Дисциплина: Кристаллография, рентгенография

КУРСОВАЯ РАБОТА

Тема: Структура алмаза

Реферат

Курсовая работа26 с., 8 рис., 7 источников, 1 прил.

АЛМАЗЫ, Структура, СИНГОНИЯ, ПРИМЕНЕНИЕ.

Объектом исследования являются алмазы.

Цель работы –изучение структуры алмаза, его свойств, применения.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………..…4

1. Описание……………………………………………………………………..…5

2. Морфология и габитус……………………………………………………...….6

3.Структура…………………………………………………………………….….8

3.1.Атомное строение……………………………………………………….……8

3.2. Элементарная ячейка и Сингония …………………………………….........9

4.Физические свойства…………………………………….……………….……13

5. Природные месторождения…………………………………………………..15

5.1. Нахождение алмазов в природе……………………………………………15

5.2. Добыча и месторождения…………………………………………………..17

5.3. История добычи алмазов в России…………………………………...……18

6. Применение……………………………………………………………...…….20

6.1. Натуральные алмазы…………………………………………………...…...20

6.2. Синтетические алмазы………………………………………………...……22

Заключение……………………………………………………………………….23

Список литературы………………………………………………………………24

Приложение………………………………………………………….…………...25

ВВЕДЕНИЕ

В данной работе я должен выяснить, какими свойствами обладает алмаз, каково его внутренне строение, месторождение, и применение.

1. 1.     Описание

Углерод — вещество с большим числом аллотропических модификаций. Аллотропные модификации углерода по своим свойствам наиболее радикально отличаются друг от друга, от мягкого к твёрдому, непрозрачного к прозрачному, абразивного к смазочному, недорогого к дорогому. Эти аллотропы включают аморфные аллотропы углерода (уголь, сажа), нанопена, кристаллические аллотропы — нанотрубка, алмаз, фуллерены, графит, лонсдейлит и церафит.

 По характеру химической связи между атомами Аллотропные модификации углерода можно классифицировать на: sp³ формы, sp² формы, sp формы, смешанные sp³/sp² формы и другие. В своей работе я буду представлять представителя sp³ формы – алмаз.

Алмаз… Уникальность этого минерала звучит уже в его названии: «адамас» по-гречески означает «несокрушимый». Эта кристаллическая форма углерода отличается высочайшей твёрдостью (10) — никакой другой минерал не может оставить на нём царапину. Они могут быть бесцветными, а могут иногда иметь жёлтую, голубую, розовую или зелёную окраску. Бывают даже чёрные алмазы (карбонадо). Почему окрашивается алмаз, до конца не изучено — возможно, в этом «виноваты» изменения или несовершенства структур некоторых кристаллов. Эти несовершенства могут быть связаны с внедрением в кристаллическую структуру «чуждых» атомов, например азота или никеля, а могут вызываться и «поломками» кристаллической решётки под действием радиации. Одно из характерных свойств алмаза — способность светиться под рентгеновскими лучами. Это свойство часто применяется, когда на обогатительных фабриках отделяют алмазы от вмещающей их породы.

2. Морфология и габитус алмаза

Кристаллы алмаза всегда содержат различные дефекты кристаллической структуры (точечные, линейные дефекты, включения, границы субзерен и тп.). Такие дефекты в значительной степени определяют физические свойства кристаллов.

Кристаллы алмаза имеют форму октаэдра(см. рисунок 2.1), ромбододекаэдра, куба и тетраэдра(см. рисунок 2.2) с гладкими и пластинчато-ступенчатыми гранями или округлыми поверхностями, на которых развиты разнообразные акцессории. Характерны уплощённые, удлинённые и сложноискажённые кристаллы простой и комбинированной форм, двойники срастания и прорастания по шпинелевому закону, параллельные и произвольно ориентированные сростки.

Рисунок 2.1-Кристаллы алмаза октаэдрического облика

Характерные формы: {111}, {100} и {110}. Грани кристаллов часто бывают представлены выпуклыми и неровными, иногда разъеденными поверхностями. Наблюдаются двойники срастания по (111), реже по (100).

Разновидности алмаза представляют собой поликристаллические образования: борт — сростки многочисленных мелких огранённых кристаллов и зёрен неправильной формы, серого и чёрного цвета; баллас — сферолиты радиально-лучистого строения; карбонадо — скрытокристаллические, плотные, с эмалевидное поверхностью или шлакоподобные пористые образования, состоящие преимущественно из субмикроскопических (около 20 мкм) зёрен алмаза, тесно сросшихся друг с другом. Размер природных алмазов колеблется от микроскопических зёрен до весьма крупных кристаллов массой в сотни и тысячи карат (1 карат = 0,2 г). Масса добываемых алмазов обычно 0,1-1,0 карат; крупные кристаллы (свыше 100 карат) встречаются редко. В таблице приведены крупнейшие в мире алмазы, извлечённые из недр.

