому важнейшими
источниками промышленной добычи алмазов являются кимберлитовые
и лампроитовые трубки. Трубками они называются потому, что алмазоносная
порода сосредоточена в объёме, напоминающем конусообразную трубку.
Кимберлитовая трубка представляет собой гигантских размеров столб,
оканчивающийся в верхней части раздувом конической формы. С глубиной
коническое тело сужается, напоминая по форме гигантскую морковь,
и на какой-то глубине переходит в жилу. Кимберлитовые трубки −
своеобразные древние вулканы, наземная часть которых в большой степени
разрушена в результате эрозионных процессов. Кимберлитом называется
ультраосновная горная порода, которая имеет чёрный цвет с синеватым
и зеленоватым оттенком. По оценкам специалистов, около 90% запасов алмазов
коренных источников сосредоточены в кимберлитовых трубках, а около 10% −
в лампроитовых трубках.
Алмазоносный лампроит впервые открыт в Австралии в 1976 году. Это
отличный от кимберлитов генетический тип месторождений алмазов.
Лампроиты географически бывают связаны с кимберлитами, в составе тех
и других много общего, но есть и существенные различия. Лампроит
отличается от кимберлита высокой концентрацией титана, калия, фосфора
и некоторых других элементов. Вместе с этим, нет существенных различий
между алмазами этих двух типов магматитов. Месторождение трубки Аргайл
обладает самыми большими запасами алмазов в мире. Только около 5%
алмазов из лампроитов могут быть использованы в ювелирной
промышленности, остальные используются в технических целях. При этом
трубка Аргайл является главным источником редких розовых алмазов. Помимо
Австралии лампроиты известны в Бразилии, в нашей стране – в Карелии
и на Кольском полуострове.
Существует особенность размещения коренных месторождений
алмазов − их приуроченность к труднодоступным необжитым территориям.
Если с этих позиций рассмотреть местоположение практически всех известных
ныне алмазоносных кимберлитовых и лампроитовых трубок, то получается
следующая картина. Первые алмазоносные кимберлитовые трубки в Южной
Африке были открыты в её центральной части, где до 70-х годов XIX века лишь
отдельные буры-колонисты пытались осваивать африканский буш под
сельскохозяйственные угодья. Никаких солидных поселений в этих районах
в то время не было. Города Кимберли и Йоханнесбург возникли позже.
В Лесото природа спрятала кимберлиты высоко в горах, куда можно добраться
лишь пешком или на лошадях. Кимберлитовые трубки Ботсваны − крупнейшие
в мире − размещаются в безводной знойной пустыне Калахари, где они к тому
же покрыты многометровой толщей песков. То же самое относится
и к алмазным месторождениям других африканских стран − Танзании, Гвинеи,
Анголы, Сьерра-Леоне, Мали и т. д.
В особенно неблагоприятных климатических и географических условиях
сосредоточены алмазоносные кимберлиты в северном полушарии. Якутия −
территория вечной мерзлоты, Архангельск − заболоченная тайга, низкие
температуры зимой. Алмазные месторождения Канады находятся на севере
Американского континента, в местности, где отсутствовали населённые пункты
и какая-либо инфраструктура. К тому же там 75% кимберлитовых тел
располагаются под озёрами.
Драгоценные алмазы распространены повсеместно на территории Земли,
поэтому поиски алмазов ведутся во многих странах мира. Однако объём
добываемых минералов различен. Так, самые высокие показатели добычи
алмазов демонстрирует Африка, второе место удерживает Россия, чуть отстают
Канада, Австралия и т. д.
Страна
Ботсвана (Африка)
Россия
Канада
ЮАР (Африка)
Ангола (Африка)
Алмазодобыча за год
в миллиардах долларов
2,9
2
1,4
1,3
1,2
Основные запасы добычи алмазов России сосредоточены в Якутии − 80%,
остальное приходится на Архангельскую и Пермскую области. Российские
запасы алмазов сосредоточены в следующих местах: алмазные россыпи
Красновишерского района на Урале − 0,2%. Ломоносовское месторождение
и трубка Верхотина в Архангельской области − 17,5%, Якутские
месторождения − 82%.
http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/528372