Качественный состав алмаза и графита таблица. Курсовая работа: Алмаз и графит: свойства, значение, происхождение

Бакаева Анастасия

Всё началось с простого карандаша! А вернее с его стержня. На уроке физики мы проходили тему «Строение твёрдых, жидких и газообразных тел», и оказалось, что углерод, графит и алмаз «родственники». Но как, же так, ведь углерод – это газ, а графит и алмаз, твёрдые вещества, обладающие кристаллическими решётками, но графит – «пишет», а алмаз настолько твёрдый, что им можно резать стекло и металлы, и украшать ювелирные изделия! Нам стало интересно. Оказывается, стержень (грифель) простого карандаша - это специально обработанная смесь графита, глины, воска. Когда мы рисуем, происходит расслоение кристаллической решётки графита и его атомы ложатся на поверхность шестиугольными плоскостями, а в состав цветных карандашей графит не входит! Просто так, для справки, приведу ориентировочный состав цветного карандаша: Органический краситель пластификатор (стеарин, например, из которого делают свечки) тальк (кстати, самый мягкий минерал по шкале Мооса) каолин (белая глина, её используют в производстве фарфора и ещё в косметике) клей КМЦ (KарбоксиМетилЦеллюлоза) - здесь связующее вещество. О как интересно! Мы подготовили небольшое сообщение о карандаше, а учитель предложила расширить эту тему и превратить её в исследовательский проект.

Скачать:

Предварительный просмотр:

МОУ «СОШ № 2 г. Ершов Саратовская область»

Исследовательский проект

Углерод, графит, алмаз

Бакаева Анастасия

8 «А» класс

руководитель: учитель физики I категории Филиппова Е.В.

2015

Введение

Всё началось с простого карандаша! А вернее с его стержня. На уроке физики мы проходили тему «Строение твёрдых, жидких и газообразных тел», и оказалось, что углерод, графит и алмаз «родственники». Но как, же так, ведь углерод – это газ, а графит и алмаз, твёрдые вещества, обладающие кристаллическими решётками, но графит – «пишет», а алмаз настолько твёрдый, что им можно резать стекло и металлы, и украшать ювелирные изделия! Мне стало интересно. Оказывается, стержень (грифель) простого карандаша - это специально обработанная смесь графита, глины, воска. Когда мы рисуем, происходит расслоение кристаллической решётки графита и его атомы ложатся на поверхность шестиугольными плоскостями, а в состав цветных карандашей графит не входит! Просто так, для справки, приведу ориентировочный состав цветного карандаша:

• Органический краситель
• пластификатор (стеарин, например, из которого делают свечки)
• тальк (кстати, самый мягкий минерал по шкале Мооса)
  каолин (белая глина, её используют в производстве фарфора и ещё в косметике)
• клей КМЦ (KарбоксиМетилЦеллюлоза) - здесь связующее вещество.

О как интересно!

Мы подготовили небольшое сообщение о карандаше, а учитель предложила расширить эту тему и превратить её в исследовательский проект.

Цели работы:

Изучить строение, физические свойства углерода, графита и алмаза

Узнать о применении углерода, графита и алмаза в технике, промышленности, ювелирном производстве и науке

Узнать о создании искусственных алмазов

Задачи

Создать наглядные пособия для изучения кристаллических тел (кристаллические решётки)

Вырастить самостоятельно кристалл медного купороса (он же тоже обладает кристаллической решёткой, как графит, алмаз и даже соль и сахар…)

Историческая справка.

Графит, алмаз и углерод известны с древности. Издавна известно, что графитом можно маркировать другой материал, и само название "графит", происходящее от греческого слова, означающего "писать", предложено А.Вернером в 1789. Однако история графита запутана, часто за него принимали вещества, обладающие сходными внешними физическими свойствами, например молибденит (сульфид молибдена), одно время считавшийся графитом. Среди других названий графита известны "черный свинец", "карбидное железо", "серебристый свинец". В 1779 К.Шееле установил, что графит можно окислить воздухом с образованием углекислого газа. Впервые алмазы нашли применение в Индии, а в Бразилии драгоценные камни приобрели коммерческое значение в 1725; месторождения в Южной Африке были открыты в 1867. В 20 в. основными производителями алмазов являются ЮАР, Заир, Ботсвана, Намибия, Ангола, Сьерра-Леоне, Танзания и Россия. Искусственные алмазы, технология которых была создана в 1970, производятся для промышленных целей. «Углерод встречается в природе как в свободном, так и в соединенном состоянии, в весьма различных формах и видах. В свободном состоянии углерод известен по крайней мере в трех видах: в виде угля, графита и алмаза. В состоянии соединений углерод входит в состав так называемых органических веществ, т.е. множества веществ, находящихся в теле всякого растения и животного. Он находится в виде углекислого газа в воде и воздухе, а в виде солей углекислоты и органических остатков в почве и массе земной коры. Разнообразие веществ, составляющих тело животных и растений, известно каждому. Воск и масло, скипидар и смола, хлопчатая бумага и белок, клеточная ткань растений и мускульная ткань животных, винная кислота и крахмал – все эти и множество иных веществ, входящих в ткани и соки растений и животных, представляют соединения углеродистые. Область соединений углерода так велика, что составляет особую отрасль химии, т.е. химии углеродистых или, лучше, углеводородистых соединений».

Углерод

Растения добывают углерод из углекислого газа - двуокиси углерода - содержащегося в атмосфере, и используют его как строительный материал для корней, стеблей и листьев. Животные получают его, поедая эти растения. А в почве он накапливается при разложении тел умерших существ. Из всех форм существования чистого углерода наиболее известным и, возможно, наиболее ценным для людей является уголь. Он примерно на 4/5 состоит из углерода, а остаток составляют водород и другие элементы. Ценность угля проистекает из химических свойств углерода, главным из которых является то, что он охотно взаимодействует с кислородом. Этот процесс протекает при сжигании угля на воздухе, при этом выделяется большое количество тепловой энергии, которую можно использовать для самых различных целей. Однако углерод в неживой природе можно обнаружить не только в виде угля. Две другие формы его существования в чистом виде, резко отличающиеся друг от друга,- графит и алмаз. Графит очень мягкий и жирный на ощупь. Он служит прекрасным смазочным материалом для многих механизмов. И еще, как вы знаете, из него изготовляют грифели карандашей. В этом случае графит смешивается с глиной для уменьшения его мягкости. Алмазы, напротив, являются самыми прочными из веществ, известных человеку. Их используют для создания особо прочных резцов, а также ювелирных украшений. Атомы углерода могут образовывать связи между собой и с атомами других элементов. В результате получается огромное множество углеродных соединений. Углерод входит в состав растений и животных (~18 %). Кругооборот углерода в природе включает биологический цикл, выделение СО 2 в атмосферу при сгорании ископаемого топлива , из вулканических газов, горячих минеральных источников, из поверхностных слоев океанических вод и др. Биологический цикл состоит в том, что углерод в виде СО 2 поглощается из тропосферы растениями. Затем из биосферы вновь возвращается в геосферу : с растениями углерод попадает в организм животных и человека, а затем при гниении животных и растительных материалов - в почву и в виде СО 2 - в атмосферу. В парообразном состоянии и в виде соединений с азотом и водородом углерод обнаружен в атмосфере Солнца , планет, он найден в каменных и железных метеоритах . Углерод реагирует со многими элементами с образованием карбидов (Карби́ды - соединения металлов и неметаллов с углеродом ). Углерод широко используется в металлургии. (Металлургия - совокупность связанных между собой отраслей и стадий производственного процесса от добычи сырья до выпуска готовой продукции - чёрных и цветных металлов и их сплавов ). Благодаря способности углерода образовывать полимерные цепочки, существует огромный класс соединений на основе углерода, которых значительно больше, чем неорганических, и изучением которых занимается органическая химия . Среди них наиболее обширные группы: углеводороды , белки , жиры и др. Углерод играет огромную роль в жизни человека. Его применения столь же разнообразны, как сам этот многоликий элемент. Углерод является основой всех органических веществ. Любой живой организм состоит в значительной степени из углерода. Углерод - основа жизни. Источником углерода для живых организмов обычно является углекислый газ из атмосферы или воды. В результате фотосинтеза он попадает в биологические пищевые цепи, в которых живые существа пожирают друг друга или останки друг друга и тем самым добывают углерод для строительства собственного тела. Биологический цикл углерода заканчивается либо окислением и возврашением в атмосферу, либо захоронением в виде угля или нефти. Углерод в виде ископаемого топлива: угля и углеводородов (нефть , природный газ ) - один из важнейших источников энергии для человечества . Углерод в сталелитейной промышленности один из важнейших компонентов сплавов железо-углерод (производство чугуна и стали ). Углерод входит в состав атмосферных аэрозолей, в результате чего может изменяться региональный климат, уменьшаться количество солнечных дней. Частицы углерода поглощают солнечное излучение, что может вызвать нагревание поверхности Земли. Углерод поступает в окружающую среду в виде сажи в составе выхлопных газов автотранспорта, при сжигании угля на ТЭС (Тепловая электростанция), при открытых разработках угля, подземной его газификации, получении угольных концентратов и др. Концентрация углерода над источниками горения 100-400 мкг/м³, крупными городами 2,4-15,9 мкг/м³, сельскими районами 0,5 - 0,8 мкг/м³. С газоаэрозольными выбросами АЭС в атмосферу поступает (6-15) 10 9 Бкг/сут углекислого газа. Высокое содержание углерода в атмосферных аэрозолях ведет к повышению заболеваемости населения, особенно верхних дыхательных путей и легких . Профессиональные заболевания - в основном антракоз и пылевой бронхит . Содержание углерода в атмосферном воздухе максимальная разовая 0,15, среднесуточная 0,05 мг/м³. Токсическое действие углерода, вошедшего в состав молекул белков (особенно в ДНК и РНК ), определяется радиационным воздействием бета частиц и ядер отдачи азота и трансмутационным эффектом - изменением химического состава молекулы в результате превращения атома углерода в атом азота.

