АЛМАЗ — это не просто минерал из углерода

Опыт Теннанта стал первым экспериментальным подтверждением того, что алмаз — это углерод практически в чистом виде. Остальное было делом техники: как только появились соответствующие технологии, химики начали делать из углерода искусственные алмазы, полностью идентичные природным.

Кроме того, Теннант открыл два новых металла платиновой группы — осмий и иридий.

Из последнего тоже, как только появилась технология бесшовной отливки иридия, компания American Elements наладила выпуск «вечных» иридиевых обручальных колец, поступивших в продажу в 2016 году под торговой маркой Smithson Tennant.

Алмазная сгущенка

Вопрос о природе горючести веществ был одним из главных в химии XVIII века, так как на него замыкались и энергетика, и металлургия.

Самым простым объяснением того, чем принципиально отличаются горючие вещества от негорючих, могла быть некая огненная субстанция, которая пронизывает все горючие вещества и высвобождается при горении вместе большим количеством тепловой энергии. Назвали эту субстанцию, как теперь знает каждый школьник, флогистоном.

Теория флогистона была простая, стройная и многое объясняла.

Например, почему в опытах Ньютона рефракция (преломление света) сравнительно мало меняется у неорганических (негорючих) веществ в зависимости от их плотности и резко повышается при переходе к «маслянистым» органическим веществам, причем коэффициент преломления у последних весьма сильно коррелирует с их плотностью. С позиции науки того времени преломлял лучи света флогистон.

Загвоздка была только в алмазе: судя по рефракции, он должен был гореть ярче и жарче, чем камфора, скипидарное масло, оливковое масло, не говоря уже о янтаре. Ньютон был не тем ученым, который теряется, когда результаты эксперимента противоречат его теории.

Раз у алмаза большая рефракция, то он «вероятно, также есть маслянистое сгустившееся вещество», написал Ньютон в своей «Оптике». И ведь оказался прав на все сто! Поджечь алмаз было трудно, требовались высокие температуры, но алмаз тоже горел и сгорал дотла.

Сейчас трудно сказать, сколько карат алмазов и бриллиантов превратили в дым химики в течение XVIII века, но точно много.

Отказа от состоятельных владельцев расходных материалов для таких опытов, как правило, не было. Слишком заманчивой выглядела перспектива таких исследований: обратный процесс — сгущение бриллиантового флогистона и его кристаллизация — сулил баснословные прибыли.

Теория флогистона, как известно, не оправдалась: слишком много накопилось данных в пользу прямо противоположной теории окисления горючих веществ кислородом воздуха с образованием углекислого газа. Но даже самые светлые умы среди химиков еще долго продолжали сопротивляться очевидным фактам, и понять их можно.

Только представьте, что сулило производство чистого флогистона — идеального горючего без цвета, запаха и даже с отрицательной массой, сгорающего вообще без следа, словно его и не было. Стоило только выделить флогистон в чистом виде, и не дымили бы трубы предприятий, никаких труб не было бы вообще.

Ведь ядовитый дым, копоть и зола были в рамках этой теории остатками природной тары флогистона. Но ничего этого наука не позволила не только реализовать, но даже помечтать об этом. Окончательный смертный приговор флогистону подписали опыты Лавуазье в 1770–1780-х годах.

За одно это его следовало бы отправить на гильотину.

Эксперимент Теннанта

Теннант всего лишь повторил один из опытов Лавуазье по сжиганию алмаза в такой же, как у Лавуазье, «зажигательной машине».

Это был герметичный сосуд (у Лавуазье — довольно большой, из стекла и стали, у Теннанта — поменьше, но из золота), где образец поджигается с помощью линзы или системы линз, которые фокусируют солнечный свет на образце.

Продукты горения отводятся через трубку, погруженную в раствор известковой воды (гидроксида кальция), и выпадают в осадок в виде мела (карбоната кальция).

Было бы проще напрямую померить объем выделяющегося при горении углекислого газа, но в те годы химики еще точно не знали, что является конечным продуктом горения. Это как раз и предстояло им выяснить.

Белый осадок (мел) «растворялся с шипением в кислотах», то есть выделял углекислый газ, в чем Лавуазье, как писал Теннант, «почти не сомневался и мог бы, как мы сейчас это знаем, заключить, что алмаз содержит древесный уголь (практически чистый углерод.

“Ъ-Наука”); но отношение между этим веществом и фиксированным воздухом (углекислым газом.— “Ъ-Наука”) было тогда слишком несовершенно понято, чтобы оправдать это заключение. Хотя он (Лавуазье.

“Ъ-Наука”) и заметил сходство древесного угля с алмазом, но все же полагал, что из их аналогии нельзя вывести ничего более разумного, чем то, что каждое из этих веществ относится к классу воспламеняющихся тел».

Оригинал статьи Теннанта «О природе алмаза» (On the Nature of the Diamond. By Smithson Tennant, Esq. F. R. S., 1796) можно прочитать в интернете. Она того стоит хотя бы потому, что являет собой образцовую научную публикацию: краткую, но не оставляющую нерешенных вопросов.

