Добыча алмазов, несомненно, достаточно прибыльный бизнес, который может поддержать экономику любой страны. Но тем не менее, наверняка многим предпринимателям хотелось бы снизить затраты на этих драгоценных камней и этим самым еще увеличить доход алмазодобывающей отрасли. А что, если возможно получать алмазы синтетическим способом из графита?
Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо разобраться в природе двух материалов – и графита. Многие еще из уроков помнят, что эти два, казалось бы, таких разных материала целиком и полностью состоят .
Алмаз представляет собой обычно прозрачный кристалл, но может быть и синим, и голубым, и красным, и даже черным. Это самое твердое и прочное вещество на Земле. Такая твердость обусловлена особым строением кристаллической решетки. Она имеет форму тетраэдра, и все атомы углерода находятся на одном расстоянии друг от друга. Графит же темно-серый с металлическим отливом, мягкий и совершенно непрозрачный. Кристаллическая решетка графита расположена слоями, в каждом из которых молекулы собраны в прочные , однако между слоями связь молекул достаточно слабая. То есть, по сути, разница между алмазом и графитом заключается в различном строении кристаллической решетки.
Получение алмаза из графита
Как таковое превращение графита в алмаз возможно. Это доказали еще ученые ХХ века. В 1955 г. был представлен отчет компании General Electric и синтезированы первые алмазы, правда, очень мелкие. Первым осуществил синтез исследователь компании Т. Холл. Для достижения таких успехов было применено оборудование, позволяющее создавать давление в 120 тыс. атмосфер и температуру в 1800°С.
Группой ученых из Allied Chemical Corporation было осуществлено прямое превращение графита в алмаз. Для этого были использованы более экстремальные условия по сравнению с предыдущими методами. Для создания на 1 микросекунду предельного давления в 300 тыс. атмосфер и температуры в 1200°С применялось взрывчатое вещество огромной мощности. В результате в образце графита обнаруживалось несколько мелких частичек алмаза. Данные о результате эксперимента были опубликованы в 1961 г.
Однако это были не все способы получения алмазов из графита. В 1967 г. Р. Уэнторф вырастил первый алмаз на затравке. Скорость роста оказалась достаточно низкой. Самый крупный синтетический алмаз Р. Уэнторфа, изготовленный данным методом, достиг размера в 6 мм и веса в 1 карат (примерно 0,2 г).
Современные методы синтеза алмазов из графита
Современные технологии позволяют получать алмазы из графита несколькими методами. Алмазы синтезируются в условиях, максимально приближенных к природным, а также с использованием катализаторов. Производится наращивание кристаллов алмаза в метановой среде, а мелкую алмазную пыль для производства различных абразивов получают методом взрыва взрывчатых веществ или проволоки большим импульсом тока.
Чтобы сделать алмаз...
Кто незнаком с алмазом - этим чемпионом в мире кристаллов? Нас восхищает феерическая игра света на гранях отшлифованного алмаза (бриллианта), поражает его непревзойденная твердость. Размер кристаллов обычно невелик (2 - 5 мм), но попадаются и крупные образцы. Самый большой из всех добытых алмазов весил 605 г, или более 3000 карат (карат - 0,2 г).
Можно добавить, что за все времена по 1947 г. было найдено 80 т алмазов
(подсчитано, что в месторождениях находят 0,2-0,3 карата алмазов на 1 мг
породы).
Итак, алмаз - это драгоценный камень. В 1797 г. С. Теннант определил его
химический состав. Оказалось, что он, так же как и графит, состоит из
чистого углерода.
Мы знаем, что некоторые химические элементы могут существовать в виде
двух и более простых веществ. Так, атомы кислорода способны соединяться
по два (газ кислород) и по три (газ озон), фосфор дает двух- и
четырехатомные молекулы. Это происходит потому, что атомы образуют
молекулы разными способами (аллотропия). В графите атомы углерода
соединены в шестиугольники, которые слоями лежат друг на друге, причем
расстояние между слоями равно 3,4 А. В алмазе те же атомы углерода
расположены в углах тетраэдра, длина ребра которого равна 1,54 А (рис.