Графит

Алмаз

Введение

1.1.Общая характеристика алмаза

1.2. Общая характеристика графита

2. Промышленные типы месторождений гранита и алмаза

3. Природные и технологические типы алмазосодержащих и графитовых руд

4. Разработка месторождений гранита и алмаза

5. Области применения гранита и алмаза

Заключение

Список используемой литературы.

Введение

Алмазная промышленность нашей страны находится в стадии развития, внедрения новых технологий обработки минералов.

Найденные месторождения алмазов вскрываются лишь процессами эрозии. Для разведчика это означает, что существует множество «слепых» месторождений, не выходящих на поверхность. Об их присутствии можно узнать по обнаруженным локальным магнитным аномалиям, верхняя кромка которых располагается на глубине в сотни, а если повезет – то в десятки метров. (А. Портнов).

Исходя из вышесказанного, я могу судить о перспективности развития алмазной промышленности. Именно поэтому я выбрала тему – «Алмаз и графит: свойства, происхождение и значение».

В своей работе я попыталась проанализировать связь между графитом и алмазом. Для этого сравнила эти вещества с нескольких точек зрения. Я рассмотрела общую характеристику данных минералов, промышленные типы их месторождений, природные и технические типы, разработку месторождений, области применения, значение данных минералов.

Несмотря на то, что графит и алмаз полярные по своим свойствам, они являются полиморфными модификациями одного и того же химического элемента - углерода. Полиморфные модификации, или полиморфы - это вещества, которые имеют одинаковый химический состав, но различную кристаллическую структуру. С началом синтеза искусственных алмазов резко возрос интерес к исследованию и поискам полиморфных модификаций углерода. В настоящее время, кроме алмаза и графита, достоверно установленными можно считать лонсдейлит и чаотит. Первый во всех случаях был найден только в тесном взаимопрорастании с алмазом и поэтому называется еще гексагональным алмазом, а второй встречается в виде пластинок, чередующихся с графитом, но расположенных перпендикулярно его плоскости.

1. Полиморфные модификации углерода: алмаз и графит

Единственный минералообразующий элемент алмаза и графита - это углерод. Углерод (С) - химический элемент IV группы периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева, атомный номер - 6, относительная атомная масса - 12,011(1). Углерод устойчив в кислотах и щелочах, окисляется только дихроматом калия или натрия, хлористым железом или алюминием. Углерод имеет два стабильных изотопа С(99,89%) и С(0,11%). Данные изотопного состава углерода показывают, что он бывает разного происхождения: биогенного, небиогенного и метеоритного. Многообразие соединений углерода, объясняющееся способностью его атомов соединяться друг с другом и атомами других элементов различными способами, обусловливает особое положение углерода среди других элементов.

1.1 Общая характеристика алмаза

При слове «алмаз» сразу же вспоминаются тайные истории, повествующие о поисках сокровищ. Когда-то люди, охотившиеся за алмазами, и не подозревали, что предметом их страсти является кристаллический углерод, который образует сажу, копоть и уголь. Впервые это доказал Лавуазье. Он поставил опыт по сжиганию алмаза, используя собранную специально для этой цели зажигательную машину. Оказалось, алмаз сгорает на воздухе при температуре около 850-1000*С, не оставляя твердого остатка, как и обычный уголь, а в струе чистого кислорода сгорает при температуре 720-800*С. При нагревании до 2000-3000*С без доступа кислорода он переходит в графит (это объясняется тем, что гомеополярные связи между атомами углерода в алмазе очень прочны, что обусловливает очень высокую температуру плавления.

Алмаз - бесцветное, прозрачное кристаллическое вещество, чрезвычайно сильно преломляющее лучи света.

Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии sp3-гибридизации. В возбужденном состоянии происходит распаривание валентных электронов в атомах углерода и образование четырёх неспаренных электронов.

Каждый атом углерода в алмазе окружен четырьмя другими, расположенными от него в направлении от центра в вершинах тетраэдра.

Расстояние между атомами в тетраэдрах равно 0,154 нм.

Прочность всех связей одинакова.

Весь кристалл представляет собой единый трехмерный каркас.

При 20*С плотность алмаза составляет 3,1515 гр/см. Этим объясняется его исключительная твердость, которая по граням различна и уменьшается в последовательности: октаэдр - ромбододекаэдр - куб. В то же время алмаз обладает совершенной спайностью (по октаэдру), а предел прочности на изгиб и сжатие у него ниже, чем у других материалов, поэтому алмаз хрупок, при резком ударе раскалывается и при дроблении сравнительно легко превращается в порошок. Алмаз обладает максимальной жесткостью. Сочетание этих двух свойств позволяет использовать его для абразивных и других инструментов, работающих при значительном удельном давлении.

Показатель преломления (2,42) и дисперсия (0,063) алмаза намного превышают аналогичные свойства других прозрачных минералов, что в сочетании с максимальной твердостью обусловливает его качество как драгоценного камня.

В алмазах обнаружены примеси азота, кислорода, натрия, магния, алюминия, кремния, железа, меди и других, обычно в тысячных долях процента.

Алмаз чрезвычайно стоек к кислотам и щелочам, не смачивается водой, но обладает способностью прилипать к некоторым жировым смесям.

Алмазы в природе встречаются как в виде хорошо выраженных отдельных кристаллов, так и поликристаллических агрегатов. Правильно образованные кристаллы имеют вид многогранников с плоскими гранями: октаэдр, ромбододекаэдр, куб и комбинации этих форм. Очень часто на гранях алмазов имеются многочисленные ступени роста и растворения; если они неразличимы глазом, грани кажутся искривленными, сферическими, в форме октаэдроида, гексаэдроида, кубоида и их комбинаций. Различная форма кристаллов обусловлена их внутренним строением, наличием и характером распределения дефектов, а также физико-химическим взаимодействием с окружающей кристалл средой.

Среди поликристаллических образований выделяются - баллас, карбонадо и борт.

Баллас - это сферолитовые образования с радиально-лучистым строением. Карбонадо - скрытокристаллические агрегаты с размером отдельных кристаллов 0,5-50 мкм. Борт - яснозернистые агрегаты. Балласы и особенно карбонадо имеют самую высокую твердость из всех видов алмазов.

Рис.1 Строение кристаллической решетки алмаза.

Рис.2 Строение кристаллической решетки алмаза.

1.2 Общая характеристика графита

Графит - серо-черное кристаллическое вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь, по твердости уступает даже бумаге.

Структура графита слоистая, внутри слоя атомы связаны смешанными ионно-ковалентными связями, а между слоями - существенно металлическими связями.

Атомы углерода в кристаллах графита находятся в sp2-гибридизации. Углы между направлениями связей равны 120*. В результате образуется сетка, состоящая из правильных шестиугольников.

При нагревании без доступа воздуха графит не претерпевает никакого изменения до 3700 *С. При указанной температуре он выгоняется, не плавясь.

Кристаллы графита - это, как правило, тонкие пластинки.

В связи с низкой твердостью и весьма совершенной спайностью графит легко оставляет след на бумаге, жирный на ощупь. Эти свойства графита обусловлены слабыми связями между атомными слоями. Прочностные характеристики этих связей характеризуют низкая удельная теплоемкость графита и его высокая температура плавления. Благодаря этому, графит обладает чрезвычайно высокой огнеупорностью. Кроме того, он хорошо проводит электричество и тепло, устойчив при воздействии многих кислот и других химических реагентов, легко смешивается с другими веществами, отличается малым коэффициентом трения, высокой смазывающей и кроющей способностью. Все это привело к уникальному сочетанию в одном минерале важных свойств. Поэтому графит широко используется в промышленности.

Содержание углерода в минеральном агрегате и структура графита являются главными признаками, определяющими качество. Графитом часто называют материал, который, как правило, не является не только монокристаллическим, но и мономинеральным. В основном имеют в виду агрегатные формы графитового вещества, графитовые и графитсодержащие породы и продукты обогащения. В них, кроме графита, всегда присутствуют примеси (силикаты, кварц, пирит и др.). Свойства таких графитовых материалов зависят не только от содержания графитового углерода, но и от величины, формы и взаимных отношений кристаллов графита т.е. от текстурно-структурных признаков используемого материала. Поэтому для оценки свойств графитовых материалов необходимо учитывать как особенности кристаллической структуры графита, так и текстурно-структурные особенности других их составляющих.

Рис.3. Строение кристаллической решетки графита.

Рис.4. Вкрапленники графита в кальците.

2. Промышленные типы месторождений алмаза и графита

Месторождения алмазов подразделяются на россыпные и коренные, среди которых выделяются типы и подтипы, различающиеся по условиям залегания, формам рудных тел, концентрациям, качеству и запасам алмазов, условиям добычи и обогащения.

