проницаемых для воды и непроницаемых для неполярных веществ (на­ пример благородных газов, азота). При внедрении в окись графита н-спиртов и н-аминов слои могут раздвигаться до 40 А и более, и в этом окись графита очень похожа на слоистые алюмосиликаты (глины, натрие­ вый монтмориллонит и др.).

2.3. Использование графита

Указанные физические свойства и химическая стойкость графита по­ зволяют использовать его в различных областях человеческой деятельно­ сти - от приготовления красок и грифелей для карандашей (название «гра­ фит» произошло от греч. ураср© - писать) до сопел ракетных двигателей и замедлителей нейтронов в атомных реакторах. Графит является незамени­ мым материалом в металлургии для изготовления плавильных тиглей, труб, кристаллизаторов, чехлов для термопар и т.д.

Чрезвычайно высокая температура сублимации, отсутствие стадии плавления, значительное увеличение прочности при нагревании, высокая термопрочность при достаточно низкой плотности и хорошей обрабаты­ ваемости на обычных металлорежущих станках делают искусственные конструкционные графиты одними из наиболее распространенных высоко­ температурных материалов, подчас не имеющих конкурентов.

Графитовые материалы можно создавать различной плотности, с различной величиной поверхности, что расширяет возможности их при­ менения.

Промышленностью в большом ассортименте выпускаются графито­ вые электрощетки для электрических машин, электрические осветитель­ ные угли для прожекторов и съемок кинофильмов, элементные - для бата­ рей, изделия для электровакуумной техники и техники связи.

Вмашиностроении графит используется как антифрикционный мате­ риал для подшипников, колец трения, торцевых и поршневых уплотнений, подпятников и т.п.

Впоследнее время на основе графита созданы такие новые материа­

лы, как гибкий графит, пироуглерод, стеклоуглерод, углеродные ткани.

В химической промышленности особое место среди углеродных ма­ териалов занимает стеклоуглерод. Он сочетает в себе одновременно свой­ ства стекла и углеграфитового материала. Несмотря на низкую плотность (1,06-1,58), стеклоуглерод значительно прочнее обычных промышленных марок графита. Он характеризуется изотропностью структуры и свойств, монолитностью, очень малой преимущественно закрытой пористостью, что обусловливает его практически полную газонепроницаемость. СтеклоуглерсД обладает большой термической стойкостью, выдерживает много­

кратный быстрый нагрев и последующее быстрое охлаждение, не реагиру­ ет со многими химическими агрессивными жидкостями.

Благодаря высокой теплопроводности и инертности к химическим реагентам, графиты и графитопласты нашли широкое применение в хими­ ческом аппаратостроении для теплообменников, работающих в агрессив­ ных средах, нагревателей, конденсаторов, испарителей, холодильников, скрубберов, дистилляционных колонн, форсунок, сопел, кранов, деталей для насосов, фильтров.

Относительно слабая связь между слоями позволяет широко исполь­ зовать графит в качестве скользящих контактов для электрических машин, делает его удобным твердым смазочным материалом для нагретых частей установок и двигателей (однако при температурах порядка 2500 °С и выше графит в значительной мере теряет свои смазочные свойства). С химиче­ ской точки зрения графит достаточно инертен: заметное окисление на воз­ духе начинается лишь при температуре выше 500 °С и даже при воздейст­ вии такого агрессивного реагента, как фтор, при комнатной температуре и давлении 5 кбар в течение 19 дней не наблюдается никаких изменений.

Находят применение и соединения графита. Способность графита включать в себя ионы (атомы, молекулы) разнообразных веществ позволя­ ет в некоторых случаях существенно усилить его полезные свойства. Интеркаляция, как правило, приводит к существенному увеличению электро­ проводности. Так, проводимость C24ICI превышает проводимость золота при одинаковых условиях, что обусловлено ростом концентрации носите­ лей тока по сравнению с графитом при сохранении их высокой подвижно­ сти, связанной с двухмерным характером явления переноса. Перспективно использование интеркалатов графита в качестве электропроводников, осо­ бенно если учесть, что сейчас налажено изготовление углеродных волокон и ведутся работы по получению волоконных интеркалатов. Основной не­ достаток волоконных материалов - неустойчивость их работы во времени.