Для понимания ее научной сути достаточно знаний по химии ученика девятого класса. Правда, сейчас чтение затрудняет то, что тогда еще не писали формулы веществ и уравнения реакций, а описывали их словами, используя при этом тривиальные названия химикатов, причем старинные.

Например, «морская кислота» (marine acid) вместо соляной кислоты, «фиксированный, или неподвижный (fixed air), воздух» вместо углекислого газа, а charcoal (древесный уголь) в зависимости от контекста означает у Теннанта либо буквально этот самый уголь, либо химический элемент углерод.

Если же коротко, то в своей статье Теннант доказывает, что:

  1. при сжигании алмаза выделяется тот же углекислый газ, что при сжигании древесного угля;
  2. его образуется ровно столько же, сколько выделяется при сжигании древесного угля равной массы.

Вывод Теннанта звучит так: «Едва ли можно было усомниться в том, что он (алмаз.— “Ъ-Наука”) состоит из одних и тех же ингредиентов… что древесный уголь.

Таким образом, химики могли больше не тратить время на выяснение химического состава алмаза (это был углерод, и ничего больше), а сосредоточиться на “сгущении” углерода до такой степени, чтобы коэффициент его рефракции не отличался от измеренного Ньютоном.

Удалось это сделать только спустя полтора века, когда при очень больших температурах и давлениях ученые наконец получили очень маленькие искусственные алмазы, которые не отличались от природных ни химически, ни физически, ни оптически.

Потом научились делать алмазы покрупнее при более умеренных температурах и давлениях, а сейчас существует несколько разных методик «сгущения» искусственных алмазов.

Правда, полученные при них искусственные алмазы ювелирного размера и качества пока выходят дороже природных.

Алмазный блеск экономкласса

Намного дешевле изделие ученых из Физического института АН СССР (ФИАН), которое они научились делать в 1970 году, «сгущая» двуокись циркония.

Рефракция у него мало отличается от таковой у алмаза, на глаз их невозможно различить. У нас такой «алмаз» называют по аббревиатуре института фианитом, за границей — цирконитом.

А потом на прилавках ювелирных магазинов появился искусственный муассанит из карбида кремния.

Природный муассанит почти такой же твердый, как алмаз, и после огранки по игре отраженного света бесцветные муассаниты не отличаются от бриллиантов. Отличить их неспециалист не способен, да и не каждый ювелир это скажет сразу. Беда только в том, что муассанит чрезвычайно редок, а самые крупные его природные кристаллы — миллиметровые.

Химики его тоже синтезировали, причем еще в 1906 году, через два года после первой находки кристаллов муассанита геологами.

Но достаточно крупные для ювелирных изделий и прозрачные искусственные муассаниты они научились «сгущать» из карбида кремния сравнительно недавно.

Словом, ученые позаботились, чтобы народ не остался без алмазного блеска даже в тех случаях, когда нет денег на бриллианты.

Двойное открытие

Второе имевшее отдаленные последствия в ювелирном бизнесе открытие Теннанта касалось двух самых твердых и очень редких металлов, содержание которых в земной коре в 10 раз меньше, чем платины, и в 40 раз меньше, чем золота. Открыл их Теннант оба сразу, как говорится, за один присест, растворяя в царской водке (смеси концентрированных азотной и соляной кислот) платину, точнее, платиновую руду из Колумбии.

Платина растворилась, остался только черный осадок примеси в руде. Теннант сплавил этот нерастворимый остаток с щелочью и полученное вещество попробовал для начала растворить в воде. Вода пожелтела, а в осадок выпало еще одно черное твердое вещество.

Желтый раствор был раствором тетроксида осмия. Оставалось его выпарить и получить соль какого-то пока неизвестного металла, потом прокалить и получить этот металл в чистом виде.

Теннант назвал его осмием (в переводе с древнегреческого — «пахучий»; его соль сильно пахла, точнее, даже воняла как тухлая редька).

АЛМАЗ — это не просто минерал из углерода

Getty Images

Потом черный осадок после удаления из него осмия Теннант попробовал растворить в соляной кислоте, а то, что после этого осталось, он сплавил с едким натром и снова попытался растворить в кислоте.

На этот раз раствор покраснел, и в нем выпали мелкие кристаллы красного цвета. Это была соль еще какого-то металла. Теннант ее прокалил и получил белый металлический порошок.

Новый металл он назвал иридием (по-древнегречески — «радужный»), вероятно, за разные цвета его солей.

Вторая жизнь в рекламе

Оба металла оказались чрезвычайно устойчивыми к коррозии, даже превосходили по этому показателю золото и платину. А с учетом их твердости казались весьма перспективными для использования в практических целях.

Читайте также:  ХРОМДИОПСИД: магические свойства, кому подходит по знаку Зодиака, значение и стоимость украшений с камнем

Но в XIX веке единственное общеполезное, что могли из них сделать, был маленький нестираемый шарик из иридия на кончике золотого или платинового пера перьевой ручки, которую макали в чернила.