Коренные месторождения алмазов кимберлитового типа во всем мире являются основными объектами эксплуатации. Из них добывается около 80% природных алмазов. По запасам алмазов и размерам они разделяются на уникальные, крупные, средние и мелкие. С наибольшей рентабельностью отрабатываются верхние горизонты выходящих на дневную поверхность уникальных и крупных месторождений. В них сосредоточены основные запасы и прогнозные ресурсы алмазов отдельных алмазоносных кимберлитовых полей. Кимберлиты – это «вулканические жерла», заполненные брекчией. Брекчия состоит из обломков и ксенолитов, окружающих и осевших сверху пород, из обломков пород, вынесенных с глубин 45-90 км и более. Цементом является вулканический материал, туфы щелочно-ультроосновного состава, так называемые кимберлиты и лампроиты. Кимберлитовые трубки располагаются на платформах, лампроитовые – в их складчатом обрамлении. Время образования трубок разное – от архея до кайнозоя, а возраст алмазов, даже самых молодых из них, составляет около 2-3 млрд. лет. Образование трубок связано с прорывом вверх по узким каналам под большим давлением, на глубине свыше 80 км, при температуре около 1000*щелочно-ультроосновных расплавов. Большинство хорошо изученных кимберлитовых тел имеет сложное строение; в наиболее упрощенном случае в строении трубки участвуют две основные разновидности пород, образовавшихся в ходе двух последовательных фаз внедрения: брекчия (1-й этап) и массивный «крупнопорфировый» кимберлит (2-й этап). В строении некоторых кимберлитовых трубок выявлены также кимберлитовые дайки и жилы, связанные с трубками. Обнаружены слепые тела, образованные порциями кимберлитовой магмы, не доходившими до дневной поверхности. Месторождения, связанные с дайками и жилами кимберлитов, как правило, относятся к категории мелких, реже средних по запасам алмазов Во многих случаях прорыв вверх достигал палео-поверхности, но многие трубки взрыва могут быть «слепыми» и до сих пор не вскрыты эрозией, т.е. залегают где-то на глубине. Но и на поверхности Земли есть места, где возникают давления вполне достаточные для образования алмаза. Это места удара метеоритов, где алмаз встречается не только в Земле, но и в ряде самих метеоритов.

Введение

1.1.Общая характеристика алмаза

1.2. Общая характеристика графита

2. Промышленные типы месторождений гранита и алмаза

3. Природные и технологические типы алмазосодержащих и графитовых руд

4. Разработка месторождений гранита и алмаза

5. Области применения гранита и алмаза

Заключение

Список используемой литературы.

Введение

Алмазная промышленность нашей страны находится в стадии развития, внедрения новых технологий обработки минералов.

Найденные месторождения алмазов вскрываются лишь процессами эрозии. Для разведчика это означает, что существует множество «слепых» месторождений, не выходящих на поверхность. Об их присутствии можно узнать по обнаруженным локальным магнитным аномалиям, верхняя кромка которых располагается на глубине в сотни, а если повезет – то в десятки метров. (А. Портнов).

Исходя из вышесказанного, я могу судить о перспективности развития алмазной промышленности. Именно поэтому я выбрала тему – «Алмаз и графит: свойства, происхождение и значение».

В своей работе я попыталась проанализировать связь между графитом и алмазом. Для этого сравнила эти вещества с нескольких точек зрения. Я рассмотрела общую характеристику данных минералов, промышленные типы их месторождений, природные и технические типы, разработку месторождений, области применения, значение данных минералов.

Несмотря на то, что графит и алмаз полярные по своим свойствам, они являются полиморфными модификациями одного и того же химического элемента - углерода. Полиморфные модификации, или полиморфы - это вещества, которые имеют одинаковый химический состав, но различную кристаллическую структуру. С началом синтеза искусственных алмазов резко возрос интерес к исследованию и поискам полиморфных модификаций углерода. В настоящее время, кроме алмаза и графита, достоверно установленными можно считать лонсдейлит и чаотит. Первый во всех случаях был найден только в тесном взаимопрорастании с алмазом и поэтому называется еще гексагональным алмазом, а второй встречается в виде пластинок, чередующихся с графитом, но расположенных перпендикулярно его плоскости.

1. Полиморфные модификации углерода: алмаз и графит

Единственный минералообразующий элемент алмаза и графита - это углерод. Углерод (С) - химический элемент IV группы периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева, атомный номер - 6, относительная атомная масса - 12,011(1). Углерод устойчив в кислотах и щелочах, окисляется только дихроматом калия или натрия, хлористым железом или алюминием. Углерод имеет два стабильных изотопа С(99,89%) и С(0,11%). Данные изотопного состава углерода показывают, что он бывает разного происхождения: биогенного, небиогенного и метеоритного. Многообразие соединений углерода, объясняющееся способностью его атомов соединяться друг с другом и атомами других элементов различными способами, обусловливает особое положение углерода среди других элементов.

1.1 Общая характеристика алмаза

При слове «алмаз» сразу же вспоминаются тайные истории, повествующие о поисках сокровищ. Когда-то люди, охотившиеся за алмазами, и не подозревали, что предметом их страсти является кристаллический углерод, который образует сажу, копоть и уголь. Впервые это доказал Лавуазье. Он поставил опыт по сжиганию алмаза, используя собранную специально для этой цели зажигательную машину. Оказалось, алмаз сгорает на воздухе при температуре около 850-1000*С, не оставляя твердого остатка, как и обычный уголь, а в струе чистого кислорода сгорает при температуре 720-800*С. При нагревании до 2000-3000*С без доступа кислорода он переходит в графит (это объясняется тем, что гомеополярные связи между атомами углерода в алмазе очень прочны, что обусловливает очень высокую температуру плавления.

Алмаз - бесцветное, прозрачное кристаллическое вещество, чрезвычайно сильно преломляющее лучи света.

Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии sp3-гибридизации. В возбужденном состоянии происходит распаривание валентных электронов в атомах углерода и образование четырёх неспаренных электронов.

Каждый атом углерода в алмазе окружен четырьмя другими, расположенными от него в направлении от центра в вершинах тетраэдра.

Расстояние между атомами в тетраэдрах равно 0,154 нм.

Прочность всех связей одинакова.

Весь кристалл представляет собой единый трехмерный каркас.

При 20*С плотность алмаза составляет 3,1515 гр/см. Этим объясняется его исключительная твердость, которая по граням различна и уменьшается в последовательности: октаэдр - ромбододекаэдр - куб. В то же время алмаз обладает совершенной спайностью (по октаэдру), а предел прочности на изгиб и сжатие у него ниже, чем у других материалов, поэтому алмаз хрупок, при резком ударе раскалывается и при дроблении сравнительно легко превращается в порошок. Алмаз обладает максимальной жесткостью. Сочетание этих двух свойств позволяет использовать его для абразивных и других инструментов, работающих при значительном удельном давлении.

Показатель преломления (2,42) и дисперсия (0,063) алмаза намного превышают аналогичные свойства других прозрачных минералов, что в сочетании с максимальной твердостью обусловливает его качество как драгоценного камня.

В алмазах обнаружены примеси азота, кислорода, натрия, магния, алюминия, кремния, железа, меди и других, обычно в тысячных долях процента.

Алмаз чрезвычайно стоек к кислотам и щелочам, не смачивается водой, но обладает способностью прилипать к некоторым жировым смесям.

Алмазы в природе встречаются как в виде хорошо выраженных отдельных кристаллов, так и поликристаллических агрегатов. Правильно образованные кристаллы имеют вид многогранников с плоскими гранями: октаэдр, ромбододекаэдр, куб и комбинации этих форм. Очень часто на гранях алмазов имеются многочисленные ступени роста и растворения; если они неразличимы глазом, грани кажутся искривленными, сферическими, в форме октаэдроида, гексаэдроида, кубоида и их комбинаций. Различная форма кристаллов обусловлена их внутренним строением, наличием и характером распределения дефектов, а также физико-химическим взаимодействием с окружающей кристалл средой.

Среди поликристаллических образований выделяются - баллас, карбонадо и борт.

Баллас - это сферолитовые образования с радиально-лучистым строением. Карбонадо - скрытокристаллические агрегаты с размером отдельных кристаллов 0,5-50 мкм. Борт - яснозернистые агрегаты. Балласы и особенно карбонадо имеют самую высокую твердость из всех видов алмазов.

Рис.1 Строение кристаллической решетки алмаза.

Рис.2 Строение кристаллической решетки алмаза.

1.2 Общая характеристика графита

Графит - серо-черное кристаллическое вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь, по твердости уступает даже бумаге.

Структура графита слоистая, внутри слоя атомы связаны смешанными ионно-ковалентными связями, а между слоями - существенно металлическими связями.

Атомы углерода в кристаллах графита находятся в sp2-гибридизации. Углы между направлениями связей равны 120*. В результате образуется сетка, состоящая из правильных шестиугольников.

При нагревании без доступа воздуха графит не претерпевает никакого изменения до 3700 *С. При указанной температуре он выгоняется, не плавясь.

Кристаллы графита - это, как правило, тонкие пластинки.

В связи с низкой твердостью и весьма совершенной спайностью графит легко оставляет след на бумаге, жирный на ощупь. Эти свойства графита обусловлены слабыми связями между атомными слоями. Прочностные характеристики этих связей характеризуют низкая удельная теплоемкость графита и его высокая температура плавления. Благодаря этому, графит обладает чрезвычайно высокой огнеупорностью. Кроме того, он хорошо проводит электричество и тепло, устойчив при воздействии многих кислот и других химических реагентов, легко смешивается с другими веществами, отличается малым коэффициентом трения, высокой смазывающей и кроющей способностью. Все это привело к уникальному сочетанию в одном минерале важных свойств. Поэтому графит широко используется в промышленности.