Еще одно перспективное направление - это использование графита в качестве электродов в различных батареях и аккумуляторах. Очевидно, ба­ тарея, основанная на фторе и литии, должна быть лучшей по всем показа­ телям, но, увы, создать обратимые электроды в этой системе напрямую не удается. Сейчас удалось создать батарейку с разностью потенциалов до 4,8 В, схема одной из них: Li / LiClO^nK / CXF, CxMFe (ПК - пропиленкарбонат). Японская фирма Sony создала аккумулятор, выдерживающий более 1000 циклов «заряд - полный разряд», основанный на идеализиро­ ванной реакции

-► Заряд

6С (графит) + LiCoC>2 = ЫСб + С0О2. <- Разряд

Кроме этого, появилась возможность применения интеркалатов гра­ фита в качестве смазочных материалов в химически агрессивных средах, в качестве хранителей агрессивных веществ (например,CIF3 в полифториддиуглероде).

3.АЛМАЗ

3.1.Структура алмаза

Алмаз, как и графит, по своему химическому составу представляет собой чистый углерод. Алмаз обладает кубической гранецентрированной решеткой с расстоянием между атомами 0,154 нм, постоянная решетки равна 0,356 нм (рис. 4).

Каждый атом углерода в алмазе связан с четырьмя ближайшими со­ седними атомами, расположенными в вершинах правильного тетраэдра. Такое расположение позволяет рас­ сматривать кристалл алмаза как од­ ну гигантскую молекулу, в которой все атомы соединены между собой одинаковыми по длине изоэнергетическими связями.

Характер связи в алмазе обу­ словливает сравнительно высокую плотность алмаза, которая составля­

ет 3,515 г/см3, изотропность свойств и чрезвычайно большую теплопро­ водность. Поверхностная энергия его составляет в среднем 7 Дж/м2, энергия связи между атомами равна 355,9 кДж/моль.

Хотя алмаз в чистом виде состоит из атомов углерода, реальные при­ родные кристаллы алмаза содержат примеси других веществ. При сжига­ нии таких образований количество золы не превышает 0,02-0,05 % от их массы.

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

3.2. Свойства алмаза

Алмазу с древнейших времен приписывались чудодейственные свой­ ства, поэтому его исследования сдерживались языческими и религиозными предрассудками. Летопись открытия свойств алмаза связана со многими

знаменитыми именами и начинается с 1694 года, когда придворные акаде­ мики Медичи (Аверани и Таржиони), раскалив драгоценные камни с по­ мощью лупы, обнаружили, что с рубином ничего не произошло, а алмаз исчез. 1704 год - Исаак Ньютон, проводя опыты по оптике, впервые выска­ зал верное предположение о структуре алмаза. 1772 год - Антуан Лоран Лавуазье создал прибор, состоящий из стеклянного колпака и линзы, и провел опыты по нагреву различных веществ в вакууме, в том числе и драгоценных камней, чтобы развеять мифы об их чудодейственных свойствах. Лавуазье доказал, что алмаз горит так же, как уголь и фосфор, и уравнял их в правах. 1797 год - Теннант сжег в золотом сосуде равные порции угля, графита и алмаза и во всех случаях получил одинаковые порции углекислого газа, тем самым доказав углеродную природу алмаза. 1814 год - Хемфри Деви и Майкл Фарадей в запаянным сосуде сожгли алмаз и вычислили количество углерода. В России исследованиями свойств алмаза занимался М. Ломоносов, он первым высказал предположение о плотной упаковке структуры алмаза. Дальнейшие подтверждения относительно строения алмаза и его свойств были получены после открытия в XX веке рентгеновских лучей.