1). Какие же условия необходимы, чтобы атомы углерода изменили свое
расположение и графит превратился в алмаз?
Алмазы образуются в толще Земли при высоких давлениях и температурах.
Там они кристаллизуются, а затем в результате извержений порода, в
которой они находятся, выбрасывается к поверхности Земли. Можно ли этот
процесс повторить искусственно?
Ученые установили, что если нагреть алмаз в среде инертного газа до
высокой температуры, он превратится в графит. Температура этого перехода
зависит от давления. Чем выше давление, тем при большей температуре
устойчив алмаз.
Оказалось, что алмаз устойчив только при высоких давлениях, начиная от
10 ООО атм при комнатной температуре и до сотен тысяч атмосфер при
тысячах градусов.
Много лет изобретатели, ученые и просто охотники до наживы проводили
сотни экспериментов, пытаясь превратить графит в алмаз, но безуспешно.
Теперь нам ясно, в чем дело. Оказалось, что при низких температурах
скорость перехода графита в алмаз так мала, что нужны миллионы лет,
чтобы получить хоть крупицу алмаза. По-видимому, успеха можно было ждать
только при высоких температурах. Но при этом нужны были и очень высокие
давления.
Теперь, прежде чем продолжить рассказ об алмазе, вспомним, что такое
давление.
Давление - это сила, приложенная к единице площади. Вес человека,
распределенный на площадь его подошв, - это давление. Сила, с которой
нажимает наперсток, приложенная к площади кончика иглы,- это давление.
Вычислим его. Предположим, что диаметр кончика иглы равен 0,01 мм, или
10~3 см (а это еще тупая.игла). Тогда площадь кончика равна 0,785 10~6
см2. Если наперсток нажимает на иглу с силой всего в 1 г, то давление
под кончиком будет 1275 кг/см2, или 1275 технических атмосфер. Жало
комара еще тоньше, чем игла, и понятно, почему оно легко прокалывает
кожу.
А что представляет собой атмосферное давление? Это вес воздуха,
приходящийся на единицу площади. На уровне моря на 1 см2 поверхности
давит сила около 1 кгс. Отсюда и пошло обозначение: техническая
атмосфера - это 1 кгс/см2. Под водой давление
возрастает на каждые 10 м глубины приблизительно на одну атмосферу. В
толще Земли давление растет еще быстрее. На глубине 150-200 м оно уже
достигает десятков тысяч атмосфер, а в центре Земли - нескольких
миллионов.
А вообще каков предел величины давления? Нижний предел - это абсолютный
вакуум. В пространстве, где нет ни одной частицы вещества, давление
равно нулю. А верхний предел?
Попробуем представить себе ящик, стенки которого могут выдержать любое
давление. Начнем нагнетать в него газ. Молекулам в ящике станет теснее.
При некоторой плотности газ превратится в жидкость. Если продолжать
накачивание, количество молекул в ящике станет еще больше, расстояние
между ними будет сокращаться. Молекулам будет все труднее двигаться в
ящике, возрастет вязкость газа, и при давлении около двадцати тысяч
атмосфер он затвердеет. Продолжим сжатие. При давлениях в десятки тысяч
атмосфер молекулы подойдут так близко друг к другу, что это начнет
мешать электронам двигаться вокруг ядер. Появятся изменения в
электронных оболочках.
Более половины химических элементов устроено так, что на их внутренних
электронных орбитах есть свободные места. При дальнейшем сжатии (до
сотен тысяч атмосфер) электроны в таких атомах начнут сдвигаться на
свободные места поближе к ядру. При этом обычные химические свойства
элементов настолько изменяются, что можно даже будет построить новую
периодическую систему элементов.
При давлениях в миллионы и более атмосфер может оказаться, что
электронам удобнее двигаться не вокруг отдельных ядер, а в виде
электронного газа возле всех ядер: вещества переходят в металлическое
состояние.