Содержание углерода в минеральном агрегате и структура графита являются главными признаками, определяющими качество. Графитом часто называют материал, который, как правило, не является не только монокристаллическим, но и мономинеральным. В основном имеют в виду агрегатные формы графитового вещества, графитовые и графитсодержащие породы и продукты обогащения. В них, кроме графита, всегда присутствуют примеси (силикаты, кварц, пирит и др.). Свойства таких графитовых материалов зависят не только от содержания графитового углерода, но и от величины, формы и взаимных отношений кристаллов графита т.е. от текстурно-структурных признаков используемого материала. Поэтому для оценки свойств графитовых материалов необходимо учитывать как особенности кристаллической структуры графита, так и текстурно-структурные особенности других их составляющих.

Рис.3. Строение кристаллической решетки графита.

Рис.4. Вкрапленники графита в кальците.

2. Промышленные типы месторождений алмаза и графита

Месторождения алмазов подразделяются на россыпные и коренные, среди которых выделяются типы и подтипы, различающиеся по условиям залегания, формам рудных тел, концентрациям, качеству и запасам алмазов, условиям добычи и обогащения.

Коренные месторождения алмазов кимберлитового типа во всем мире являются основными объектами эксплуатации. Из них добывается около 80% природных алмазов. По запасам алмазов и размерам они разделяются на уникальные, крупные, средние и мелкие. С наибольшей рентабельностью отрабатываются верхние горизонты выходящих на дневную поверхность уникальных и крупных месторождений. В них сосредоточены основные запасы и прогнозные ресурсы алмазов отдельных алмазоносных кимберлитовых полей. Кимберлиты – это «вулканические жерла», заполненные брекчией. Брекчия состоит из обломков и ксенолитов, окружающих и осевших сверху пород, из обломков пород, вынесенных с глубин 45-90 км и более. Цементом является вулканический материал, туфы щелочно-ультроосновного состава, так называемые кимберлиты и лампроиты. Кимберлитовые трубки располагаются на платформах, лампроитовые – в их складчатом обрамлении. Время образования трубок разное – от архея до кайнозоя, а возраст алмазов, даже самых молодых из них, составляет около 2-3 млрд. лет. Образование трубок связано с прорывом вверх по узким каналам под большим давлением, на глубине свыше 80 км, при температуре около 1000*щелочно-ультроосновных расплавов. Большинство хорошо изученных кимберлитовых тел имеет сложное строение; в наиболее упрощенном случае в строении трубки участвуют две основные разновидности пород, образовавшихся в ходе двух последовательных фаз внедрения: брекчия (1-й этап) и массивный «крупнопорфировый» кимберлит (2-й этап). В строении некоторых кимберлитовых трубок выявлены также кимберлитовые дайки и жилы, связанные с трубками. Обнаружены слепые тела, образованные порциями кимберлитовой магмы, не доходившими до дневной поверхности. Месторождения, связанные с дайками и жилами кимберлитов, как правило, относятся к категории мелких, реже средних по запасам алмазов Во многих случаях прорыв вверх достигал палео-поверхности, но многие трубки взрыва могут быть «слепыми» и до сих пор не вскрыты эрозией, т.е. залегают где-то на глубине. Но и на поверхности Земли есть места, где возникают давления вполне достаточные для образования алмаза. Это места удара метеоритов, где алмаз встречается не только в Земле, но и в ряде самих метеоритов.

Скорость движения прорывающейся магмы, вероятно, могла быть очень большой, около 800 км/ч, магма отрывала и выносила вверх обломки разного состава. Если в них содержались алмазы, трубка становилась алмазоносной. Сами же алмазы являются наиболее стабильной полиморфной модификацией углерода в глубинных зонах Земли. (А.В. Уханов.)

Рис. 5. Строение кимберлитовой трубки.

Лампроитовый тип месторождений алмазов открыт сравнительно недавно (1976 г.) в Западной Австралии, где эксплуатируется крупное месторождение Аргайл. По своему строению лампроитовые месторождения в целом аналогичны кимберлитовым. Судя по данным разведки месторождения Аргайл, трубки лампроитов несколько быстрее выклиниваются на глубину, где они переходят в дайки. Система отработки этих месторождений и технология обогащения такие же, как и на кимберлитовых объектах.

Кимберлит-лампроитовый типпредставлен месторождением алмазов в Архангельской области, где содержание минералов-индикаторов существенно ниже, чем в «классических» кимберлитах, подавляющее большинство алмазов представлено кривогранными формами.

Кольцевые импактные структуры размером от первых до сотни км связаны со сверхмощными взрывными процессам, источник которых имел, по мнению разных исследователей, либо внеземной (падение крупных небесных тел), либо эндогенный характер. В России разведано одно месторождение этого типа - Попигайское на восточном склоне Анабарского кристаллического массива. По запасам руды и содержанием алмазов месторождение превышает в сотни раз самые крупные в кимберлитах. Однако алмазы в импактных месторождениях заключены в крепкие плотные эффузивного облика породы и представлены исключительно техническими сортами с примесью лонсдейлита (полиморфная модификация углерода, встречается в виде пластинок, чередующихся с графитом, но расположенных перпендикулярно его плоскости).

Метаморфогенный тип также представлен пока одним месторождением на территории Казахстана, где алмазы установлены в биотитовых гнейсах, биотит-кварцевых, гранат-пироксеновых и пироксен-карбонатных породах. По запасам и содержанию алмазов оно в десятки раз превышает самые крупные высокоалмазоносные кимберлитовые трубки. Алмазы имеют крайне мелкий размер кристаллов, а ювелирных и высококачественных технических сортов пока не обнаружено.

Россыпные месторождения алмаза представлены пятью основными типами.

Аллювиальные россыпи (речных долин) являются ведущими по масштабу добычи алмазов из россыпей. Крупные месторождения редки и образуются обычно за счет размыва нескольких коренных источников или промежуточных коллекторов площадного типа. Аллювиальные россыпи имеют двухчленное строение: верхняя пойменная фация аллювия представлена весьма слабоалмазоносными гравийно-песчано-глинистыми и илистыми отложениями («торф»), нижняя русловая фация сложена продуктивными грубообломочными галечниками («пески»).

Россыпи делювиально-пролювиального типа формируются на склонах и в логах возле коренных источников и относятся к мелким и средним по масштабу.

Прибрежно-морские россыпи подразделяются на подводные, пляжевые и береговые террасы. Зона таких россыпей в юго-западной Африке простираются на многие сотни км при ширине от 5 до 20 км.

Россыпи остальных промышленных типов существенной роли в добыче алмазов не играют.

Россыпные месторождения различных типов по глубине залегания подразделяются на мелкозалегающие и глубокозалегающие. По степени удаленности от коренного источника выделяются россыпи ближнего и дальнего сноса; первые формируются вблизи от коренного источника, вторые - на удалении десятков км в благоприятных геолого-структурных условиях.

Промышленные типы месторождений графита.

Графит образовался из органических соединений в результате метаморфизации осадочных пород.

Среди месторождений графита выделяются по геологической обстановке их нахождения четыре группы промышленных типов месторождений.

По величине запасов месторождения графита подразделяют (млн. т) на: крупные - больше 1, средние - 0,5-1, мелкие - до 0,5.

Наиболее широко распространенными и более крупными по своим запасам являются месторождения тайгинского, мадагаскарского, ногинского, мексиканского типов.

Графитовые месторождения цейлонского, ботогольского типов менее распространены, реже имеют крупные запасы, но отличаются высоким содержанием графита в руде и более ценными качествами.

3. Природные и технологические типы алмазосодержащих руд

Природные типы руд – алмазоносные кимберлиты и алмазоносные лампроиты, которые подразделяют исходя из соотношений собственно кимберлита и ксеногенного материала и струкрурно-текстурных особенностей, на алмазоносные массивные кимберлиты, кимберлитовые брекчии, туфобрекчии, ксенотуфобрекчии, туфы и туфогенно-осадочные породы.

Единая технологическая классификация алмазосодержащих руд отсутствует. При технико-экономической типизации руд выделяют два основных технологических типа: брекчии с содержанием глинистой составляющей менее 20% и брекчии с содержанием глинистой составляющей более 20%. При обработке этих руд отличаются как технологические схемы, так и себестоимость отработки.

В целом, как показывает практика, технологическая классификация руд разрабатывается в каждом конкретном случае самостоятельно в ходе разведки и последующей эксплуатации месторождения. Нередко, когда кимберлитовое тело сложено породами разных фаз внедрения, четко отличающимися структурно-текстурными признаками и уровнем алмазоносности, природные типы руд практически совпадают с технологическими. Главный фактор – содержание алмазов. Так, в трубке Дальняя (Саха-Якутия) два выделяемых здесь природных типа – кимберлитовые брекчии и массивные кимберлиты – различаются по уровню алмазоносности на порядок и являются одновременно технологическими типами. Однако, например, в ходе эксплуатации трубки «Мир», выделено шесть технологических типов руд, отличающихся нюансами структуры и алмазоносности, тогда как фаз внедрения было только две.

Технологические типы алмазоносных песков выделяют, исходя из их валунистости, глинистости, промывитости и т.д.

Природные и технологические типы графитовых руд.