Плотность алмаза около 3,52 г/см Это значение характерно для чистых хорошо обработанных кристаллов с правильной структурой. У мелкозернистых агрегатов, часто содержащих включения графита и обла­ дающих менее компактной структурой, плотность существенно ниже и у отдельных разновидностей составляет до 3,0 г/см3

Оптические свойства. Алмаз не только сильно преломляет и отража­ ет световые лучи, но и обладает еще одним весьма важным оптическим свойством - различными показателями преломления лучей разного цвета. Так, если для лучей красного света показатель преломления составляет 2,402, то для фиолетовых лучей он достигает 2,465.

Разность показателей светопреломления фиолетовых и красных лучей (так называемая дисперсия) у алмаза в 5 раз больше, чем у горного хруста­ ля, и в 2 раза превышает соответствующую характеристику лучших сортов стекол. Благодаря высокой дисперсии алмазы разлагают белый свет на со­ ставляющие его цвета радуги. По этой причине один и тот же камень ка­ жется окрашенным в различные цвета в зависимости от положения источ­ ника света и наблюдателя.

При исследовании алмазов в поляризованном свете иногда обнаружи­ вается оптическая аномалия - несвойственное кристаллам правильной сис­ темы двойное лучепреломление, которое объясняется внутренними упру­ гими напряжениями, связанными с неоднородностями внутреннего строе­ ния кристаллов.

Люминесценцией называется способность некоторых природных и синтетических веществ светиться под действием рентгеновского, ультра­ фиолетового и катодного излучений, что принято обозначать специальны­ ми терминами: рентгенолюминесценция, фотолюминесценция, катодолю­ минесценция.

Большинство алмазов обладает всеми тремя видами люминесценции. Некоторые кристаллы светятся голубым, другие - зеленым, желтым или розовым светом. Темноокрашенные и ожелезненные кристаллы, а также их разновидности не люминесцируют.

Наиболее изучены рентгено- и фотолюминесценция алмаза, которые используются при проведении геолого-поисковых работ. Одни исследова­ тели связывают люминесценцию с присутствием посторонних примесей, другие указывают на причинную связь этого явления с особенностями кристаллической решетки минерала.

Чистые кристаллы при световом и рентгеновском излучении прозрач­ ны, что позволяет легко определять алмазы среди сходных по внешнему облику минералов, а также отличать бриллианты от всевозможных подде­ лок. А вот ультрафиолетовое излучение многие алмазы совершенно не пропускают.

Твердость - весьма важное свойство алмаза, определяющее его ис­ ключительно большую роль в производственной деятельности человека. Под твердостью обычно подразумевается сопротивление одного тела про­ никновению в него другого. Для качественного определения относитель­ ной твердости минералов широко используется так называемая шкала твердости (шкала Мооса), предложенная в начале XIX в. Шкала включает десять минералов-эталонов, расположенных в порядке возрастания твердо­ сти (порядковые номера эталонов принимаются в качестве баллов твердо­ сти):

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

Несмотря на исключительно высокую твердость, алмаз обладает свой­ ством раскалываться от достаточно сильных и резких механических воз­ действий, ударов. При этом независимо от внешней формы алмазов они, как правило, раскалываются по плоскостям, параллельным граням октаэд­ ра. Способность кристаллов колоться по поверхностям, параллельным их граням, называется спайностью. Поскольку октаэдр имеет восемь попарно параллельных граней, следовательно, спайность алмаза параллельна четы­ рем плоскостям.

Теплопроводность алмаза. Алмаз является хорошим проводником тепла. Теплопроводность алмаза в интервале температур 20-1200 К выше теплопроводности меди. Теплопроводность алмаза уменьшается при облу­ чении частицами высоких энергий и частично восстанавливается при по­ следующем высокотемпературном отжиге облученных кристаллов.