Такая ручка стоила золотую гинею, то есть примерно полтора фунта стерлингов по курсу 1830-х годов, когда такие ручки появились в продаже.

В ХХ веке таким шариком из сплавов иридия снабжали перья дорогих авторучек, в том числе знаменитый Parker 51, которым в период с 1930-х по 1980-е годы было подписано, наверное, большинство международных договоров и которым, как известно, пользовался Джеймс Бонд.

Правда, у «паркера» шарик на конце пера состоял из сплава иридия с рутением, в котором иридия было всего 3,8%.

Так что для снобов, если бы они знали историю химии, по престижности, или «крутизне», как сейчас говорят, самый навороченный современный «паркер» против перьевой ручки позапрошлого века за гинею все равно что японские серийные часы Seiko против хронографа Patek Philippe.

В 1933 году из сплава иридия с рутением сделали термопару для измерения высоких температур вплоть до 2000 градусов по Цельсию. В 1957 году Рудольф Мессбауэр открыл резонансное поглощение гамма-излучения ядрами иридия (эффект Мессбауэра, одно из «эпохальных открытий в физике ХХ века», как его называют).

Сейчас область практического использования иридия и осмия намного шире, но все их применения связаны с повышенной температурой плавления, твердостью и коррозийной устойчивостью.

Например, в 2006 году компания American Elements разработала технологию отливки бесшовных иридиевых колец для их использования в космических аппаратах и спутниках.

В 2016 году American Elements учредила дочернюю компанию Smithson Tennant, которая по той же технологии начала производить ювелирные украшения из иридия, в первую очередь иридиевые обручальные кольца Smithson Tennant.

Продвигая их на рынок, компания делает упор на то, что они вечные в буквальном смысле этого слова: их можно опустить в концентрированную кислоту, и ничего с ними не станет.

Довольно странная реклама… Не хочется думать, что будет с безымянным пальцем невесты или жениха, если они его сунут в кислоту, но с кольцом действительно ничего не будет, оно даже не потускнеет.

Что же касается торговой марки этих колец, то едва ли член Лондонского королевского общества Теннант мог ожидать, что спустя два века после своей кончины он станет рекламным лицом новомодных иридиевых украшений премиум-класса.

Научный аутизм

Смитсон Теннант относился к некогда довольно распространенному, а ныне практически вымершему классу «независимых ученых», то есть занимавшихся наукой на свои средства и потому не зависевших от требований и прихотей руководства официальных научных учреждений.

Разумеется, в той или иной степени такие ученые были аффилированы с университетами, научными сообществами и прочими официальными учреждениями науки хотя бы для того, чтобы их исследования докладывались, рецензировались, публиковались и попадали в научный оборот.

Но и здесь Теннант несильно стремился влиться в научный мейнстрим.

Он довольно рано, в 23 года, еще до того, как получил университетский диплом, был избран членом Лондонского королевского общества, а в 1804 году за открытие осмия и иридия был удостоен высшей награды общества — медали Копли.

Но число его научных публикаций, в том числе в «Философических трудах Королевского общества», можно посчитать в буквальном смысле на пальцах — всего семь штук.

Лишь за год до своей смерти он согласился принять должность профессора в Кембридже и читать лекции студентам. До этого он жил здесь наездами в качестве члена ученого совета на общественных началах, занимаясь исследованиями по собственной программе. А если и читал лекции, то в своей университетской квартире избранному кругу симпатичных ему коллег-ученых.

Большую часть времени он проводил в своем поместье, где вел химические и агрохимические опыты, или в Лондоне, где был завсегдатаем «Голландского дома» — модного в те времена светского салона барона Холланда. Там он был в большом авторитете и даже заслужил шуточное прозвище Папа (в смысле — римский).

Также он много путешествовал с целью научного туризма, с визитами для обмена опытом в лаборатории ведущих химиков Европы.

Понятно, что такой карьерный аутизм в науке, которому сейчас позавидует любой ученый, в наше время невозможен. Наука стала иной, отторгающей всех, кто занимается ею без звериной серьезности, а исключительно в свое удовольствие.

Не в последнюю очередь по этой причине Теннанта как ученого сейчас мало кто помнит даже на его малой родине, в Северном Йоркшире. Рядом с дверью его родительского дома в городе Селби только в 2005 году повесили мемориальную табличку.

Читают ее главным образом любители пива, потому что теперь эта дверь ведет в довольно популярную среди местных жителей и туристов пивную под названием «Елизаветинский паб».

Семейное имение Теннанта, где он вел свои научные исследования, можно увидеть только в старом фильме «Казино “Рояль”» 1967 года из старой, уже позабытой бондианы с Дэвидом Нивеном в роли агента 007. Там же можно увидеть в эпизодической роли нового владельца этого имения, седьмого лорда Болтона, бонвивана и плейбоя, не в пример более известного в современной Англии, нежели Смитсон Теннант.