Рисунок 2.2 -Кристаллы алмаза ромбо-додекаэдрического и тетраэдрического облика

3. Структура

Химическая формула: C.

3.1. Атомное строение

Алмаз кристаллизуется в кубической системе, отвечающей самой плотной упаковке атомов и содержащей всего 18 атомов углерода. Каждый атом алмаза связан с четырьмя ближайшими соседними атомами, расположенными в вершинах правильного тетраэдра. Расстояние между двумя соседними атомами 0,154 нм. Постоянный размер кристаллической   решетки алмаза 0,356 нм.

Рисунок 3.1- Кристаллическая решетка алмаза

Из 18 атомов углерода 8 расположены в вершинах куба, 6 —в центрах граней куба и 4 — в центрах четырех из восьми кубов, образованных делением элементарной кубической ячейки тремя взаимно перпендикулярными плоскостями.

3.2. Элементарная ячейка и Сингония 

Элементарная ячейка алмаза довольно сложна. Она представляет собой гранецентрированный куб, в который еще дополнительно вписано 4 атома углерода. Число частиц, необходимое для построения такой элементарной ячейки, n=( ¹/₈) 8+(¹/₂)6+4=8. Координатное число 4, так как в данном случае оно равно числу гибридных орбиталей атома углерода. Формы гибридных орбиталей, связи между углеродными атомами в кристалле алмаза и элементарная ячейка алмаза приведены на рисунке 3.2,рисунке 3.3.

Рисунок 3.2 – Элементарная ячейка алмаза: а – гибридные орбитали; б – тетраэдр; в – тетраэдр, вписанный в куб; г – элементарная ячейка алмаза

Объем элементарной ячейки - a³

Число узлов в ячейке – 8

Число узлов ячейки на единицу объема - 8 / a³

Число ближайших «соседей» - 4

Расстояние между ближайшими соседями - a 3^1/2/4

Число соседей, следующих за ближайшими – 6

Расстояние до соседей, следующих за ближайшими соседями - a / 2^1/2

Рисунок 3.3- Элементарная ячейка

Сингонияалмаза кубическая, пространственная группа Fd3m. Элементарная ячейкакристаллической решетки алмаза представляет собой гранецентрированный куб, в котором в четырех секторах расположенных в шахматном порядке, находятся атомы углерода. Иначе алмазную структуру можно представить как две кубических гранецентрированных решетки, смещенных друг относительно друга по главной диагонали куба на четверть её длины. Структура аналогичная алмазной установлена у кремния, низкотемпературной модификации олова и некоторых других простых веществ.

Координаты базиса: [[000]], [[0, 1/2, 1/2]], [[1/2, 1/2,0]], [[1/4, 1/4, 1/4 ]] [[1/4, 3/4, 3/4]], [[3/4, 1/4, 3/4]), [[3/4, 3/4, 1/4]].

Плотнейшей упаковки в структуре нет. Однако есть плоскости (слои), упакованные плотнее, чем любые другие плоскости. Они отчетливо видны на рисунке 3.4, где структура алмаза представлена со стороны плоскости (110), так что направление <111>, т. е. ось 3, вертикально. В этом ракурсе явно выделяются слои плоскостей {111}, перпендикулярных осям 3. Ретикулярная плотность в таких слоях наибольшая, а направления <110> (диагонали граней куба), лежащие в этих слоях, являются наиболее плотно упакованными направлениями. На рисунке видно, что слои {110} двойные, как бы состоящие из двух подслоев: один подслой состоит из атомов, у которых вертикально расположенные связи направлены вверх, второй — из атомов, у которых такие же связи направлены вниз. Подслои двойного слоя соединены между собой тремя связями на атом, а с двумя соседними двойными слоями — одной связью на атом. Такое расположение играет существенную роль в анизотропии механических свойств кристаллов со структурой алмаза.

Рисунок 3.4 - Структура алмазасо стороны плоскости (110)

На рис. 3.5 ясно видно, что в структуре существуют шестисторонние «каналы» в направлениях <110>, проходящие насквозь. По этим каналам особенно легко идет диффузия примесей в кристалле.

