АЛМАЗ (тюрк. Алмас, від грец. Adamas - незламний, непереможний * а. Diamond; н. Diamant; ф. Diamant; і. Diamante) - мінерал , Кристалічна кубічна модифікація самородного вуглецю .
Структура алмазу. Елементарна комірка просторової кристалічної решітки алмазу є гранецентрированний куб з 4 додатковими атомами, розташованими всередині куба (рис.).
Розмір ребра елементарної комірки а 0 = 0,357 нм (при t = 25 ° С і Р = 1 атм). Найкоротша відстань між двома сусідніми атомами С = 0,154 нм. Атоми вуглецю в структурі алмазу утворюють міцні ковалентні зв'язки, спрямовані під кутом 109 ° 28 'відносно один одного, завдяки чому алмаз - саме тверде з відомих в природі речовин. У зонної структурі алмазу ширина забороненої зони для невертикальною переходів дорівнює 5,5 еВ, для вертикальних - 7,3 еВ, ширина валентної зони 20 еВ. Рухливість електронів mn = 0,18 м 2 / В • с, дірок mr = 0,15 м2 / В • с.
Морфологія алмазу. Кристали алмаза мають форму октаедра, ромбододекаедра, куба і тетраедра з гладкими і пластинчато-ступінчастою гранями або округлими поверхнями, на яких розвинені різноманітні акцессоріі. Характерні сплощень, подовжені і сложноіскажённие кристали простий і комбінованої форм, двійники зрощення і проростання по шпінелевих закону, паралельні і довільно орієнтовані сростки. Різновиди алмазу є полікристалічні освіти: борт - зростки численних дрібних огранованих кристалів і зерен неправильної форми, сірого і чорного кольору; баллас - сфероліти радіально-променевого будови; карбонадо - скритокрісталліческіе, щільні, з емалевідной поверхнею або шлакоподобние пористі утворення, що складаються переважно з субмикроскопических (близько 20 мкм) зерен алмазу, тісно зрощених один з одним. Розмір природних алмазів коливається від мікроскопічних зерен до вельми великих кристалів масою в сотні і тисячі карат (1 карат = 0,2 г). Маса алмазів зазвичай 0,1-1,0 карат; крупні кристали (понад 100 карат) зустрічаються рідко. У таблиці наведено найбільші в світі алмази, витягнуті з надр.
Хімічний склад. У алмазі присутні домішки Si, Al, Mg, Ca, Na, Ba, Mn, Fe, Cr, Ti, В номером. За допомогою а-частинок радіоізотопних Н, N, О, Ar та інших елементів. азот є головною домішкою, яка чинить великий вплив на фізичні властивості алмазу. Кристали алмаза, непрозорі до ультрафіолетового випромінювання, називаються алмазом I типу; всі інші відносяться до типу II. Зміст азоту в переважній більшості кристалів алмазу, що відносяться до типу I, становить близько 0,25%. Рідше зустрічаються безазотні алмази, що відносяться до типу II, в яких домішка азоту не перевищує 0,001%. Азот ізоморфно входить в структуру алмазу і утворює самостійно або в сукупності зі структурними дефектами (вакансіями, дислокаціями) центри, відповідальні за забарвлення, люмінесценцію, поглинання в ультрафіолетовій, оптичної, інфрачервоної і мікрохвильової областях, характер розсіювання рентгенівських променів і ін.
