Материал: Betekhtin
Описательная часть
186
Рис. 83.
Расположение центров
атомов в слоях структуры графита.
Каждый следующий слой как бы
сдвинут на расстояние в половину
диаметра шестерных колец
Атомы углерода в кристаллической структуре алмаза находятся в состо
янии
sp
3
гибридизации валентных электронов, они соединены друг
с
другом исключительно ковалентными жесткими связями по направлени
ям, соединяющим центр тетраэдра с его вершинами. Связывающие элект
ронные пары находятся в серединах отрезков, соединяющих центры бли
жайших атомов углерода и прочно локализованы, энергетический зазор
между состоянием этих электронов и уровнем электронов проводимости
составляет очень большую величину — 3,6 ЭВ. Поэтому алмаз является ти
пичным диэлектриком, что обусловливает ряд таких специфических свойств,
как бесцветность и прозрачность, низкая электропроводность, необычайно
высокая твердость, весьма высокая устойчивость при широких колебаниях
температуры и давления (в частности, при нагреве до температуры 2500 °С в
отсутствие кислорода не обнаруживает никаких изменений), очень высокая
устойчивость по отношению к кислотам и щелочам и др.
Структура
графита
весьма суще
ственно отличается от структуры алмаза.
Ионы углерода в графите лежат слоями,
представленными плоскими гексагональ
ными сетками (рис. 83). Каждый ион в
плоской сетке окружен тремя соседними
ионами на расстоянии 1,42 A
° (в алмазе
1,54 A
°), расстояние же между плоскими
сетками — 3,40 A
° (больше чем в два раза).
Состояние атомов углерода в графите та
ково (
sp
2
гибридизация), что каждый из
них способен образовать лишь три кова
лентные
σ
связи. Третий электрон каждо
го атома участвует в
р
связи, электрон
ные облака которой в виде сообщающихся каналов сосредоточены по обе
стороны от слоя, содержащего центры атомов углерода. Электроны в этих
каналах делокализованы и могут передвигаться вдоль плоскости слоя,
обеспечивая проводимость металлического типа.
Рис. 82.
Разные способы изображения тетраэдрического расположения атомов.
Расстояния от центров атомов на всех трех фигурах одинаковы
а
б
в
Раздел I. Самородные элементы и интерметаллические соединения
187
Отсюда становится понятным ряд свойств графита: его значительно
меньший удельный вес по сравнению с алмазом, чрезвычайно легкая рас
щепляемость на тонкие чешуйки и резко выраженная оптическая ани
зотропия. Налицо также анизотропия твердости, которую удается уста
новить при очень точных тонких исследованиях (перпендикулярно
плоскости спайности 5,5 по Моосу, но в то же время благодаря очень
слабому сцеплению слоев графит настолько мягок, что мажет бумагу и
пальцы). Этим же объясняется неоднородность поглощения света, чем
и обусловлен серый цвет минерала. Таким образом, тип связи атомов
в графите в отличие от алмаза в какойто мере носит металлический
характер, т. е. в связях участвуют также «металлические» электроны.
С этим вполне увязываются такие свойства, как полуметаллический
блеск, высокая электропроводность и др. Но по химической и термиче
ской стойкости графит все же близок к алмазу.
Если мы структуру алмаза изобразим в таком виде, как это показано
на рис. 84
а
, т. е. вдоль тройной оси (ср. номера атомов на рис. 81
а
), то в
горизонтальных плоских сетках также заметим гексагональные кольца
(атомы 6, 11, 8, 9, 7 и 10), с той лишь разницей, что эти сетки не совсем
плоские: три атома располагаются несколько выше по сравнению с дру
гими тремя. Этим и объясняется, почему в кристаллах алмаза спайность
средняя по {111}, тогда как в графите —
по {0001} совершенная.
АЛМАЗ
— С. Название происходит от
греч.
адамас
— непреодолимый (очевид
но, имелись в виду его наивысшая твер
дость и устойчивость по отношению
к физическим и химическим агентам).
Разновидности: 1)
борт
— неправиль
ной формы сростки и шаровидные лучис
тые агрегаты; 2)
карбонадо
— тонкозер
нистые пористые агрегаты, окрашенные
аморфным графитом и посторонними
примесями в буроваточерный цвет.
Химический состав.
Бесцветные раз
новидности состоят из чистого углерода,
достаточно распространены примеси азо
та и реже бора, приводящие к появлению
желтого и розового оттенков соответ
ственно. Густоокрашенные же и непроз
рачные разновидности в несгораемом ос
татке, достигающем иногда нескольких
процентов, обнаруживают SiO
2
, MgO,
CaO, FeO, Fe
2
O
3
, Al
2
O
3
, TiO
2
и
др. В виде
Рис. 84.