Обратим еще внимание на четко вырисовывающуюся фигуру ступенчатогогексагона с вершинами, обращенными в разные стороны (на рисунке3.5 один из этих гексагонов для наглядности заштрихован).

В точечной группе симметрии алмаза есть центр симметрии, все направления не полярны. В структуре центр симметрии располагается на середине связи между двумя любыми соседними атомами.

Рисунок 3.5 - Шестисторонние «каналы» в направлениях <110>

4. Физические свойства

а) По шкале Мооса относительная твердость алмаза равна 10, абсолютная в1000 раз превышает твердость кварца и в 150 раз - корунда, самая высокая как среди природных, так и среди так среди искусственных материалов,

б) Излом раковистый,

в) Плотность чистого алмаза 3,511 г/см³,

г) Блеск сильный, от алмазного до жирного,

д) Высокий показатель преломления (от 2,417 до 2,421) и сильная дисперсия (0,0574 ) обуславливают яркий блеск и разноцветную "игру" ограненных ювелирных алмазов, называемых бриллиантами.

е) Полупроводник.

Алмаз может быть бесцветными водянопрозрачным или окрашенным в различные оттенки желтого, коричневого, красного, голубого, зеленого, черного, серого цветов.

Распределение окраски часто неравномерное, пятнистое или зональное. Под действием рентгеновских, катодных и ультрафиолетовых лучей большинство алмазов начинает светиться (люминесцировать) голубым, зеленым, розовым и др. цветами.

Алмаз прилипает к некоторым жировым смесям, на этом основан получивший наибольшее распространение жировой способ извлечения алмазов на обогатительных фабриках. На воздухе алмаз сгорает при 85 ^oС с образованием СО₂; в вакууме при температуре свыше 150 ^oС переходит в графит.

Алмаз как самое твёрдое вещество в природе используется в разнообразных инструментах для распиловки, сверления и обработки всех других материалов. Относительная твёрдость по шкале Mоcca 10, максимальная абсолютная микротвёрдость, измеренная индентором на грани (111), 0,1 ТПа. Твёрдость алмаза на различных кристаллографических гранях не одинакова; наиболее твёрдой является октаэдрическая грань (111). Алмаз очень хрупок, обладает весьма совершенной спайностью по грани (111). Модуль Юнга 0,9 ТПа. Плотность прозрачных кристаллов алмаза 3515 кг/м³, полупрозрачных и непрозрачных — 3500 кг/м³, у некоторых австралийских алмазов — 3560 кг/м³; у борта и карбонадо из-за их пористости может снижаться до 3000 кг/м³. Чистая поверхность кристаллов алмаза обладает высокой гидрофобностью (краевой угол 104-105°). В природных алмазах, особенно в алмазах из россыпных месторождений, на поверхности образуются тончайшие плёнки, которые повышают её смачиваемость.

5. Природные месторождения

5.1. Нахождение алмазов в природе

Алмаз — редкий, но вместе с тем довольно широко распространённый минерал. Промышленные месторождения алмазов известны на всех континентах, кроме Антарктиды. Известно несколько видов месторождений алмазов. Уже несколько тысяч лет назад алмазы в промышленных масштабах добывались из россыпных месторождений. Только к концу XIX века, когда впервые были открыты алмазоносные кимберлитовые трубки, стало ясно, что алмазы не образуются в речных отложениях.

О происхождении и возрасте алмазов до сих пор нет точных научных данных. Учёные придерживаются разных гипотез — магматической, мантийной, метеоритной, флюидной, есть даже несколько экзотических теорий. Большинство склоняются к магматической и мантийной теориям, к тому, что атомы углерода под большим давлением (как правило, 50000 атмосфер) и на большой (примерно 200 км) глубине формируют кубическую кристаллическую решётку — собственно алмаз. Камни выносятся на поверхность вулканической магмой во время формирования так называемых «трубок взрыва».

Возраст алмазов, по данным некоторых исследований, может быть от 100 миллионов до 2,5 миллиардов лет.

Известны метеоритные алмазы, внеземного, возможно — досолнечного, происхождения. Алмазы также образуются при ударном метаморфизме при падении крупных метеоритов, например, в Попигайской астроблеме на севере Сибири.

Кроме этого, алмазы были найдены в кровлевых породах в ассоциациях метаморфизма сверхвысоких давлений, например в Кумдыкульском месторождении алмазов на Кокчетавском массиве в Казахстане.

И импактные, и метаморфические алмазы иногда образуют весьма масштабные месторождения, с большими запасами и высокой концентрацией. Но в этих типах месторождений алмазы мелки настолько, что не имеют промышленной ценности.