Надежда на то, что теперь имя Теннанта прославится благодаря иридиевым обручальным кольцам, слабая. Если мало кто сейчас возразит, что Diamonds Are Forever, то тускловатый платиновый блеск нерастворимых даже в царской водке обручальных колец едва ли составит серьезную конкуренцию золотому ширпотребу с его многовековой историей.

Ася Петухова

Алмаз и карандашный графит состоят из одного химического элемента. Тогда почему они такие разные?

Действительно, алмаз и углерод в своём составе имеют только углерод. Почему же они имеют такие разные свойства? Давайте разберёмся!

Для начала, рассмотрим их поближе, чем они отличаются визуально? На алмаз интереснее глянуть в обработанном виде. Огранённый алмаз называется бриллиантом. Каждый бриллиант уникален.

Обработанный алмаз

На фотографии кусок природного графита. Графит имеет тёмно-серый цвет и металлический блеск. Отличие от алмаза заметно сразу!

Природный графит

Вещественный состав алмаза и графита одинаковый — они оба состоят из углерода. Разница в качественном составе. Как такое может быть? Все дело в кристаллической решетке.

Кристаллическая решётка алмаза похожа на тетраэдр, каждый атом углерода связан ещё с четырьмя с соседними атомами, расположенными в вершинах тетраэдра, с помощью прочных ковалентных связей.

Кристаллическая решётка алмазаКристаллическая решётка алмаза

Благодаря такому строению алмаз — самое твёрдое из известных природных веществ. Все четыре валентных электрона каждого атома углерода участвуют в образовании связей, поэтому алмаз не проводит электрический ток. Это бесцветное прозрачное кристаллическое вещество,которое хорошо преломляет видимый свет.

Интересный факт: При сильном нагревании без доступа кислорода алмаз чернеет и превращается в графит. Графит можно превратить в алмаз при высокой температуре и большом давлении, а также под действием рентгеновского лазера. Подробнее в статье — Как синтезировать алмаз из графита?

Кристаллическая решетка графита слоистая. Каждый атом углерода прочно связан с тремя соседними атомами, однако плоские слои из шестиугольников связаны между собой слабо.

Кристаллическая решётка графитаКристаллическая решётка графита

В отличие от алмаза графит непрозрачный, проводит электрический ток и оставляет серый след на бумаге.

Углерод

Способность атомов одного и того же элемента образовывать несколько простых веществ называют Аллотропией. Кроме углерода аллотропия наблюдается у Водорода, Кислорода, Фосфора и Серы.

Углерод является химическим веществом с самым большим числом аллотропических модификаций: алмаз, графит, фуллерен, карбин, графен, углеродные нанотрубки, лонсдейлит и т.д.

Уважаемый читатель, очень рад что ты дочитал статью, Спасибо! Надеюсь тебе понравилось. Оценивай статью и пиши комментарии 🙂

Бриллианты теперь производят из воздуха. Как это возможно?

Также не секрет, что основная часть бриллиантов добывается на промышленных месторождениях. Хотя это весьма редкий минерал, за счет своей распространенности его можно найти практически на всех континентах — не добывают бриллианты только в Антарктиде. Возраст найденных минералов варьируется от 100 млн до 2,5 млрд лет.

Fast Company / Rich Dieckhoff

Существуют как земные алмазы, так и представители из космоса, попавшие на нашу планету вместе с метеоритами.

Еще есть и их синтезированные братья, но как и добытые промышленным путем, эти бриллианты также выращиваются с использованием полезных ископаемых.

В этом и заключается основная проблема минерала — его добыча очень вредит окружающей среде. Возможно так продолжалось бы и дальше, но 2017 год стал переломным, — теперь бриллианты можно получать из воздуха.

Получение алмазов из углекислого газа — почему это важно

Как совместить приятное с полезным? Правильно, создать установки, улавливающие углекислый газ из атмосферы и перерабатывающие этот ресурс в бриллианты. Такой подход к процессу выращивания алмазов благоприятен сразу с нескольких сторон:

  • Во-первых, не требуется разработка месторождений, которые пагубно влияют на окружающую среду
  • Во-вторых, улавливая CO2 из воздуха, тем самым снижается его концентрация в атмосфере.

Снижение количества углекислого газа — это прямой путь к недопущению повышения температуры Земли на критические 2 градуса по Цельсию. Ведь CO2 — это тот самый долгоживущий парниковый газ, из-за которого наша планета из года в год становится все горячее, ухудшаются условия для жизни не только человека, но и всех живых существ.

Основным потребителем CO2 является океан, а не растения, как до сих пор многие считают. Растительность одновременно и поглощает углекислоту в большом количестве (при фотосинтезе), и производит ее в аналогичных количествах за счет гниения биомассы. Лес и растения в целом — это своего рода кондиционер природного происхождения.