Типизация графитовых руд проводится по текстурно-структурным признакам. Графиты делятся на явно – и скрытокристаллические. Среди явнокристаллических выделяют плотнокристаллические и чешуйчатые разновидности. Плотнокристаллические графиты подразделяют на крупнокристаллические со средним размером кристаллов более 50 мкм и мелкокристаллические.

По величине чешуек, их диаметру, чешуйчатые графиты длятся на крупночешуйчатые (100-500 мкм) и мелкочешуйчатые (1-100 мкм).

Скрытокристаллические графиты сложены кристаллами, имеющими величину менее 1 мкм. Выделяют плотные и тонкодисперсные или распыленные разности. В последних кристаллики графита рассеяны во вмещающей породе. В плотных разностях кристаллики графита составляют основную массу графитовой породы. Промышленное значение имеют только плотные разности скрытокристаллического графита.

Кристаллический кусковой – 92-95;

Кристаллический крупночешуйчатый – 85-90;

Кристаллический среднечешуйчатый – 85-90;

Кристаллический мелкочешуйчатый – 80-90;

Кристаллические порошки с размером до 0,074 мм и содержанием графитного углерода 80-99.

Разведка графитовых месторождений других промышленных типов, имеющих залежи неправильной формы или линзовидные и штокообразные, также проводится скважинами колонкового бурения в сочетании с горными выработками.

При оценке и разведке графитовых месторождений с применением бурения устанавливают отсутствие избирательного истирания керна, которое возможно при неравномерном распределении концентраций графита, в виде обогащенных участков, представленных сетью прожилков, линз, гнезд и т.п. С этой целью следует контролировать содержание графита в промывочных буровых растворах и шламе. При необходимости проходят контрольные выработки с валовым опробованием.

4. Разработка месторождений алмазов

Коренные месторождения алмазов, разработанные открытым способом, либо комбинированным:

Верхние горизонты – открытым, а более глубокие – подземным. В России алмазы добывают только открытым способом.

Открытый способ разработки трубок примерно одинаков на всех месторождениях. Рассмотрим его на примере трубки Фиши (ЮАР).

Трубка имеет овальную форму горизонтального сечения и почти вертикальные контакты с вмещающими породами. Зона выветривания кимберлитов распространяется на глубину 60 м. В составе кимберлитов значительный объем занимает вторичная фаза - сапонит, разбухающий минерал, впитывающий большое количество воды. По этой причине руда трубки гигроскопична и при увлажнении быстро теряет прочностные свойства, поэтому применяют специальные методы изоляции поверхности кимберлита от воды, а при бурении скважин используют сухое пылеулавливание.

Разработка трубки открытым способом началась в 1966 г., а к 1990 г. глубина карьера достигла 423 м при среднем годовом понижении 18-20 м. Было добыто свыше 97 млн т кимберлита (около 5 млн т в год) и удалено в отвалы 55 млн т пустой породы. Площадь карьера на поверхности 550 тыс.м2. Такой способ отработки обеспечил устойчивую работу рудника и хорошие технико-экономические показатели: низкий коэффициент вскрыши, планомерный переход на подземный способ. Во вмещающих породах пройден наклонный ствол протяженностью 1300 м под углом 12° от поверхности до выхода в карьер на глубине 280 м. В нем разместились конвейер для транспортировки руды на обогатительную фабрику и подземный дробильный комплекс, что позволило резко сократить количество работающих самосвалов.

При подземном способе используют несколько систем подземной отработки алмазоносных трубок.

Камерная система предусматривает проходку 8-метровых камер высотой 12м, разделенных между собой временными 8-метровыми целиками, на каждом рабочем горизонте вдоль короткой оси трубки. Кимберлит, вынимаемый из камер и из целиков вышележащего горизонта, под действием веса обрушенных пород попадает на подошву откаточной выработки, где грузится в вагонетки и откатывается к расположенному во вмещающих породах рудоспуску, по которому кимберлит подают на главный откаточный горизонт.

Метод щелевой разработки использован на трубке Премьер (ЮАР). По мере разработки трубки на каждом рабочем горизонте параллельно щели проходили главные штреки с интервалом, равным половине расстояния от щели до границ рудного тела. На глубине 270 м руду выпускали из рудоспусков в вагонетки и транспортировали по откаточным штрекам, Далее руду подавали в дробилку, измельчали и транспортировали на поверхность. Наиболее прогрессивный метод разработки – этажное самообрушение; он обеспечивает высокую производительность (до 5 млн т кимберлита в год) при низкой себестоимости и относительно малом применении ручного труда. При этой системе разрушение кимберлита происходит под действием силы тяжести, число рабочих горизонтов и погрузочных пунктов резко сокращается. Сущность системы состоит в том, что из откаточного штрека, ориентированного поперек трубки, проходят скреперные штреки на расстоянии 14 м друг от друга, в которых с интервалами 3-5 м на обеих сторонах в шахматном порядке располагаются квадратные ниши размером 1-2 м. Из ниш проходят восстающие в форме воронки, поднимающейся до высоты 7,6 м над уровнем подошвы. Кимберлитовые блоки затем полностью подрезаются, и слои мощностью 18 м вырабатываются так, что кимберлит разламывается и обрушается в конусные восстающие. В результате на всей площади трубки образуется компенсационная щель высотой 2,2 м. После этого над компенсационным пространством остается не имеющий опоры массив кимберлита, который под действием собственного веса постепенно обрушивается на выпускные воронки. По мере обрушения кимберлита производится его частичный выпуск с целью восстановления компенсационного пространства, поэтому уровень обрушаемого кимберлита постоянно поднимается до тех пор, пока не достигнет пород вышележащего горизонта. После этого выпуск руды продолжается с определенной скоростью, пока в скреперах не появится пустая порода. Отработка данного горизонта на этом заканчивается, после чего приступают к отработке нижележащего.

Россыпные месторождения с глубиной залегания до 40-45 м обрабатываются открытым способом. В Республике Саха (Якутия) добычу ведут в летний период бульдозерно-гидравлическим способом. Пески, поданные бульдозерами, промывают на решётке гидровашгерда с размером ячейки 30-50 мм. Надрешетный материал струей воды удаляется, а подрешётная пульпа землесосами по трубам подается на расстояние 20,-2,5 км на сезонную стационарную обогатительную фабрику. Из долины протяженных россыпей алмазы добывают дражным способом. Драги двигают снизу вверх по долине реки поперечными или продольными ходами. После исчерпания основных запасов драги повторно продвигают уже сверху вниз со смещением ходов по отношению к первичным. Иногда ходы направлены вкрест первичных.

Рис.6. Кимберлитовая трубка во время разработки.

Разработка месторождений графитовых руд.

Разработка графитовых руд ведется открытым и подземным способами. Среди трех эксплуатируемых месторождений графита в России два (Ногинское, Ботогольское) разрабатываются подземным способом и одно (Тайгинское) – открытым.

Размеры карьера при открытой разработке на Тайгинском месторождении кристаллического графита имеют длину около 3 км, ширину 200-250 м и глубину более 50 м. Потери при добыче составляют около 1%, разубоживание незначительное.

В США открытая добыча графитовой руды ведется с применением буровзрывных работ с последующей транспортировкой руды автотранспортом на обогатительные фабрики.

Оригинальная система разработки графитовых месторождений применена в республике Мадагаскар. Открытым способом обрабатываются преимущественно верхние, выветрелые графитовые руды до глубины 30-40 м. Работы ведутся террасами со спуском руды на нижние горизонты, откуда руда поступает на обогатительную фабрику.

Ногинское графитовое месторождение, разрабатываемое подземным способом (штольней и шахтой), характеризуется разубоживанием 2,8 %, влажностью руды 4,5%, потерями 17,8%.

Ботогольское месторождение высококачественного плотнокристаллического графита разрабатывается штольневым способом. Добыча ведется горизонтальными слоями снизу вверх, с закладкой очистного пространства. Потери при добыче составляют около 8%.

5. Области применения алмазов

Основные области применения природных алмазов.

Ювелирные алмазы. Главная область применения алмазов в стоимостном выражении – огранка в бриллианты.

Технические алмазы. К техническим относятся темноцветные кристаллы, имеющие трещины и другие дефекты, а также различные осколки, двойники, сростки и т.д., из которых невозможно изготовить ограненный кристалл. В зависимости от качества и назначения технические алмазы можно условно разделить на следующие группы:

Алмазы, подвергающиеся обработке с целью получения зерен определенной геометрической формы. К ним относятся алмазы, предназначенные для изготовления резцов, сверл, наконечников, стеклорезов, подшипников и др.;

Кристаллы алмазов, используемые в необработанном виде в буровых коронках, алмазно-металлических карандашах и др.;

Абразивные алмазы – в основном мелкие кристаллы, имеющие значительные дефекты и пригодные только для измельчения в порошок.

Алмазные порошки незаменимы при обработке сверхминиатюрных деталей, таких как часовые камни из рубина, подшипники из топаза, берилла и сапфира, твердость которых приближается к твердости корунда. Только применение алмазных порошков обеспечивает высокую чистоту обрабатываемых микроповерхностей, от чего зависит точность работы микродеталей в аппаратах и приборах.

Инструменты из алмазных порошков. Для резания твердых пород, сплавов и других твердых материалов промышленностью выпускаются алмазные диски и различные алмазные пилы. Распространены абразивные алмазные инструменты в оправке, которые широко применяются в металлообрабатывающей промышленности для правки шлифовальных кругов. Используются также алмазно-металлические карандаши, представляющие собой прессованные вставки из алмазного порошка твердого сплава.