Полупроводниковые свойства. Некоторые алмазы обладают полу­ проводниковыми свойствами и относятся к полупроводникам /7-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 пре­ делах 250-750 Ом-см.

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

Сцинтилляция - возникновение световых вспышек и импульса элек­ трического тока при попадании в кристалл быстро заряженных частиц. Сцинтилляция в алмазах настолько интенсивна, что любой источник ядерного излучения с энергией даже в несколько тысяч электронвольт надежно регистрируется при использовании обычных фотоэлектронных умножите­ лей. Какой-либо связи между сцинтилляционной способностью и другими свойствами алмаза не установлено.

Химические свойства алмаза. Алмаз - вещество чрезвычайно хими­ чески инертное. Даже при высоких температурах на его кристаллы не дей­ ствует ни одна из известных кислот. Алмаз устойчив на воздухе: кристал­ лы при температуре до 600-700 °С, дисперсные микропорошки - до 450500 °С. При более высоких температурах он окисляется кислородом возду­ ха, СО2, N0, водяным паром (табл. 1) и другими окислителями. Наиболее

Диаметр кимберлитовых трубок может быть от нескольких метров до 1,5 км, глубина трубки может достигать 3 км.

До глубины 300 м трубка разрабатывается карьерным методом, затем по специальной горной технологии. Кимберлитовые трубки на 100 т руды могут содержать лишь 25 карат (5 г) алмазов, из которых только 5 карат могут иметь качества бриллианта. На побережье Намибии алмазы добыва­ ются открытым способом. Здесь на каждые 150 т переработанной породы приходится всего 5 карат алмазов, но все алмазы имеют качества брилли­ анта.

В общем технология добычи алмазов выглядит следующим образом. Руда измельчается, тяжелые алмазы отделяются и помещаются на транс­ портерную ленту, покрытую специальным жировым составом. Сильным напором воды порода смывается, а алмазы прилипают к поверхности лен­ ты. Другой метод сепарирования - облучение породы с алмазами рентге­ новскими лучами. Алмазы начинают сверкать и направляются в отдельный контейнер. «Сырые» алмазы сначала сортируются на алмазы для произ­ водства бриллиантов и на промышленные алмазы. Затем алмазы для про­ изводства бриллиантов классифицируются по размерности, очертаниям, цвету, степени и положению трещин.

Кимберлит - сложная гибридная порода, в которой присутствуют минералы, образовавшиеся в различных термодинамических условиях. С кимберлитом связаны первичные (коренные) месторождения алмаза - ал­ мазоносные кимберлитовые трубки. За счет их разрушения и размыва (вы­ ветривания) образуются вторичные (россыпные) месторождения. Алмазо­ носные россыпи - это песчаные речные или прибрежно-морские отложе­ ния, в которых алмазы сохраняются и накапливаются благодаря своей ме­ ханической и химической стойкости, тогда как другие минералы, слагаю­ щие кимберлиты, разрушаются (дробятся и растворяются).

Наибольший практический и научный интерес вызывают находки в кимберлитах алмазоносных ксенолитов - обломков глубинных пород, в которых алмаз является породообразующим минералом. В ксенолитах ал­ мазы имеют разные размеры и форму. Это могут быть октаэдры, додекаэд­ ры, сложно ограненные многогранники, кубы (рис. 7).

На основании полученных экспериментальных данных и проведенных исследований глубинных ксенолитов были предложены различные модели формирования алмазоносных кимберлитов. Все они основаны на допуще­ нии существования глубинного магматического очага, из которого ким­ берлитовая порода доставляется к поверхности в смеси с газами и жидко­ стями (флюидами). Современные модели учитывают не только температу­ ру и давление, но и такие важные факторы, как присутствие в системе во­ ды, углекислоты, а также изменение летучести (фугитивности) кислорода, т.е. окислительно-восстановительный потенциал системы. Это важно для