Читайте также:  РОДОХРОЗИТ: магические свойства, кому подходит по знаку Зодиака, месторождения, значение и стоимость украшений с камнем

Говоря об океане, то он не справляется с теми концентрациями углекислоты, которые вырабатывает человечество в процессе жизнедеятельности. Поэтому установки типа Climeworks — это еще один способ помочь нашей планете. Точнее это еще один инструмент для улучшения нашей с вами жизни, недопущению изменения климата и глобального потепления.

Climeworks — как это работает. Никакой магии

На все про все от двух до трех недель!

Стартап появился еще в 2017 году, в мае — тогда на крыше мусоросжигательного завода установили несколько агрегатов, в буквальном смысле высасывающих CO2 из атмосферы.

Извлеченная углекислота далее отправляется в Чикаго, где компания Aether в специальных реакторах превращает эту субстанцию в нечто уникальное — углеродно-отрицательные алмазы.

Весь процесс по выращиванию бриллиантов занимает всего две-три недели!

Во время загрузки произошла ошибка.

Руководители Climeworks и Aether преследуют не только корыстные цели, ведь при разработке месторождений по естественной добыче минерала вырубаются немалые площади лесов, загрязняются местные воды, эксплуатируется рабочая сила в весьма сложных условиях. При этом пик по добыче алмазов естественным путем уже прошел — с каждым годом месторождений становиться все меньше, а к 2040 году их количество сократится вдвое. В то же время спрос на драгоценный минерал только повышается.

Aether как компенсация углеродного следа, оставляемого каждым из нас

В Aether говорят, что созданные ими алмазы не станут продаваться только за счет экологического посыла. Основной упор, как и у классических бриллиантов, будет делаться на внешнем виде, а экологический составляющая окажется своего рода вишенкой на торте.

Fast Company / Rich Dieckhoff ​

Немного об углеродном следе — это совокупность всех выбросов парникового газа, производимых одним жителем Земли в течение года. Поездка на автотранспорте, обогрев жилища, приготовление еды и т.д. Почти каждое наше действие связано с выбросом углекислого газа.

Для примера — один американец за год оставляет углеродный след массой в 16 тонн. Для создания 2-каратного алмаза необходима переработка 40 тонн углекислоты, полученной установками Climeworks. То есть получаем компенсацию углеродного следа, произведенного одним американцем в течение 2,5 лет — очень неплохо!

Когда ждать в продаже алмазы от Aether

На данном этапе компания Aether реализует свой продукт ограниченным тиражом (по предзаказу), но вскоре ожидается масштабирование процесса. Более или менее широкая продажа искусственных бриллиантов запланирована на 2021 год. Единственное, что интересует, так это стоимость подобных камней.

Не одними алмазами деланные

Climeworks

Главная цель компании Climeworks — захват углекислоты из атмосферы, которую после можно использовать для производства пластика (например, кроссовки из переработанного CO2) или топлива.

Почему это действительно важно? Согласно отчетам международной организации МГЭИК, к 2050 году человечеству для борьбы с изменением климата придется удалять из атмосферы до 10 гигатонн углекислоты.

Погуглите, сколько это нулей после единицы…

Во время загрузки произошла ошибка.

Как алмазы стали первыми минералами во Вселенной? Отрывок из книги об углероде

В издательстве «Альпина нон-фикшн» выходит книга Роберта Хейзена «Симфония № 6». ТАСС публикует отрывок о смерти звезд и рождении Земли

Роберт Хейзен — минералог, астробиолог и трубач, поэтому неудивительно, что «Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего» устроена наподобие музыкального произведения. В книге четыре части, в названиях глав мелькают коды, репризы, интермеццо.

Каждой главе соответствует природная стихия. В «Земле» идет речь об углероде в минералах, в «Воздухе» — о соединениях этого элемента в атмосфере, которые меняют климат и грозят нам бедствиями. От углерода зависит жизнь, без него она, может, и не возникла бы.

Углерод повсюду, в том числе и в космосе. Об этом — отрывок из книги.

Углерод чрезвычайно общителен. Атомы углерода рождаются по одному, но не могут выносить одиночества. Они используют любую возможность, чтобы соединиться с четырьмя другими атомами.

Поэтому химия углерода, основанная на этом отчаянном желании углерода соединяться, должно быть, началась очень рано, чуть ли не на заре творения.

Окруженные водородом, первичные атомы углерода быстро обзавелись четырьмя компаньонами и стали молекулами CH4 — метана, основного компонента природного газа.

Химия углерода стала гораздо интереснее, когда звезды начали взрываться, рассеивая в небесах новые химические элементы. Важным новым элементом стал кислород — химически активный атом, который вступал в прочные соединения с углеродом.

На сцене быстро появились молекулы угарного (CO) и углекислого (CO2) газов.

Другие атомы этого элемента соединились с многочисленными атомами азота и водорода в смертельную синильную кислоту (HCN) или с также повсеместно распространенными серой и фосфором — в десятки разнообразных молекул.

Из всех этих небольших первичных молекул образовались газы, которые объединились с водородом и гелием в большие облакоподобные туманности — колыбели звезд.