5.2. Добыча и месторождения

Промышленные месторождения алмазов связаны с кимберлитовыми и лампроитовыми трубками, приуроченными к древним кратонам. Основные месторождения этого типа известны в Африке, России, Австралии и Канаде.

Согласно материалам Кимберлийского процесса, мировая добыча алмазов в стоимостном выражении в 2008 году составила $12,732 млрд. (выросла на 6,7 % по сравнению с предыдущим годом).

По оценке компании «Де Бирс», в 2004 году добыча алмазов (в стоимостном выражении) в странах-лидерах составила:

Ботсвана — 2,9 млрд долл.;

Россия — 2 млрд долл.;

Канада — 1,4 млрд долл.;

ЮАР — 1,3 млрд долл.;

Ангола — 1,2 млрд долл.;

Намибия — 0,7 млрд долл.

Мощности действующих месторождений, степень их выработки, и ожидаемый ввод в эксплуатацию новых рудников позволяют предположить, что в средне- и долгосрочной перспективе на мировом рынке будет наблюдаться устойчивое превышение спроса над предложением, что создаёт предпосылки для роста цен на алмазы.

5.3. История добычи алмазов в России

В России первый алмаз был найден 4 июля 1829 года на Урале в Пермской губернии на Крестовоздвиженском золотом прииске четырнадцатилетним крепостным Павлом Поповым, который нашёл кристалл, промывая золото в шлиховом лотке. За полукаратный кристалл Павел получил вольную. Павел привёл учёных, участников экспедиции немецкого учёного Александра Гумбольдта, на то место, где он нашёл первый алмаз (сейчас это место называется Алмазный ключик (по одноимённому источнику) и расположено приблизительно в 1 км от пос. Промысла́ недалеко от старой дороги, связывающей посёлки Промысла́ и Тёплая Гора Горнозаводского района Пермского края), и там было найдено ещё два небольших кристалла. За 28 лет дальнейших поисков был найден только 131 алмаз общим весом в 60 карат.

Первый алмаз в Сибири был намыт также из шлиха неподалеку от города Енисейска в ноябре 1897 года на реке Мельничной. Размер алмаза составлял 2/3 карата. Из-за малого размера обнаруженного алмаза, и недостатка финансирования разведка алмазов не велась. Следующий алмаз был обнаружен в Сибири в 1948 году.

Поиск алмазов в России вёлся почти полтора века, и только в середине 50-х годов были открыты богатейшие коренные месторождения алмазов в Якутии. 21 августа 1954 года геолог Лариса Попугаева из геологической партии Натальи Николаевны Сарсадских открыла первую кимберлитовую трубку за пределами Южной Африки. Её название было символично — «Зарница». Следующей стала трубка «Мир», что тоже было символично после Великой Отечественной войны. Была открыта трубка «Удачная». Такие открытия послужили началом промышленной добычи алмазов на территории СССР. На данный момент львиная доля добываемых в России алмазов приходится на якутские горнообрабатывающие комбинаты. Кроме того, крупные месторождения алмазов находятся на территории Красновишерского района Пермского края, и в Архангельской области: месторождение им. Ломоносова на территории Приморского района и месторождение Верхотина (им. В.Гриба) на территории Мезенского района.

В сентябре 2012 года СМИ сообщили, что учёные рассекретили сведения о крупнейшем в мире месторождении импактных алмазов, расположенном на границе Красноярского края и Якутии. Как утверждает Николай Похиленко (директор Института геологии и минералогии Сибирского отделения (СО) РАН), это месторождение содержит триллионы карат.

6. Применение

6.1. Натуральные алмазы

Алмаз уже многие столетия является популярнейшим и дорогим драгоценным камнем. В то время как цена других драгоценных камней определяется модой и постоянно меняется, алмаз остаётся островком стабильности на бурном рынке драгоценностей. В значительной степени такое устойчивое положение алмаза обусловлено высокой монополизацией этого рынка. Фирма «Де Бирс», на долю которой приходится около 50 % мировой добычи, разрабатывает месторождения Ботсваны, ЮАР, Намибии и Танзании.

До 2000 года на рынке доминировала принадлежащая «Де Бирс» Центральная Сбытовая Организация (ЦСО), скупавшая по долгосрочным соглашениям алмазы как самой «Де Бирс», так и других их крупнейших производителей — России, Австралии, Заира, Анголы и контролировавшая тем самым до 80 % мировой добычи. В периоды превышения предложения над спросом ЦСО складировала «избыточные» алмазы в запасах, препятствуя тем самым снижению цен.