В настоящее время уже умеют сжимать до очень высоких давлений и газы, и
жидкости, и твердые тела. Самые высокие давления достигнуты при сжатии
твердых тел в аппаратах, построенных по принципу молота и наковальни
(ведь обычные молот и наковальня остаются при ковке целыми, а кусок
железа меняет свою форму). Из очень твердого сплава изготовляют две
наковальни и помещают их между плитами мощного гидравлического пресса
(рис. 2). Между наковальнями находится тонкий слои исследуемого
вещества.
При сжатии плит в веществе развивается огромное давление. Если диаметр наковальни равен 1,6 см, то, сжав плиты с силой 1000 т, можно достичь давления в 0,5 млн. атм (вспомним наперсток и иголку).
Используя такой принцип и создали аппараты, в которых были впервые
получены алмазы (рис. 3). Он состоит из многослойного кольцевого сосуда.
Внутренний слой сделан из сверхтвердого сплава. На этот слой надеты
пояса (бандажи) из твердой стали, мягкой стали, меди и пояс, в котором
циркулирует охлаждающая вода. Такое чередование материалов уменьшает
опасность разлета осколков, если аппарат разрушится. Сверху и снизу
аппарат закрыт многослойными крышками. Внутренние части крышек - это
штампы из сверхтвердого сплава. На конусные части штампов надевают
прокладки из пирофиллита (минерал - алюмосиликат железа). Он обладает
свойством становиться эластичным при высоких температурах и давлениях.
Внутрь кольцевого сосуда вставляют контейнер из пирофиллита, в котором
находится графитовый стержень и катализатор. При нагревании катализатор
плавится, графит растворяется в расплаве и его перестройка в алмаз
происходит легче.
Все три части аппарата собирают, вставляют в гидравлический пресс и
начинают увеличивать давление. Пирофиллит заполняет все неплотности
между штампами и кольцевым сосудом и предотвращает падение давления.
Чтобы нагреть содержимое контейнера, через штампы пропускают ток большой
мощности. Штампы изолированы от пресса и соединены металлическими
прокладками с графитовым стержнем в контейнере. Ток, проходящий через
эту электрическую цепь, может нагреть графит до 3000°.
Проходят десятки минут... Процесс закончен. Внутри контейнера уже не
графит, а кристаллики алмаза. Аппарат охлаждают, снижают давление и из
контейнера вынимают массу, в которой находится алмаз.
Почему же алмаз, вынутый из аппарата, не превращается опять в графит?
Ведь он в обычных условиях неустойчив? Дело снова в скорости процесса:
он так замедлен, что мы не можем его заметить.
Итак, алмаз получен. Это мелкие кристаллы, которые выросли в течение
минут, а не веков, понадобившихся для роста крупных кристаллов
природного алмаза. Их нельзя использовать для изготовления украшений. Но
они очень нужны.
Алмаз - самое твердое вещество. Поэтому из него изготовляют резцы,
сверла, фрезы, шлифовальные круги, буровые коронки, фильеры для
волочения проволоки и т. д. Алмазные инструменты обрабатывают самые
твердые сплавы с необычайной скоростью и чистотой. Техника и
промышленность очень нуждаются в алмазах. И сейчас налажено производство
искусственных алмазов для технических целей.
С помощью высоких давлений удалось создать боразон - кристаллический
нитрид бора, по твердости сравнимый с алмазом и применяющийся для
обработки сверхтвердых веществ и сплавов. Искусственный кварц, который
также получают под давлением, нашел применение в радиотехнике.
Что же касается ювелирных алмазов, то придет и их время. Для этого нужно
создать аппараты, в которых можно будет поддерживать высокие давления и
температуры неограниченно долго, чтобы создать условия для медленного
роста крупных кристаллов. Но это дело будущего.
Д.С. Циклис
Размещение фотографий и цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.