Расположение центров
атомов в алмазе (
а
) при горизон
тальном расположении плоских
сеток (111) и в графите (
б
)
а
б
Описательная часть
188
включений в алмазах нередко на
блюдается графит и некоторые дру
гие минералы.
Сингония
кубическая; гексатет
раэдрический в. с. 3
L
2
4
4
L
3
6
P
. Пр. гр.
Fd
3
m
(
O
7
h
).
a
0
= 3,559.
Облик кристаллов
октаэдриче
ский (рис. 85), иногда с треугольны
ми скульптурами антискелетного
роста на гранях, менее обычен доде
каэдрический; редко кубический и
изредка тетраэдрический. Харак
терные формы: {111}, {100} и {110}.
Нередко устанавливаются криво
гранные кристаллы (рис. 86), так на
зываемые «додекадроиды» и «окта
эдроиды». Наблюдаются двойники
срастания по (111), реже по (100).
Размеры отдельных кристаллов ва
рьируют от мельчайших до очень
крупных, весящих несколько сот и даже тысяч каратов (метрический ка
рат равен 0,2
г
). Крупнейшие кристаллы весили (в каратах): «Куллинан» —
3025, «Эксцельзиор» — 969,5, «Виктория» — 457, «Орлов» — 199,6 и др.
Цвет.
Бесцветный водянопрозрачный или окрашенный в голубой,
синий, желтый, розовый, бурый и черный цвета.
Блеск
сильный алмаз
ный. Показатель преломления
N
= 2,40–2,48.
Твердость
10. Абсолютная твердость в 1000 раз превышает твердость
кварца и в 150 раз — корунда. Хрупок.
Спайность
средняя по {111}.
Уд.
вес
3,47–3,56. Электропроводность слабая, полупроводникового типа,
а у беспримесных разностей вовсе отсутствует.
Диагностические признаки.
Алмаз является единственным минера
лом столь исключительной твердости. Характерны также сильный алмаз
ный блеск и часто кривоплоскостные грани кристаллов. Мелкие зерна в
шлихах легко узнаются по люминесценции, резко проявляющейся в уль
трафиолетовых лучах. Цвета люминесценции обычно голубоватосиние,
иногда зеленые.
Происхождение и месторождения.
Коренные месторождения гене
тически связаны с ультраосновными глубинными изверженными поро
дами повышенной щелочности: кимберлитами, лампроитами и отчасти
с перидотитами, и др.
В этих породах кристаллизация алмаза происходит, очевидно, в верхней
мантии, на больших глубинах в условиях высоких температур и давления, в
восстановительной обстановке, при высоких давлениях углеводородного по
Рис. 86.
Кривогранные кристаллы алмаза
(по А. Е. Ферсману)
Рис. 85.
Кристаллы алмаза октаэдриче
ского облика
Раздел I. Самородные элементы и интерметаллические соединения
189
составу флюида. Кимберлиты, по всей вероятности, служат лишь «средством
доставки» алмазов из области их стабильной генерации к поверхности Зем
ли. Необходимо отметить, что подъем материала из области стабильности
алмаза к поверхности должен быть быстрым настолько, чтобы алмаз не ус
пел графитизироваться, а остался бы в метастабильном состоянии.
Опыт синтеза алмазов указывает, что их образование может происхо
дить и вне области стабильности (метастабильное зарождение и рост), в
том числе и из флюидной (газовой) фазы. Это указывает на возможность
роста кристаллов алмаза в кимберлитах в период извержения.
В ассоциациях с алмазом наблюдались: графит, оливин (Mg,Fe)
2
[SiO
4
],
хромшпинелиды (Fe,Mg)(Cr,Al,Fe)
2
O
4
, ильменит (FeTiO
3
), пироп (крас
ный магнезиальный гранат), магнетит (FeFe
2
O
4
), гематит (Fе
2
О
3
) и др.
Крупнейшие месторождения алмазов известны в ряде районов Юж
ной Африки по р. Вааль, в ЮгоЗападном Трансваале и на югозападном
берегу Африки. Они представлены алмазоносными полуразложенными
кимберлитами, заполняющими вместе с обломочными породами гигант
ские по размерам, вертикально уходящие вниз на несколько километров
трубчатые полости (диатремы) с эллиптическим или неправильной фор
мы сечением. Образование этих диатрем связывают с грандиозными
взрывными процессами, происходившими на больших глубинах. В неко
торых месторождениях добыча алмаза в настоящее время происходит с
глубины свыше километра (Кимберли). Добытая руда («синяя земля»)
дробится и промывается на специальных обогатительных фабриках. Со
держание алмаза в породе составляет 0,000 052 % (по весу). Отсюда про
исходят самые крупные алмазы в мире («Куллинан», «Эксцельзиор» и
др.). Кроме коренных месторождений, в ЮгоЗападной Африке широко
распространены также богатые россыпи в системах рр.