В 90-е годы XX века замедление потребления ювелирных украшений с бриллиантами, совпавшее с ростом добычи алмазов, привело к значительному росту запасов ЦСО. Не имея возможности финансировать постоянный рост запасов, ЦСО пошла на неоднократные снижения цен, что вызвало отказ от торговли с ней целого ряда алмазодобывающих фирм. В 1996 г. от долгосрочных соглашений с Де Бирс отказалась Австралия. В настоящее время торговлю с Де Бирс по долгосрочным соглашениям продолжает только Россия.

В 2000 г. Де Бирс объявила о переходе к новой рыночной стратегии, так называемого «предпочитаемого поставщика». Компания отказалась от регулирования рыночных цен на алмазы. Это ознаменовало конец фактически действовавшего картеля на мировом рынке алмазов. В настоящее время цены на природные необработанные алмазы формируются под влиянием рыночных сил, что привело к их колебаниям. Значительное падение цен на алмазы, на величину порядка 30-40 %, произошло в 2005—2006 г. из-за локального превышения предложения над спросом. Вместе с тем, мощности действующих месторождений, степень их выработки, и ожидаемый ввод в эксплуатацию новых рудников позволяют предположить, что в средне- и долгосрочной перспективе на мировом рынке будет наблюдаться устойчивое превышение спроса над предложением, что создает предпосылки для роста цен на алмазы.

Исключительная твёрдость алмаза находит своё применение в промышленности: его используют для изготовления ножей, свёрл, резцов и тому подобных изделий. Потребность в алмазе для промышленного применения вынуждает расширять производство искусственных алмазов. В последнее время проблема решается за счет кластерного и ионно-плазменного напыления алмазных пленок на режущие поверхности. Алмазный порошок (как отход при обработке природного алмаза, так и полученный искусственно) используется как абразив для изготовления режущих и точильных дисков, кругов и т. д.

Крайне перспективно развитие микроэлектроники на алмазных подложках. Уже есть готовые изделия, обладающие высокой термо- и радиационной стойкостью.

Однако подавляющая часть (по стоимости) природных алмазов используется для производства бриллиантов.

‎ 6.2. Синтетические алмазы

В настоящее время синтетические алмазы находят широкое применение в машиностроении. Обладая высокой твёрдостью и низкой температурой резания (царапание) при финишной обработке высокотвёрдых поверхностей деталей машин и инструмента он применяется при изготовлении шлифовальных кругов, алмазоабразивных брусков для суперфинишной обработки, хонинговальных алмазоабразивных брусков для хонингования отверстий с поверхностями высокой твёрдости и точности. Широкоеприменени находят алмазные микропорошки при изготовлении различных паст на основе вязких активированных связок в инструментальном производстве, в производстве оптикомеханических приборов, прецизионного оборудования, в авиационной промышленности, оружейном производстве и т.д.

Заключение

В данной работе были раскрыты свойства алмаза, его структура, атомная решетка, сингония, элементы симметрии, габитус, применение и месторождение.

Список литературы

1)  Википедия // Алмаз  [Электронный ресурс]. Дата обновления: 21.05.2013. — URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/%C0%EB%EC%E0%E7 (дата обращения: 31.05.2013).

2)  Викинаука // Алмаз  [Электронный ресурс]. Дата обновления: 21.05.2013. — URL: http://ru.science.wikia.com/wiki/%D0%90%D0%BB%D0%BC%D0%B0%D0%B7 (дата обращения: 31.05.2013).

3)  Каталог минералов // Алмаз  [Электронный ресурс]. Дата обновления: 12.12.2012. — URL: http://www.catalogmineralov.ru/mineral/almaz.html (дата обращения: 31.05.2013).

4)  Геовикипедия // Алмаз  [Электронный ресурс]. Дата обновления: 21.02.2012. — URL: http://wiki.web.ru/wiki/%D0%90%D0%BB%D0%BC%D0%B0%D0%B7 (дата обращения: 31.05.2013).

5)  Некоторые простые типы кристаллических структур  [Электронный ресурс]. Дата обновления: 05.06.2000. — URL: http://old.sinp.msu.ru/~np_chair/NP_Chair/crystal/crystal2.htm (дата обращения: 31.05.2013).

6)  Фролов В. В. Химия – М.: Высшая Школа, 1986. – 543 с. *104-105

7)  Бетехтин А. Г. Курс минералогии - М.: Государственное издательство геологической литературы, 1951. – 543 с.

Приложение

Шаростержневая модель атомной структуры алмаза.