Инструменты из монокристаллов алмаза. Резцы, иглы, стеклорезы, фильеры (пластинчатые алмазы с просверленными в них тончайшими отверстиями) и другой инструмент изготавливаются из отдельных кристаллов алмаза или их частей. Алмазные иглы – это кристаллы алмазов с естественной острой вершиной или осколки с острым ребром, закрепленные в металлических стержнях. Алмазные иглы широко применяются для изготовления метчиков на резьбошлифовальных станках. Алмазные иглы конической формы со сферической головкой используют в профилометрах и профилографах, которые служат для измерения мельчайших неровностей и чистоты поверхности различных деталей. Широко применяются алмазы для изготовления фильер при производстве проволоки из твердых материалов, особенно малых диаметров для нужд электроники.

Алмазный породоразрушающий инструмент. Применение алмазов для армирования буровых коронок позволило повысить производительность буровых установок в 1,5-2 раза по сравнению с неалмазным бурением.

Другие области применения алмазов. Алмаз – прекрасный оптический материал для всевозможного рода кювет и окошек, способный выдерживать высокие давления и натиск веществ любой степени агрессивности и быть одновременно прозрачным в широком диапазоне длин волн.

Алмазная подложка полупроводниковых схем, обеспечивая их прекрасную изоляцию, отводит тепло в несколько раз быстрее, чем, например, медь, существенно повышая эффективность работы ответственных узлов электронных схем. Возможность с помощью алмазов считать ядерные частицы в условиях агрессивных сред и высоких механических нагрузок, алмаз используется в специальных счетчиках.

Структура потребления технических алмазов высокоразвитыми странами следующая, (%):

Шлифование, заточка инструментов и деталей машин из твердых сплавов – 60-70;

Оправка шлифовальных кругов – 10-12;

Бурение скважин – 10;

Волочение проволоки – 10;

Резка и шлифование деталей и изделий из стекла, керамики, мрамора, сверление и доводка твердосплавных деталей, обработка часовых и ювелирных изделий – 10-12.

Области применения графита.

Руды почти всех графитовых месторождений редко могут быть в сыром виде использованы потребителями. Практически все они подвергаются той или иной предварительной обработке с целью превращения руды в готовую продукцию.

Технологическая классификация графитовых руд совпадает с классификацией природных типов.

Явнокристаллические руды перерабатываются преимущественно по флотационным схемам благодаря хорошей флотируемости графита.

Скрытокристаллическое графитовое сырьё представлено тонкодисперсными минералами в весьма сложном прорастании с пустыми породами. Поэтому такие типы графитовых руд почти не поддаются механическому обогащению. К ним применяются главным образом рудоразработка и в особых случаях, методы химического, термического или других способов обработки. В связи с тем, что эти процессы являются дорогими, он используются редко.

Основными показателями, по которым оценивается графитовая продукция, являются: текстурно-структурные, содержание углерода, золы, влаги, летучих компонентов, вредных примесей (железо, сера, медь, и др.), гранулометрический состав.

В литейном производстве предпочтение отдаётся скрытокристаллическому графиту, поскольку для этого производства важна дисперсность порошка, обеспечивающая гладкую поверхность литейных форм и облегчающая удаление из них отливок после охлаждения.

Высококачественные явнокристаллические графиты широко используются при специальном литье стали.

Тигельный графит представлен тремя марками. Зональность их не превышает соответственно 7; 8,5 и 10%, массовая доля железа в пересчете на Fe2O3 для всех марок не более 1,6%, летучих веществ – менее 1,5%; влаги – не более 1%.

Для производства графито-керамических плавильных тиглей и огнеупоров используется высококачественный явнокристаллический графит.

В соответствии с требованиями к смазочному графиту продукция выпускается в виде нескольких марок, каждая из которых имеет своё направление применения и характеризуется рядом показателей. Общими для всех марок являются лишь показатели величины концентрации водородных ионов водной вытяжки и влажности.

Производство карандашей, как и электроугольное, предъявляет наиболее высокие требования к качеству графита. В мировой практике для лучших сортов карандашей употребляется смесь цейлонского и другого кристаллического или скрытокристаллического графита, который чаще всего применяется для производства обыкновенных сортов карандашей.

В производстве активных масс щелочных аккумуляторов применяется явнокристаллический крупночешуйчатый графит («серебристый»), получаемый путём флотации руд Тайгинского и Завальевского месторождений.

В электроугольной промышленности применяют графит трех типов – природный мелко- и скрытокристаллический и искусственный. Искусственный графит получил широкое распространение вследствие его высокой чистоты и постоянства состава.

В производстве смазок в качестве твердых веществ широко используется природный кристаллический графит и вместе с ним графит искусственный. Для этого производства требуется графит обычно высокой чистоты и очень тонкого помола, иногда коллоидной размерности. Смазки чаще всего представляют собой водные или масляные суспензии из естественного кристаллического и искусственного графита.

Ряд марок графита не допускает засоряющих примесей, в том числе и графита других месторождений. К этим маркам относятся тигельный, элементный и электроугольный графит.

Заключение

Исследовав две полиморфные модификации углерода: алмаз и графит, я пришла к тому, что несмотря на одинаковый химический состав, полиморфы имеют разное строение кристаллической решетки, а следовательно и разные свойства и происхождение.

Алмаз - бесцветное, прозрачное кристаллическое вещество с исключительной твердостью – 10 и алмазным блеском. Графит - серо-черное кристаллическое вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь, по твердости уступает даже бумаге - 1.

Алмазы в природе встречаются в виде хорошо выраженных отдельных кристаллов. Кристаллы графита - это, как правило, тонкие пластинки.

Происхождение алмазов магматическое, графита – метаморфическое.

Алмазы используются практически во всех отраслях промышленности: электротехническая, радиоэлектронная, приборостроительная, при буровых работах.

Графит же используют для производства графито-керамических плавильных тиглей и огнеупоров, в качестве смазок, производство карандашей, электроугольная промышленность.

В бесчисленных учебниках приведены диаграммы равновесия алмаз-графит и написано, что алмаз возникает из графита. Но почему-то никто не задался вопросом: откуда же в мантии графит?.. Ведь он там нестабилен, и его называют "запрещенным" минералом для условий мантии. Иное дело карбиды. Они здесь устойчивы: карбиды железа, фосфора, кремния, азота, водорода. Карбид водорода - это газ, обычный метан, он подвижен и легко концентрируется в глубинном флюиде.

В свое время геологи не придали значения замечательному открытию советского физика Б. Дерягина, который еще в 1969 году синтезировал алмаз из метана и, что очень важно, при давлении даже ниже атмосферного. Это открытие уже тогда должно было бы в корне изменить существовавшие представления об алмазе как о минерале, кристаллизующемся обязательно из расплавов и при высоких давлениях. Данные Б. Дерягина позволили мне рассмотреть возможность кристаллизации алмаза из флюида, газовой смеси в системе С-Н-О.

Оказывается, что в таком флюиде кислород при сверхвысоком давлении мантии теряет свои окислительные свойства и не окисляет даже водород. Но при подъеме газа вверх, при образовании кимберлитовой трубки, давление падает. Достаточно уменьшить давление в 10 раз - от 50 до 5 килобар, чтобы активность кислорода возросла в миллион раз. И тогда он мгновенно соединяется с водородом и метаном. Проще говоря, газ самовоспламеняется - в подземной трубе вспыхивает яростный огонь.

Последствия такого подземного "пожара" зависят от соотношения углерода, водорода и кислорода во флюиде. Если кислорода не слишком много, он вырвет из молекулы метана (СН4) лишь водород. Возникшие при этом пары воды будут поглощены минеральной пылью и образуют серпентинит -характернейший минерал кимберлитов. Углерод, оставшись "одиноким", при давлении в тысячи атмосфер и температуре около 1000 °С замкнется ненасыщенными валентными связями "сам на себя" и образует гигантскую молекулу чистого углерода - алмаз! На практике такая благоприятная комбинация компонентов в газовой смеси встречается редко: лишь пять процентов кимберлитовых трубок бывают алмазоносными.

Чаще случается так, что кислорода или слишком много для образования алмаза, или недостаточно. В первом случае углерод сгорит и превратится в газы - оксиды: СО или СО2. Тогда возникают безрудные кимберлиты. Они отличаются повышенной магнитностью, потому что в них появился оксид железа -магнетит. Кислорода было много, и он "вырвал" железо из состава силикатов. При дефиците кислорода или метана возникнут лишь пары воды, и они будут поглощены серпентинитом. Выходит, что алмаз возникает как продукт самопроизвольного подземного горения углеродистого флюида. Алмазы - аналоги золы или сажи, осевшей в "дымоходах" мантии! (А. Портнов – доктор геолого-минералогических наук, профессор).

Список используемой литературы

1. Углерод и его соединения – Киев, «Наукова Думка» 1978.

2. Булах А.Г. Общая минералогия. 1999.

3. Сарасовский. Образовательный журнал. Том 6, 2000.№ 5.

4. Дядин Ю.А. Графит и его соединения включения.

5. А. Портнов. «Алмаз – сажа из преисподней».

6. ЗАО «Геоинформмарн». Москва 1997. Минеральное сырьё. Графит. Алмаз.

7. Издательство«Советская энциклопедия». Москва. 1972.