О том, как сделать алмаз, люди задумывались десятками лет. А все потому, что выращивание этих камней не просто обогатит создателя методики, но и сделает их более доступными. Есть мнение, что реально получить бриллиант из графита или угля, так как все они состоят из углерода. Прочитав статью, вы сможете разобраться, насколько это утверждение реально, в чем разница между упомянутыми минералами и можно ли получить драгоценность, не покидая пределов квартиры.
Небольшой экскурс в свойства пород
Вплоть до 17 века, никто не подозревал о сходстве угля, алмаза и графита. Они никогда не соседствовали в природе. Тем более, ученые не могли помыслить о превращении одного вещества в другое. Все изменилось, когда английский химик Теннант провел свой эксперимент и выяснил их истинную природу.
Визуально, понять это не было возможности, так как породы совершенно различны. Графит не имеет прочных связей и состоит из скользящих друг по другу чешуек. Его основная сфера применения – смазка для снижения трения между поверхностями. Внешне, он похож на расплавленный металл.
Угольный состав включает в себя мелкие частицы графита, но дополняется углеводородным соединением, кислородом и азотом, что придает ему не жидко-вязкую форму, а более плотную. Алмазы же, вообще имеют одно из самых прочных соединений в природе. Внешне – это прозрачные камни, совсем несхожие со своими «собратьями».
Игры с породами: превращение одного вещества в другое
Как только ученые обнаружили сходство алмаза, угля и графита, они задались целью научиться превращать одно вещество в другое. Первые эксперименты были удачными.
Выяснилось, что при нагревании «драгоценного камня» в безвоздушном пространстве до 1800 градусов, он полностью превращается в графит. Тот же эффект получается, если сквозь раскаленный до 3500 градусов уголь, пропустить электрический ток. Получив успех на этих превращениях, ученые задались целью сделать искусственный алмаз, и застряли практически на 100 лет.
Эксперимент, как из угля сделать алмаз, увенчался успехом только в 1880 году и проходил в 2-а этапа. Сначала, путем электролиза, получали графит. Затем, его помещали в стальную колбу, закрывали с обоих концов и нагревали докрасна. Иногда, сосуд не выдерживал давления и взрывался. Но, если все проходило гладко, то при вскрытии трубы внутри находили темные, но сверхпрочные кристаллы.
Теория взрыва: первый шаг на пути к цели
В естественной среде алмазы образуются при температурах свыше 1600 градусов Цельсия, и давлении 60-100 тыс. атмосфер. На все это, у природы уходит сотни тысяч, а иногда и миллионы лет. Поэтому, выращивание искусственных алмазов вывело бы многие сферы на новый уровень.
Ученые уже научились создавать искусственные алмазы, на что уходит лишь несколько месяцев. Но, для процесса превращения требуется дорогостоящее оборудование и труднодоступные материалы. Можно попробовать обойтись подручными средствами, но вероятность успеха крайне мала.
Если же вы решитесь создать алмаз самостоятельно, то вам потребуется заложить графитовый стержень и тротил в толстую трубу, а затем заварить ее концы. После детонации взрывчатки, внутри колбы создается нужное давление и температура, вследствие чего образуется высокопрочный кристалл. Но, как показывают расчеты, вероятность разнести помещение и убить себя выше, чем получить драгоценный камень.
Безопасный способ обогащения – находка для экспериментаторов
О том, как вырастить алмаз в домашних условиях, ходит много «легенд». Вычленить среди них действенный, а, главное, безопасный способ – сложнорешаемая задача. Тот вариант, о котором сейчас пойдет речь, подходит для любителей экспериментов, но всерьез ожидать получения драгоценного камня не стоит.
Внимание! Администрация сайта не несет ответственности за возможные последствия эксперимента.
Инструкция по работе предполагает подготовку необходимых компонентов. К ним относятся:
- карандаш;
- провод;
- вода или жидкий азот;
- источник высокого напряжения (сварочный аппарат).