Углерод также не упустил возможности соединять между собой свои же атомы, и в результате возникли структуры типа цепочек, колец и решеток — молекулярных образований со все большей геометрической сложностью.

И время от времени в наиболее насыщенных углеродом завихрениях расширяющейся газообразной оболочки звезд каждый атом углерода объединялся с еще четырьмя такими же в растущий объект правильной формы. В результате появился крошечный кристалл алмаза.

Алмаз — это углерод, застывший в кристаллическом совершенстве. Как можно не любить этот драгоценный камень? Сплошные превосходные степени: самый твердый, обладающий самой высокой теплопроводностью, самый сверкающий и прочный на срез, самый ценный. Столетиями алмаз будоражил воображение как обычных потребителей, так и ученых — в равной степени.

Крупные без примесей кристаллы — не просто редкие и красивые драгоценности, желанные символы любви и власти. Алмазы являются и научными сокровищами. Они позволяют заглянуть в загадочные недра планеты и хранят данные о ее интригующем прошлом.

Алмазы буквально представляют собой временные капсулы скрытого сердца Земли, а если заглянуть вглубь времен, то окажется, что они были самыми первыми кристаллами в космосе.

Вот как это произошло. При высоких температурах на поверхности звезды, насыщенной углеродом, колебания атомов были слишком сильны и неуправляемы, чтобы какая-либо пара атомов углерода смогла образовать прочную химическую связь.

Условия меняются, когда такая звезда взрывается, высвобождая огромное расширяющееся облако атомов в газообразной форме.

Когда температура внутри этой расширяющейся газовой оболочки падает ниже 4400 °C, жаждущие компаньонов атомы углерода замедляются в достаточной степени, чтобы соединиться с четырьмя другими в крошечные пирамидки, размером менее миллиардной доли сантиметра.

Каждый атом этой пирамидки тоже нуждается в четырех соседях, так что ко всем вершинам добавляется еще по три недостающих атома углерода. Это повторяется снова и снова в правильной геометрической последовательности. Так растет кристалл алмаза.

Именно таким образом в течение миллиардов лет в космосе формировались бесчисленные микрокристаллы алмаза. Они образовались задолго до каменистых планет и продолжают возникать по сей день в окрестностях наиболее активных звезд во Вселенной, кристаллизируясь на нечеткой границе между раскаленной поверхностью звезды и холодным вакуумом космоса.

О замечательном разнообразии углеродных минералов земли

Хотя микроскопическая алмазная пыль в космосе распространена повсеместно, алмаз не является здесь преобладающей формой углерода.

При экстремальных температурах вблизи звезд (свыше 4400 °C) алмаз кристаллизировался первым, потому что этот минерал — единственная твердая субстанция, способная конденсироваться и расти в таких условиях.

Все остальные кристаллы в окрестностях раскаленных добела объектов плавятся или испаряются. Но при более низких температурах и давлениях берет верх другая, более прозаическая кристаллическая форма углерода.

В алмазе атомы слишком плотно упакованы, слишком скучены, и поэтому им «неудобно». Микроалмазы достаточно легко образуются из остывающего газа звезды, но, когда температура опускается ниже 4000 °C, вместо них возникает графит — знакомый всем мягкий черный минерал грифельных карандашей и сухих смазок.

Графит и алмаз — это пример противоположностей. Алмаз твердый и «выносливый» благодаря трехмерному, напоминающему балочную ферму, атомному каркасу. В элегантной структуре графита каждый атом углерода соединяется с тремя, а не четырьмя соседями, образуя миниатюрный плоский треугольник.

Такая менее плотная атомная упаковка представляет собой слоистую структуру с идеально плоскими углеродными пластинками, наложенными друг на друга, как листы бумаги в стопке. Эти неплотно связанные чешуйки атомов углерода легко переходят с вашего карандаша на бумагу и скользят друг по другу, смазывая ваши замки и подшипники.

Мягкий черный графит не годится в драгоценные камни, но его значение для жизни общества ничуть не меньше, чем у алмаза.

Алмаз был первым, а графит, как мы подозреваем, вторым кристаллическим веществом в космосе.

Несмотря на их контрастные свойства, оба минерала представляют собой чистый углерод и оба изначально образовались из того, что осталось после звездной бури.

Но настоящий взрывной рост новых углеродсодержащих кристаллических форм начался лишь после появления каменистых планет — двигателей многообразия минералов углерода.

Образование планет — давний бурный процесс. Огромные туманности — колыбели звезд и планет — это разреженные облака космической пыли и газа размером в несколько световых лет.

Потревоженная гравитационным следом проходящей шальной звезды или ударной волной сверхновой, небольшая область туманности может начать сжиматься. При этом гравитация будет затягивать вращающуюся массу внутрь, и та станет вращаться все быстрее, подобно кружащемуся фигуристу.

Бóльшая часть массы провалится в центр и образует звезду типа Солнца, остатки же сконцентрируются в несколько вращающихся планет.