Фізичні властивості. Алмази можуть бути безбарвними або з ледь помітним колірним відтінком, а також в різного ступеня ясно пофарбованими в жовтий, коричневий, рожево-ліловий, зелений, блакитний, синій, молочно-білий і сірий (до чорного) кольору. При опроміненні заряджених частинками алмаз набуває зелений або блакитний колір. Зворотний процес - перетворення пофарбованого алмазу в безбарвний - до сих пір не вдалося провести. Для алмазу характерні сильний блиск, високий показник заломлення (n = 2,417) і сильно виражений ефект дисперсії (0,063), що обумовлює різнокольорову гру світла в діамантах . Як правило, в кристалах алмазу проявляється аномальне двулучепреломление через напруг, що виникають у зв'язку зі структурними дефектами і включеннями. Кристали алмаза прозорі, напівпрозорі або непрозорі залежно від насиченості мікроскопічними включеннями графіту, інших мінералів і газово-рідких вакуолей. При освітленні ультрафіолетовим промінням значна частина прозорих і напівпрозорих кристалів алмазу люминесцирует синім, блакитним і рідше жовтим, жовто-зеленим, помаранчевим, рожевим і червоним кольорами. Кристали алмаза (за рідкісним винятком) люминесцируют під дією рентгенівських променів. Світіння алмазу збуджується катодними променями і при бомбардуванні швидкими частинками. Після зняття збудження часто спостерігається післясвітіння різної тривалості (фосфоресценція). У алмазі проявляється також електро-, трібе- і термолюмінесценція.
Алмаз як саме тверда речовина в природі використовується в різноманітних інструментах для розпилювання, свердління і обробки всіх інших матеріалів. відносна твердість за шкалою Mоcca 10, максимальна абсолютна мікротвердість, виміряна індентором на межі (111), 0,1 ТПА. Твердість алмазу на різних кристалографічних гранях не однакова; найбільш твердої є октаедричні грань (111). Алмаз дуже крихкий, має досить досконалою спайність по межі (111). Модуль Юнга 0,9 ТПА. Щільність прозорих кристалів алмазу 3515 кг / м3, напівпрозорих і непрозорих - 3500 кг / м3, у деяких австралійських алмазів - 3560 кг / м3; біля борту і карбонадо через їх пористості може знижуватися до 3000 кг / м3. Чистий поверхню кристалів алмазу має високу гидрофобностью (Крайовий кут 104-105 °). У природних алмазах, особливо в алмазах з розсипних родовищ, на поверхні утворюються найтонші плівки, які підвищують її смачиваемость.
Алмаз - діелектрик. Питомий опір r у всіх азотних кристалів алмазу типу I одно 1012-1014 Ом • м. Серед азотні алмази типу II іноді зустрічаються кристали, у яких r нижче 106 Ом • м, іноді до 10-10-2. Такі алмази мають провідність r-типу і фотопроводимостью, причому при однакових умовах фототок в алмазі типу II на порядок більше фотоструму, що збуджується в алмазі типу I. Алмаз диамагнитен: магнітна сприйнятливість, віднесена до одиниці маси, становить 1,57 • 10-6 одиниць СІ при 18 ° С. Алмаз стійок по відношенню до всіх кислот навіть при високій температурі. У розплавах лугів KOH, NaOH і інших речовин в присутності О, OH, CO, CO2, Н2О відбувається окисне розчинення алмазу. Іони деяких елементів (Ni, Co, Cr, Mg, Ca та ін.) Мають каталітичну активність і прискорюють цей процес. Алмаз має високу теплопровідність (особливо безазотні алмази типу II). При кімнатній температурі теплопровідність їх в 5 разів вище Сі, причому коефіцієнт теплопровідності зменшується зі збільшенням температури в інтервалі 100-400 К від 6 до 0,8 кДж / м • К. Поліморфний перехід діаманту в графіт при атмосферному тиску відбувається при температурі 1 885 ± 5 ° С по всьому об'єму кристала. Освіта плівок графіту на поверхні граней (III) кристалів алмазу під впливом кисню може відбуватися починаючи з 650 ° С. На повітрі алмаз згорає при температурі 850 ° С.