Вааль
и
Оранже'
вой
. Большая добыча алмазов производится также в Конго. С открытием
лампроитовых
1
трубок в районах
Аргайл
и
Эллендэйл
в СевероЗападной
Австралии эта страна вышла на одно из первых мест по добыче алмазов.
В 50–60е гг. XX в. в северной части Якутии были открыты довольно
многочисленные диатремы, выполненные подобными южноафриканским,
но более свежими алмазоносными кимберлитами. Отдельные трубки по
лучили специальные названия: «Мир», «Зарница» и др. Добыча алмазов в
Якутии с тех пор существенно выросла и продолжается полным ходом.
Обнаружены алмазоносные кимберлиты и в
Архангельской
области.
Россыпные месторождения алмаза, устойчивого в экзогенных услови
ях, образуются за счет разрушения и размыва алмазоносных пород. Они
известны в Южной Африке, Бразилии (
Диамантина
, штат Минас
1
Лампроит — высококалиевая разновидность кимберлита, сложенная флогопитом
и клинопироксеном.
Описательная часть
190
Жерайс), Индии (
Голконда
), где ведется добыча с древнейших времен и от
куда происходят крупные алмазы «Орлов», «Коинур», и в других местах.
Практическое значение.
Совершенно прозрачные алмазы после огра
нения применяются в ювелирном деле как драгоценные камни (бриллиан
ты). Для технических целей употребляются мелкие алмазы, а также борт и
карбонадо. Главным образом они используются в металлообрабатывающей,
камнеобрабатывающей, абразивной и прочих отраслях промышленности.
ГРАФИТ
— С. Название происходит от греч.
графо
— пишу. Разно
видности:
графитит
— скрытокристаллическая разность,
шунгит
—
аморфная, богатая примесями разность, образовавшаяся, повидимому, в
результате природного коксования углей.
Химический состав
графита редко отличается чистотой. В значитель
ных количествах (до 10–20 %) в нем часто присутствует зола, состоящая
из различных компонентов (SiO
2
, Al
2
O
3
, FeO, MgO, CaO, P
2
O
5
, CuO и др.),
иногда вода, битумы и газы (до 2 %).
Сингония
гексагональная; дигексагональнодипирамидальный в. с.
L
6
6
L
2
7
PC
. Пр.гр.
P
6
3
/ттс
(
D
4
6
h
).
а
0
= 2,47;
с
0
= 6,79.
Облик кристаллов.
Хо
рошо образованные кристаллы встречаются крайне редко. Они имеют вид
шестиугольных пластинок или
табличек (рис. 87), иногда с тре
угольными штрихами на грани
(0001). Характерные формы:
{0001}, иногда {101
–
1}, {112
–
2} и др.
Агрегаты
часто тонкочешуйча
тые. Реже распространены шес
товатые или волокнистые массы.
Цвет
графита железночерный до стальносерого.
Черта
черная блес
тящая.
Блеск
сильный металловидный; скрытокристаллические агрега
ты матовые. Оптически отрицателен. Показатель преломления
Nm —
1,93–2,07. В тончайших листочках просвечивает серым цветом.
Твердость
1. В тонких листочках гибок. Жирен на ощупь. Мажет бумагу
и пальцы.
Спайность
совершенная по {0001}.
Уд. вес
2,09–2,23 (изменяется
в зависимости от степени дисперсности и наличия тончайших пор), у шун
гита 1,84–1,98.
Прочие свойства.
Обладает высокой электропроводностью.
Диагностические признаки.
Легко узнается по цвету, низкой твердости
и жирности на ощупь. От сходного с ним молибденита (MoS
2
) отличается
более темным железночерным цветом, более слабым блеском, меньшим
удельным весом (всплывает в бромоформе) и высокой электропроводнос
тью (молибденит плохо проводит электричество). Черта графита на бумаге
при растирании не меняет цвета. Если коснуться цинковой палочкой графи
та через каплю CuSO
4
, на нем быстро выделяется пленка металлической меди.
П. п. тр. не плавится. При накаливании в струе кислорода сгорает труднее,
нежели алмаз. Улетучивается, не плавясь, лишь в пламени вольтовой дуги. В кис
лотах не растворяется. Порошок в смеси с KNO
3
при нагревании дает вспышку.
Рис. 87.
Кристаллы графита