Алмаз известен людям с незапамятных времен. Старинные легенды позволяют предполагать, что первые находки алмазов в Индии относятся к третьему тысячелетию до нашей эры. Не менее чем за пять веков до начала современного летосчисления с алмазом познакомились древние греки, поскольку к этому времени относится греческая бронзовая статуэтка, глазами которой служат два неотшлифованных алмаза. Высказываются предположения, что в Грецию алмазы были завезены из Индии. В Европу заметное количество индийских алмазов начало поступать только в XIII в. Долгое время исключительно высокая твердость камня являлась непреодолимым препятствием для европейских ювелиров, и все попытки обработать этот минерал терпели неудачу. Лишь в середине XV в. голландцу Ван-Беркену удалось огранить алмазы, шлифуя их друг о друга. Долго оставался неизвестным и химический состав таинственного камня, не поддававшегося воздействию самых сильных кислот и щелочей. Некоторые ученые даже думали, что алмаз состоит из особого химического элемента - алмазной земли. В середине XVII в. во Флоренции ставились опыты по нагреванию в закрытых сосудах алмазов и рубинов. При этом было установлено, что рубины не претерпевали никаких изменений, а от алмазов не оставалось "ни малейшего следа". Это казалось совершенно необъяснимым, и лишь много позднее выяснилось, что кристаллы алмаза, нагреваемые в окружении кислорода, попросту сгорают.

Показательное сжигание алмаза в конце XVIII в. было проведено в Петербургском горном училище (ныне Ленинградский горный институт). Этот опыт, по-видимому, имел целью доказать невозможность искусственного получения крупных алмазов путем сплавления мелких кристаллов. К этому же времени относятся многочисленные опыты по сжиганию алмазов, проводившиеся в различных странах Западной Европы.

Большое внимание этим опытам уделял и знаменитый французский химик А. Лавуазье, поскольку "бесследное" исчезновение алмаза при нагревании противоречило закону сохранения материи. Он смог определенно сказать лишь то, что алмаз принадлежит к классу горючих тел и что продуктом сгорания его является газообразное вещество. Отметив возможное родство алмаза с углеродом, ученый все же не решился отождествить сверкающий камень с углем и не сделал окончательного вывода о составе алмаза. Он писал, что, может быть, никогда нельзя будет определить состав этого минерала.

Однако уже на рубеже XVIII и XIX вв. химическая природа алмаза была точно установлена. Английский химик П. Теннан в 1797 г. сжег алмаз в плотно закрытом золотом сосуде, заполненном кислородом, и установил, что образовавшийся при этом газ является двуокисью углерода. Поскольку первоначально в сосуде кроме алмаза и кислорода ничего не было, то, следовательно, алмаз в химическом отношении является чистым углеродом. Чтобы окончательно убедиться в правильности сделанного вывода, П. Теннан определил количество углерода в заполняющем сосуд углекислом газе. Оказалось, что оно в точности соответствует массе сгоревшего алмаза.

Таким образом, алмаз состоит из одного химического элемента - углерода. Аналогичный химический состав (не считая случайных и механических примесей) имеют графит, древесный и каменный уголь, сажа, т. е. весьма распространенные и далеко не самые привлекательные по внешнему виду вещества. А если это так, то в чем же причина совершенно различного облика столь разных физических и химических свойств этих веществ?

Исключительную по своей прозорливости мысль высказал М. В. Ломоносов: причиной необычайной твердости алмаза является "сложение его из частиц, тесно соединенных". Предвидение гениального ученого подтвердилось почти через два столетия, в начале XX в., когда с помощью рентгеновских лучей удалось расшифровать атомную структуру алмаза и графита. Были установлены существенные различия в пространственном расположении слагающих эти вещества элементарных частиц - атомов.

В алмазе атомы углерода размещаются очень плотно, причем каждый из них прочно связан с четырьмя окружающими его атомами (рис. 13).

Совершенно иной вид имеет кристаллическая решетка графита. Структура ее образована параллельными слоями сеток, состоящих из шестиугольников с атомами углерода в вершинах. Слои отстоят на 3,39 Å (Å - сокращенное обозначение единицы длины, равной 10 -8 см, которая называется "ангстрем" ) один от другого и последовательно сдвинуты, так что в проекции совмещается только половина атомов углерода, а остальная часть их проецируется в центре ячеек сетки нижних и верхних слоев (рис. 14). Связь между слоями атомов в графите осуществляется посредством легкоподвижных электронов. Такая связь придает веществу металлические свойства: непрозрачность, блеск, высокую электропроводность. Атомы в каждом отдельно взятом слое связаны достаточно прочно, а связь между слоями слабая. Этим обусловливается весьма высокая способность расщепляться на тонкие пластинки и чрезвычайно малая твердость графита по направлению, параллельному слоистости кристаллической решетки минерала.

Образование одинаковых по химическому составу веществ, различающихся кристаллической структурой решетки, называется полиморфизмом, а сами такие вещества называются полиморфными модификациями. Следовательно, алмаз и графит являются полиморфными модификациями углерода.

Рассмотрим важнейшие свойства алмаза и проследим их связь с внутренним строением минерала.

Хотя алмаз в чистом виде состоит только из атомов углерода, реальные природные кристаллы этого минерала постоянно содержат примеси других веществ. Минимальные количества примесей характерны для бесцветных и слабоокрашенных прозрачных алмазов. При сжигании таких камней количество золы не превышает 0,02-0,05% от их массы. В замутненных и особенно в непрозрачных разновидностях алмаза содержание золы достигает нескольких процентов.

Спектральным анализом в составе золы установлены кремний, магний, кальций, алюминий, железо, титан и некоторые другие химические элементы.

Наряду с мельчайшими включениями в алмазах нередко присутствуют и сравнительно крупные посторонние частицы: чаще всего графит, несколько реже минералы, являющиеся по химическому составу силикатами (оливин, пироксены), алюмосиликатами (гранаты) и сложными окислами (хромшпинелиды). В крупных кристаллах алмаза довольно обычны также включения его мелких кристалликов.

Плотность алмаза около 3,52. Эта величина типична для чистых хорошо образованных кристаллов. У мелкозернистых агрегатов, часто содержащих включения графита и обладающих не вполне массивным сложением, плотность существенно ниже и у отдельных разновидностей карбонадо опускается до 3,0. Для сравнения укажем, что плотность графита не превышает 2,23. Таким образом, "рыхлость" атомной структуры графита привела к более чем полуторакратному снижению плотности.

Цвет и особенности светопреломления алмаза рассмотрены в предыдущей главе, а здесь мы остановимся еще на одном весьма интересном и важном его свойстве, которое также тесно связано с внутренним строением. Речь пойдет о люминесценции. Люминесценцией называется способность некоторых природных и синтетических веществ светиться под действием рентгеновских, ультрафиолетовых и катодных лучей, что принято обозначать специальными терминами: рентгенолюминесценция, фотолюминесценция, катодолюминесценция.

Большинство алмазов обладает всеми тремя видами люминесценции. Некоторые кристаллы при этом светятся голубым, другие зеленым, желтым или розовым светом. Темноокрашенные (бурые, черные и т. п.) и ожелезненные кристаллы, а также некоторые прозрачные их разновидности не люминесцируют.

Наиболее изучены рентгено- и фотолюминесценция алмаза, которые используются при проведении геологопоисковых работ, о чем подробнее рассказывается в заключительных главах. Некоторые исследователи связывают люминесценцию с присутствием посторонних примесей, другие указывают на причинную связь этого явления со специфическими особенностями кристаллической решетки минерала.

Чистые кристаллы прозрачны не только для световых, но и для рентгеновских лучей, что позволяет легко определять алмазы среди сходных по внешнему облику минералов, а также отличать бриллианты от всевозможных подделок. А вот ультрафиолетовые лучи многие алмазы совершенно не пропускают.

Твердость является, как уже отмечалось, весьма важным свойством алмаза, определяющим его исключительно большую роль в производственной деятельности человека. Под твердостью обычно подразумевается сопротивление одного тела проникновению в него другого. Для качественного определения относительной твердости минералов широко используется так называемая шкала твердости (шкала Мооса), предложенная в начале XIX в. Шкала включает десять минералов-эталонов, расположенных в порядке возрастания твердости. При этом порядковые номера эталонов принимаются в качестве баллов твердости.

Минералогическая шкала твердости

Твердость веществ на основе шкалы Мооса определяют, с усилием проводя ребром или острым сколом изучаемого объекта по гладкой поверхности какого-либо эталонного минерала. Если вещество тверже взятого эталона, то на поверхности последнего остаются бороздки, царапины. При меньшей твердости изучаемого вещества относительно минерала-эталона оно не оставляет царапин на его поверхности. При равной твердости объекта и эталона неглубокие царапинки остаются на каждом из них. Алмаз, обладающий наивысшей твердостью, оставляет глубокие борозды на всех минералах и при этом сам не претерпевает ни малейших изменений.

Существуют и более точные, но вместе с тем и значительно более сложные способы определения твердости. Не останавливаясь на их описании, упомянем о двух наиболее широко применяемых. Один из них основан на учете скорости сошлифовки (обдирки) испытываемого вещества при стандартных условиях. Другой способ заключается в измерениях, выполняемых с помощью специального прибора - твердометра. Рабочим органом его служит четырехгранная (а для замеров на особо твердых телах трехгранная) алмазная пирамидка. Острие пирамидки под определенной нагрузкой вдавливают в полированную поверхность изучаемого объекта и по величине получающегося углубления вычисляют показатель твердости (микротвердость) вещества в килограмм-силах на квадратный миллиметр. Величина этого показателя составляет для талька 2,4, кальцита 109, апатита 536, кварца 1120, корунда 2060, алмаза 10060.