Поширеність і походження. Алмази виявлені в метеоритах, імпактних породах, пов'язаних з метеоритними кратерами (астроблемами), в кімберлітах і знаходяться в них невеликого розміру ксенолітах глибинних мантійних порід переді-гітови і еклогітовой складів, а також у вторинних джерелах - різних за віком і генезисом розсипах ( алювіальних , делювіальних , елювіальний , прибережно-морських , пролювіальних та ін.). З питань походження алмазів немає єдиної думки. Деякі вчені вважають, що алмази кристалізуються в самих кімберлітових трубках при їх становленні або в проміжних вогнищах, що виникають на невеликих (3-4 км) глибинах (субвулканические осередки). Інші вважають, що алмази утворюються на великій глибині в родоначальних кімберлітових розплаві і продовжують кристалізуватися при підйомі його в верхню частину земної кори . Найбільш обґрунтовано розвиваються уявлення про те, що алмази генетично пов'язані з різноманітними перідотітового і еклогітовой породами верхньої мантії і виносяться з них разом з іншим ксеногенні матеріалом, що знаходяться в кімберлітах. Існують і інші уявлення про генезис алмазу (наприклад, кристалізація при низькому тиску з використанням вуглецю з метану глибинного походження і карбонатів вміщають порід).
Родовища алмазів. Промислове значення мають алмазоносних кімберлітові породи і формуються за рахунок їх розмиву розсипних родовищ. Кімберліту зустрічаються переважно на древніх щитах і платформах ; для них характерні головним чином тіла трубчастої форми, а також жили , Лайки і сиплим . Розміри кімберлітових трубок від одного до декількох тисяч метрів в поперечному перерізі (наприклад, трубка Мвадуі в Танзанії з параметрами 1525х1068 м). На всіх платформах відомо понад 1500 кімберлітових тіл, але промислове зміст алмази мають лише поодинокі. Алмази розподілені в кімберлітах вкрай нерівномірно. Промисловими вважаються трубки з вмістом алмазів від 0,4 карат / м3 і вище. У виняткових випадках, коли трубки містять підвищений відсоток високоякісних алмазів, рентабельною може бути експлуатація і з більш низьким вмістом, наприклад 0,08-0,10 карат / м3 (Ягерсфонтейн в ПАР). У кімберлітах переважають кристали розміром 0,5-4,0 мм (0,0025-1,0 карат). Вагова частка їх зазвичай становить 60-80% від усієї маси видобутих алмазів. Запаси на окремих родовищах обчислюються десятками млн. карат . Найбільші корінні родовища алмазів розвідані в Заїрі , ПАР , Ботсвані , Танзанії, Лесото, Анголі , Сьєрра-Леоне та ін.
Основний видобуток алмазів ведеться з розсипів (80-85%) різних генетичних типів, що експлуатуються при змісті 0,25-0,50 карат / м3. Серед розсипів виділяють елювіально-делювіальні (Заїр, ПАР, Гана, Кот-д'Івуар), алювіальні (Заїр, Ангола, ЦАР, Сьєрра-Леоне, Венесуела і ін.), Прибережно-морські і морські (Намакваленд в ПАР, Намібія і Ангола) . Прибережно-морські і морські розсипи відрізняються хорошою сортностью, відносно рівномірним вмістом і високою якістю алмазів. Запаси в великих протяжних розсипах обчислюються десятками млн. Карат (наприклад, в басейні р. Бушімае, Заїр, початкові запаси оцінюються в 109 карат). Головні родовища алмазів знаходяться в Африці ; крім того, промислові родовища відомі і розробляються в Південній Америці , Азії ( Індія і Індонезія ). Приблизна оцінка запасів алмазів в промислово розвинених капіталістичних і країнах, що розвиваються 1,2 млрд. Карат, з яких на технічні алмази припадає близько 75%. Основні запаси технічних алмазів зосереджені в Заїрі (близько 1/2 всіх зарубіжних запасів алмазів), Ботсвані, ПАР, Гані. Основні ресурси ювелірного сировини зосереджені в ПАР, Намібії, Анголі, Заїрі і Сьєрра-Леоне (див. Також Алмазна промисловість ).
В CCCP відомі як корінні, так і розсипних родовищ алмазів (наприклад, в Західній Якутії, на Уралі ).
Видобуток алмазів. Верхні горизонти кімберлітових трубок розробляються відкритим способом, нижні - підземним (розтин вертикальним стволом та квершлагами); розробка - з магазинированием кимберлитовой породи і видачею її через рудоспуски на транспортні горизонти. Розсипних родовищ розробляються відкритим способом з застосуванням екскаваторів , скреперів або драг .