Чтобы получить искусственный алмаз, достаньте из карандаша грифель. Можно купить отдельно. Теперь, соедините его с проводом и опустите в емкость. Следующий шаг зависит от того, что вы используете. В первом варианте, следует залить конструкцию водой и заморозить. Во втором варианте, заморозка происходит при помощи жидкого азота.
Как только вы получите нужную температуру, подсоедините провода к источнику напряжения и пустите ток. Считается, что после прохождения через грифель разряда, он трансформируется в алмаз.
Домашний эксперимент: получение кристаллов из соли
Получить алмаз без лабораторных условий невозможно. Но, вы можете своими руками вырастить красивые соляные кристаллы. Для эксперимента вам потребуются:
- водный дистиллят;
- поваренная соль;
- прочная нить;
- пищевые красители (для красоты).
Возьмите емкость и наполните ее водой. Сыпьте в нее соль до тех пор, пока она не перестанет растворяться. Отрежьте нить и закрепите на ней соляной кристалл. Поместите конструкцию в жидкость и подождите несколько дней. Если добавить пищевые красители, то «камушки» получатся разных оттенков.
Соль – не единственный материал, подходящий для таких химических преобразований. Можно использовать сахар или медный купорос. Тогда, кристаллы «вырастают» немного другие, но методика остается прежней. Приятных вам экспериментов.
Получение больших кристаллов
Далее, поговорим о том, как делают алмазы больших размеров в домашних условиях. Для эксперимента вам понадобится все та же соль (100 гр.), дистиллят (400 мл.) и грифель (12 гр.). Возьмите стакан и смешайте сыпучие ингредиенты. Теперь, аккуратно залейте их водой, дождитесь полного растворения и оставьте емкость на 24 часа.
Руководство по созданию искусственных алмазов начинается с того, что вы сливаете воду из стакана (в другую емкость, так как она пригодится далее). На дне посудины, вы найдете получаемые от реакции кристаллы. Выберете наиболее правильный и большой (затравку), а оставшиеся отложите в контейнер.
Выращивание больших домашних алмазов — долгий процесс, требующий терпения. Но, в результате у вас получится красивый многогранный камень, который можно использовать для создания украшений или декора.
Возьмите прочную нитку и закрепите ее на карандаше или любой палочке. К другому концу прикрепите затравку и опустите ее в оставшийся раствор. Все что вам остается — это ожидание. Испаряясь, вода будет нарастать на ваш кристалл и делать его больше. Если в процессе на нитке будут образовываться другие камушки, их лучше удалять.
Чтобы получить алмазы в домашних условиях, требуется дистиллят. Дело в том, что для химических реакций жидкость должна быть без примесей, чтобы эксперимент удался. Но, не всегда легко найти очищенную воду. Тогда, можно создать ее самостоятельно, прокипятив на газу и прогнав через обычный лабораторный фильтр.
После кипячения, фильтр можно заменить промокашкой, ватой, марлей или обычной бумагой — вопрос удобства использования. Чтобы реакция удалась, используемая вода должна быть теплой, но не горячей. Когда вы выращиваете алмазы, раствор постепенно испаряется. Следите, чтобы ваш кристалл не оказался на воздухе — это его испортит.
Добыча алмазов, несомненно, достаточно прибыльный бизнес, который может поддержать экономику любой страны. Но тем не менее, наверняка многим предпринимателям хотелось бы снизить затраты на получение этих драгоценных камней и этим самым еще увеличить доход алмазодобывающей отрасли. А что, если возможно получать алмазы синтетическим способом из графита?
Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо разобраться в природе двух материалов – алмаза и графита. Многие еще из уроков химии помнят, что эти два, казалось бы, таких разных материала целиком и полностью состоят из углерода.