Твердость алмазов, как и других минералов, не остается постоянной на различных гранях одного и того же кристалла. Ювелиры давно заметили, что при шлифовке кристаллов алмаза наименьшее сопротивление оказывают грани куба, несколько большее - ромбододекаэдрические грани и наибольшее - грани октаэдра. Детальными исследованиями в наше время установлены ощутимые колебания твердости даже по различным направлениям в пределах единой грани кристалла.

Доказано, что твердость различных граней алмазных кристаллов находится в прямой зависимости от плотности расположения атомов углерода на плоскостях, соответствующих той или иной грани. Такие плоскости, включая не только поверхности граней, но и бесчисленное множество параллельных им плоскостей внутри кристалла, называются плоскими сетками. Количество атомов, приходящееся на единицу поверхности плоской сетки, принимается за ее плотность. Плотность октаэдрических, ромбододекаэдрических и кубических сеток в алмазе выражается отношением 2,308:1,414:1. В этой же последовательности, как уже отмечалось, убывает и твердость граней кристаллов.

Аналогичной закономерности подчиняется распределение твердости и по различным направлениям в пределах каждой отдельно взятой грани: относительно пониженной твердостью обладают те направления, которые характеризуются наибольшими расстояниями между атомами (рис. 15).

Широко известны существенные различия в средней твердости алмазов из разных месторождений. Основными причинами этого являются, по всей вероятности, наличие или отсутствие некоторых примесей в алмазах и изменчивость степени совершенства кристаллической решетки, которая в зависимости от физических и химических условий кристаллизации алмаза может иметь большее или меньшее число всевозможных дефектов.

Следует подчеркнуть, что даже самые "мягкие" алмазы во много раз превосходят по твердости корунд и все остальные минералы.

Наряду с исключительно высокой твердостью алмаз обладает свойством раскалываться под воздействием достаточно сильных и резких механических воздействий, ударов. При этом независимо от внешней формы алмазов они, как правило, раскалываются по плоскостям, параллельным граням октаэдра. Способность кристаллов колоться по определенным поверхностям, параллельным их граням, в минералогии называется спайностью. Поскольку октаэдр имеет восемь попарно параллельных граней, то, следовательно, спайность алмаза параллельна четырем плоскостям.

Спайность по плоскостям октаэдра у кристаллов алмаза обусловлена неравномерным расположением парных плоских атомных сеток, ориентированных параллельно граням октаэдра. Расстояние между двумя парами этих сеток почти втрое больше расстояния между сетками, образующими каждую пару. Спайность алмаза при его обработке позволяет вместо сошлифовки откалывать кусочки кристалла, обладающие дефектами или мешающие приданию необходимой формы бриллиантам и всевозможным техническим изделиям из алмаза (фильерам, резцам и др.).

Алмаз является хорошим проводником тепла. При трении он электризуется. Выше уже упоминалось, что некоторые алмазы обладают полупроводниковыми свойствами и относятся к полупроводникам р-типа. Энергия активации акцепторов у них составляет 0,35-0,40 эв, а удельное сопротивление в интервале температур от -100 до 600° С изменяется в пределах 250-750 ом*см.

Предполагается, что полупроводниковые свойства алмазов обусловлены наличием в них примеси бора.

Весьма важным и интересным свойством алмазов является также возникновение световых вспышек и импульса электрического тока при попадании в кристалл быстрых заряженных частиц. Световые вспышки (сцинтилляции) в алмазах настолько интенсивны, что любой источник ядерного излучения с энергией выше лишь нескольких тысяч электрон-вольт надежно регистрируется при использовании обычных фотоэлектронных умножителей.

Интенсивность сцинтилляции мало зависит от энергии электронов. Она почти постоянна при температуре ниже -50° С, но с повышением температуры убывает и исчезает полностью при 100° С. Какой-либо связи между сцинтилляционной способностью и другими свойствами алмаза пока не установлено. Исследования в интервале -125÷+ 230°С показали, что счетная способность и фотопроводимость алмаза увеличиваются с понижением температуры. Достоинствами алмазных счетчиков являются прочность, стабильность, долговечность даже в весьма агрессивных средах, а также в окружении сильных магнитных и гравитационных полей.

Алмаз не поддается воздействию самых сильных кислот (соляной, серной, азотной, плавиковой), даже доведенных до кипения. Не реагирует он и со щелочами. И лишь в расплавах едких щелочей, селитры или соды алмаз окисляется и сгорает.

Опыты по нагреванию алмаза, начатые в середине XVII в. во Флоренции, были продолжены в наше время. Установлено, что при нагреве на воздухе до 850-1000° С алмаз сгорает. В струе чистого кислорода он загорается при 720-800° С. Начав гореть при слабом красном калении, камень быстро раскаляется добела и горит голубым пламенем.

Нагревание при нормальном атмосферном давлении без доступа кислорода до температуры выше 1200-1500° С приводит к превращению алмаза в графит. Процесс этот довольно медленный, причем скорость превращения возрастает при повышении температуры. Графитизация начинается на вершинках и ребрах, распространяется на всю поверхность кристалла, а затем и на внутренние части его. В итоге вместо сверкающего кристалла алмаза получаем тусклый черный агрегат графита, имеющий форму исходного камня, но несколько большего объема (из-за различий в плотности алмаза и графита). Обратного перехода графита в алмаз в условиях атмосферного давления осуществить не удается ни путем нагрева или охлаждения, ни какими-либо другими способами.

Таким образом, при атмосферном давлении устойчивой модификацией углерода является графит, а алмаз в этих условиях представляет собой неустойчивую (метастабильную) модификацию данного вещества. Если так, то возникают два вполне естественных вопроса. Во-первых, почему алмаз переходит в графит только при сильном нагреве, а при обычной температуре не изменяется на протяжении тысяч и, как увидим в последующих главах, даже сотен миллионов лет? Во-вторых, при каких же условиях происходит кристаллизация углерода в форме алмаза?

Ответ на первый из поставленных вопросов дают результаты исследований физико-химических процессов образования горных

Штриховые участки границ экспериментального подтверждения не имеют.

пород и минералов. Установлено, что реакции полиморфного превращения (в отличие, например, от плавления) протекают с большим трудом и незначительной скоростью. Для начала перехода одной модификации в другую, более устойчивую, необходимо, чтобы составляющие кристалл частицы (атомы, ионы) обладали определенным количеством энергии, достаточным для преодоления "энергетического барьера" при перестройке кристаллической структуры. Чем ниже температура, тем меньше вероятность преодоления такого "барьера" и скорость превращения.

При низких температурах скорость превращения может стать равной нулю и тогда метастабильная модификация будет сохраняться неопределенно долго.

Малая скорость превращения характерна для случаев, когда полиморфные модификации сильно различаются по своему кристаллическому строению. Именно благодаря очень сильным различиям в структуре кристаллических решеток не происходит самопроизвольного превращения алмаза в графит при обычных температурах на земной поверхности.

Ответ на второй вопрос - об условии кристаллизации углерода в виде алмаза - был получен в итоге теоретических исследований, результаты которых полностью подтвердились экспериментальными проверками.

Советский ученый О. И. Лейпунский на базе теоретических предпосылок рассчитал, что для превращения графита в алмаз в твердой фазе необходимы давление около 60000 кгс/см 2 и температура 1700-1800° С. Он указывал также на возможное образование алмаза и при несколько меньших давлениях, если использовать вещества, характеризующиеся относительно невысокой температурой плавления и достаточной растворимостью углерода. В качестве одного из таких веществ называлось железо.

Таблица 2. Сопоставление некоторых свойств алмаза и графита

В конце 50-х-начале 60-х годов XX в. термодинамические расчеты стабильности алмаза и графита при различных давлениях и температурах проводились многими исследователями.

Расчеты выполнялись с различными степенями приближения, но все они свидетельствуют о том, что образование алмаза возможно только при высоких давлениях, измеряемых десятками тысяч килограммов на квадратный сантиметр (рис. 16). Теоретические выводы о необходимости для образования алмаза высоких давлений полностью подтверждены экспериментально (рис. 17) и нашли широкое практическое применение. Заводы по изготовлению искусственных алмазов работают сейчас во многих странах мира, и общая продукция их исчисляется десятками миллионов карат. Подробнее эти вопросы рассматриваются в следующей главе.

Главнейшие различия между рассмотренными полиморфными модификациями углерода суммированы в табл. 2.

Недавно появились сообщения о том, что в Институте элементоорганических соединений Академии наук СССР получена новая, третья форма кристаллического углерода - карбин. В качестве исходного вещества при синтезе использовался ацетилен. Карбин, как и некоторые разновидности алмаза, обладает свойствами полупроводника и фотопроводимостью. Отмечалось присутствие близких к карбину форм кристаллического углерода в отдельных метеоритах.

Высокая химическая устойчивость и жаропрочность, сравнительно малая плотность, абсолютная немагнитность и многие другие свойства кристаллического углерода стимулируют поиски новых углеродных материалов. Весьма перспективным направлением таких исследований является синтез гибридных веществ, сочетающих отдельные свойства алмаза, графита и карбина. Первые шаги в этом направлении уже сделаны. Из каменного угля получено углеродное стекло, сочетающее жаропрочность и химическую устойчивость графита со свойствами полупроводника и обладающее еще меньшей плотностью. Поиски продолжаются.