Збагачення. На розсипних родовищах порода спочатку промивається в гідровашгердах для видалення сполучною глинистої маси і відділення крупного уламкового матеріалу; виділений, пухкий матеріал розділяється на чотири класи: -16 + 8, -8 + 4, -4 + 2, -2 + 0,5 мм. збагачення виробляється гравітаційними методами (мокра і повітряна відсадження , Збагачення у важких суспензіях, в концентраційних чашах). Для вилучення дрібних алмазів і алмазного крихти застосовуються плівкова і пінна флотация з попереднім очищенням поверхні. Реагенти: аміни, Аерофлот, жирні кислоти, гас, крезіловая кислота. Для вилучення алмазів найбільшого поширення набув жировий процес (для зерен з розміром 2-0,2 мм), заснований на виборчій здатності алмазів прилипати до жирових поверхонь. Як жирового покриття використовують вазелін, нафту, автол і його суміш з парафіном, олеїнову кислоту, нігрол і ін. Поряд з жировим процесом застосовують (для зерен крупністю 3-0,1 мм) електростатичну сепарацію, засновану на різній провідності мінералів (алмаз - поганий провідник електрики). Використовується рентгенолюмінесцентний метод вилучення щодо великих алмазів, заснований на здатності кристалів алмазу люминесцировать (рентгенолюмінесцентние автомати).
Застосування. Алмази поділяються на ювелірні та технічні. Перші мають високу прозорість. Найбільш цінними є алмази безбарвні ( "чистої води") або з хорошою забарвленням. До технічних відносяться всі інші видобуваються алмази незалежно від їх якості і розмірів. У CCCP сортування алмазів виробляється за технічними умовами, які доповнюються в міру розширення областей застосування алмазів. Залежно від видів і призначення діамантове сировину за якістю класифікується на категорії; в кожній категорії виділяються групи і підгрупи, які визначають розмір, форму, конкретні умови призначення кристалів алмазів. Близько 25% видобутих в світі алмазів використовується в ювелірній промисловості для виготовлення діамантів.
Володіючи виключно високу твердість, алмази незамінні для виготовлення різних інструментів та приладів ( бурові коронки і долота , Індентора для виміру твердості матеріалів, волоки, голки до профілометри, профілографи, пантограф, свердла, різці, накладні камені до морських хронометрам, склорізи і т.д.). Алмази широко використовуються для виготовлення абразивних порошків і паст, для заправки алмазних пил. Алмазним інструментом обробляються деякі метали, напівпровідникові матеріали, кераміка, будівельні залізобетонні матеріали, кришталь та ін. За сукупністю ряду унікальних властивостей алмази можуть бути використані для створення електронних приладів, призначених для роботи в сильних електричних полях, при високих температурах, в умовах підвищеного рівня радіації , в агресивних хімічних середовищах. На основі алмазів створені детектори ядерних випромінювань, тепловідводи в електронних приладах, термістори і транзистори. Прозорість алмазів для інфрачервоного випромінювання і слабке поглинання рентгенівських променів дозволяють застосовувати їх в інфрачервоних приймачах, в камерах для дослідження фазових переходів при високих температурах і тисках.
Синтетичні алмази. В середині 50-х рр. почалося освоєння промислового синтезу технічних алмазів. Синтезуються в основному дрібні монокристали і більші полікристалічні освіти типу Баллас і карбонадо. Основні способи синтезу: статичний - у системі метал - графіт при високому тиску і температурах; динамічний - поліморфний перехід графіту в алмазах при впливі ударної хвилі; епітаксіальний - нарощування алмазних плівок на алмазні затравки з газоподібних вуглеводнів при низькому тиску і температурі близько 1000 ° С. Синтетичні алмази використовуються також, як природні технічні. Загальний обсяг виробництва синтетичних алмазів значно перевищує обсяг видобутку природних.