Алмаз представляет собой обычно прозрачный кристалл, но может быть и синим, и голубым, и красным, и даже черным. Это самое твердое и прочное вещество на Земле. Такая твердость обусловлена особым строением кристаллической решетки. Она имеет форму тетраэдра, и все атомы углерода находятся на одном расстоянии друг от друга. Графит же темно-серый с металлическим отливом, мягкий и совершенно непрозрачный. Кристаллическая решетка графита расположена слоями, в каждом из которых молекулы собраны в прочные шестиугольники, однако между слоями связь молекул достаточно слабая. То есть, по сути, разница между алмазом и графитом заключается в различном строении кристаллической решетки.
Получение алмаза из графита
Как таковое превращение графита в алмаз возможно. Это доказали еще ученые ХХ века. В 1955 г. был представлен отчет компании General Electric и синтезированы первые алмазы, правда, очень мелкие. Первым осуществил синтез исследователь компании Т. Холл. Для достижения таких успехов было применено оборудование, позволяющее создавать давление в 120 тыс. атмосфер и температуру в 1800°С.
Группой ученых из Allied Chemical Corporation было осуществлено прямое превращение графита в алмаз. Для этого были использованы более экстремальные условия по сравнению с предыдущими методами. Для создания на 1 микросекунду предельного давления в 300 тыс. атмосфер и температуры в 1200°С применялось взрывчатое вещество огромной мощности. В результате в образце графита обнаруживалось несколько мелких частичек алмаза. Данные о результате эксперимента были опубликованы в 1961 г.
Однако это были не все способы получения алмазов из графита. В 1967 г. Р. Уэнторф вырастил первый алмаз на затравке. Скорость роста оказалась достаточно низкой. Самый крупный синтетический алмаз Р. Уэнторфа, изготовленный данным методом, достиг размера в 6 мм и веса в 1 карат (примерно 0,2 г).
Современные методы синтеза алмазов из графита
Современные технологии позволяют получать алмазы из графита несколькими методами. Алмазы синтезируются в условиях, максимально приближенных к природным, а также с использованием катализаторов. Производится наращивание кристаллов алмаза в метановой среде, а мелкую алмазную пыль для производства различных абразивов получают методом взрыва взрывчатых веществ или проволоки большим импульсом тока.
Алмазы возникают под большим давлением. Данный процесс весьма труден и занимает много времени. Особый способ разработали научные сотрудники из Стэнфорда. Они сообщают, что их способ создания бриллиантов значительно легче и происходит быстрее. Этот способ стал доступен благодаря простому графиту. Он является стержнем карандаша. После этого открытия, изготовление алмазов станет доступно для некоторых инструментов и аппаратов, которые используются в различных сферах жизни человека.
Алмаз достаточно тверд, прочен и способен работать при различных критических температурах. Эти показатели делают камень самым лучшим в мире материалом для изготовления различных инструментов. Помимо технической промышленности, алмазы часто используются и для научных исследований. Можно сообщить, что алмазы используются как для приготовления радиаторов для охлаждения, так и для синтеза некоторых специфических материалов.
Синтетические алмазы изготавливаются из простого графита, которым мы пишем по бумаге, беря в руки карандаш. Графитовый стержень создается особым способом прессования, который идеально подходит для создания данного камня. Для создания алмаза, необходимо поместить графит в специальную камеру, которая будет выдавать давление в 150 000 атмосфер. Именно в результате такого высокого давления, графит изменяет свои характеристики, которые становятся практически такими же, как и у алмаза.
Ученым из Стэнфорда удалось избежать воздействия такого давления. Главной задачей ученых являлось внедрение графита в транзистор. Люди старались и испытывали различные варианты. Однажды, на платиновой поверхности были смешаны графит и некоторое количество водорода. Надежда команды ученых получить тоже действие, что и у кремния провалилось, но такой опыт окончился успехом. Им удалось изменить структуру графита, в результате чего он стал подобен алмазу. Особая реакция оказалась весьма специфическая, тем самым вызвав немалое удивление.
Также, ученые могут получить уникальную информацию о протекании химических реакций с различными элементами. Данный эксперимент позволяет развить мысли о том, что другие материалы могут владеть аналогичными свойствами.