В нашей Солнечной системе молодое Солнце поддерживало сильный горячий солнечный ветер, который смел бóльшую часть оставшейся пыли и газа в далекое царство газовых гигантов — до орбиты Юпитера и дальше. Каменные обломки образовали планеты земной группы: Меркурий, Венеру, Землю и Марс.

Читайте также:  В чем разница между АЛМАЗОМ и БРИЛЛИАНТОМ

Планеты начинаются с малого — со сферических скоплений космической пыли, микроскопические частицы которой свободно удерживаются между собой статической связью.

Выбросы солнечной энергии или вспышки молний в туманностях сплавляли эти комочки в маленькие капельки не больше дроби — их называют «хондры». Хондры слипались во все бóльшие массы: размером с баскетбольный мяч, потом — аэростат, затем — небольшую гору.

Гравитация собирала бесчисленные летящие по орбите камни в еще более крупные планетезимали, которые сливались друг с другом благодаря участившимся мощным столкновениям.

Осколки, представляющие эти ранние этапы сборки Солнечной системы, продолжают падать на Землю в виде метеоритов-хондритов. Это самые старые объекты, которые вам дано подержать в руках. Они не так уж редки, их можно купить на eBay за несколько долларов.

Когда планетезимали увеличились до 160 км в диаметре и более, их внутреннее тепло расплавило, очистило и разделило первичное вещество. Плотные металлы вроде железа и никеля погрузились в недра и образовали планетезимальные ядра.

Менее плотные скопления блестящих кристаллов оливина и пироксена окутали растущие миры мантией. Горячая вода, циркулирующая по разломам и трещинам, изменила каменную смесь, а разрушительные удары огромных небесных тел привели к образованию новых плотных минералов — импактных.

Ближе к концу этого процесса несколько больших протопланет — среди них и Земля — стали доминировать в зарождающейся Солнечной системе, захватывая бóльшую часть оставшихся каменных обломков подобно огромным пылесосам.

Последнее крупное столкновение между Землей и ее меньшей сестрой, протопланетой Тейя, привело к полному уничтожению Тейи и формированию Луны.

Создав в небе коалицию с Луной, разогретая поврежденная Земля быстро «залечила рану» и остыла, превратившись в тело из трех оболочек: тонкой хрупкой коры, мощной мантии и недосягаемого металлического ядра.

Циркулирующие в глубинах перегретая вода и пар растворяли и концентрировали химические элементы и переносили их к более холодной поверхности молодой планеты, где те образовывали все новые и новые минеральные формы, среди которых было и множество минералов углерода.

Первичная Земля, испещренная ударами небесных тел, в составе которых были и алмаз, и графит, только начинала собственные эксперименты с шестым элементом.

Постепенно, по мере развития нашей планеты, на ней эволюционировала и удивительная минералогия углерода — сотни кристаллических форм, каждая из которых отличалась неповторимым сочетанием химического состава и кристаллической структуры и включала в себя разнообразные соединения углерода с другими химическими элементами. Каждый из этих изумительно разных минералов и поныне является свидетельством нашего динамичного, эволюционирующего мира.

Как образуются алмазы

Вопреки распространённым заблуждениям алмазы в природе находятся вовсе не по всей поверхностью земной коры.

Углерод — неметалл, являющийся основой этого минерала, становится алмазом только при воздействии крайне высоких температур и давления на глубине от 160 до 480 км.

«Колыбелью» подавляющего количества кристаллов являются вулканы, именно благодаря им алмазы оказываются ближе к поверхности, поэтому разработка карьеров ведётся в районах с повышенной вулканической активностью. Часть минералов просто вымывается из кимберлитовых трубок.

Алмазы земного происхождения

Происхождение алмазов до сих пор неясно, на этот счёт до сих пор ведутся многочисленные споры. Точно удалось определить только одно — место и время их образования.

Большая часть учёных соглашается с тем, что алмазы возникли в мантии нашей планеты в период 100 млн. — 2,5 млрд. лет тому назад.

Углерод на глубине 200 км под воздействием температур 1300 °С и при давлении в 4-5 ГПа постепенно сформировал алмазную кристаллическую решётку. Известны случаи образования алмазных залежей на глубине 700 км.

Самые популярные теории, по которым алмазы образуются в вулканических породах:

  1. Углерод попал в застывающую магму в составе углеводородов, так возникли алмазы в верхних слоях коры нашей планеты.
  2. Неметалл кристаллизовался очень глубоко — на глубине уже ультраосновных пород, после чего залежи были увлечены потоками магмы наверх.
  3. Последняя теория наиболее популярная. Основная часть кристаллов возникла в ультраосновной породе, а некоторые алмазы возникли уже в процессе подъёма этой породы к поверхности коры.

Настоящий алмаз — неметалл, который на самом деле не так уж и редок. Причина его дороговизны в том, что человечеству доступно лишь малое число месторождений, в то время как основные залежи находятся слишком глубоко под землёй.

В тему:  Общая информация о алмазе в т.ч. формула, состав

Алмазы метеоритного происхождения

Можно было бы подумать, что драгоценные камни буквально прилетели на Землю из космоса, но это не так — в найденных металлических и каменных метеоритах обнаружены лишь крохотные вкрапления драгоценных кристаллов. Подавляющее большинство минералов метеоритного происхождения было образовано в следствие удара метеоритов о земную твердь.

Впервые алмазы именно в метеоритах были найдены русскими учёными в далёком 1888 году в Мордовии. М.В. Ерофеев и П.А. Лачинов занимались в то время изучением относительно небольшого метеорита под названием Новый Урей.

В железном же метеориты минералы были найдены чуть позже и на другом конце света — в 1891 году в США, в штате Аризона. Гигантский метеорит весом в 30 тонн рухнул на землю, где ныне располагается штат, около 40 тыс. лет тому назад.

Происхождение алмазов в космосе до сих пор остаётся загадкой, на этот счёт есть несколько гипотез. Пока что человечеству не удалось найти и точно определить алмазные астероиды или планеты. Большинство учёных склоняются к тому, что кристаллы образуются при столкновении небесных тел друг с другом.

Алмазосодержащие породы, возникшие при столкновении метеорита с поверхностью земли, называются импактитами. Углерод при ударе подвергается воздействию температуры свыше 2000 °С, а давление в момент удара достигает десятков ГПа. Таких условий более чем достаточно, чтобы этот неметалл преобразовался в алмазные кристаллы.

Импактные алмазы образуют огромные залежи, но их добыча не ведётся в промышленных масштабах, поскольку такие камни слишком малы.
Абсолютно все добываемые в мире алмазы появились в пределах Земли.

В тему:  Как добывают алмазы

Алмазы в космосе

Несмотря на то, что алмазных планет так и не было обнаружено, в космосе существует гигантский алмаз 4000 км в поперечнике. Его вес исчисляется триллионами триллионов карат.

Этот неисчислимо огромный кристалл находится аккурат над Австралией и является ядром звезды Люси, до которой от Земли 50 световых лет. Эта звезда является белым карликом (астрономы дали ему имя BPM 37093) в созвездии Кентавра.

Определить состав звезды смогли учёные из Гарвард-Смитсонского центра в 2004 году.

Алмазы искусственного происхождения

Бриллианты невероятно популярны в виде украшений, но минералу со временем нашли и другое применение благодаря его чрезвычайной твёрдости. И, поскольку настоящий минерал в природе встречается не так уж часто (в доступных месторождениях), а то, что есть, стоит чересчур дорого, пришлось придумать, как создать алмазы искусственным путём с меньшими финансовыми затратами.

Практически эту идею удалось осуществить только в ХХ веке. Несмотря на то, что ещё два века назад уже было доказано, что алмазные кристаллы не что иное, как углерод, в то время ещё не существовало достаточно развитых технологий.

Тот факт, что минерал образовался из графита под влиянием высоких температур и давлений стал известен человечеству сравнительно недавно.

Синтетический алмаз был успешно получен несколько десятилетий назад, благодаря чему сейчас активно используется в производстве, например, промышленных инструментов.

Каким же образом нужно воздействовать на углерод, чтобы вырастить настоящий алмазный кристалл? В наши дни для этих целей успешно применяются самые разные технологии.

В первом варианте неметалл заключается в карбид-танталовую камеру и подвергается воздействию высокого давления под специальным прессом.

Вода, подаваемая в гидравлический пресс, создаёт давление около 2 000 атмосфер или 2 ГПа, но на этом процесс преобразования углерода в алмаз не заканчивается.

Следом на десятые доли секунды подаётся электрический ток, резко нагревающий графит — неметалл на основе углерода, из которого в итоге и получают драгоценный минерал. Далее остаётся только слить воду и остудить пресс. Чтобы вырастить искусственные минералы нужно значительно больше времени, которое требуется, чтобы в земной коре возник настоящий алмаз.

В тему:  Алмаз шах — знаменитый алмаз

Такой способ получения синтетических кристаллов самый надёжный, но, в то же время, самый дорогостоящий. Драгоценные камни можно получить и более дешёвыми путями — подвергнуть неметалл воздействию взрыва или вырастить кристалл в метановой среде. В первом случае камни получаются слишком мелкими, а вот метановый способ позволяет получить камни любых размеров.

К слову сказать, вовсе не обязательно воздействовать на углерод температурами выше 2 тыс. градусов по Цельсию. Её можно снизить, используя металлы катализаторы — железо, платину или никель. Кристаллы получаются не менее качественными.

Искусственные кристаллы используют при изготовлении ножей, буров, шлифовальных дисков и т. д. Камни используются и при изготовлении микросхем.

В 2005 году выяснилось, что углерод может образовать соединение ещё более твёрдое, чем алмаз. Неметалл получил название ACNR и был искусственно получен немецкими учёными путём нагревания сверхсильных молекул углерода до температуры 2226 °С и их сжатия. Вещество вышло настолько твёрдым, что легко царапает алмазы.

Оставьте комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *