Uvod
1.1.splošne značilnosti diamant
1.2. Splošne značilnosti grafita
2. Industrijske vrste nahajališč granita in diamantov
3. Naravne in tehnološke vrste diamantnih in grafitnih rud
4. Razvoj nahajališč granita in diamantov
5. Aplikacije granita in diamanta
Zaključek
Bibliografija.
Uvod
Diamantna industrija naše države je v fazi razvoja, uvedbe novih tehnologij za predelavo mineralov.
Najdena nahajališča diamantov se razkrijejo šele z erozijskimi procesi. Za raziskovalca to pomeni, da obstaja veliko »slepih« usedlin, ki ne dosežejo površja. Njihovo prisotnost je mogoče prepoznati po zaznanih lokalnih magnetnih anomalijah, katerih zgornji rob se nahaja na globini več sto, po sreči pa tudi več deset metrov. (A. Portnov).
Na podlagi zgoraj navedenega lahko ocenim možnosti za razvoj diamantne industrije. Zato sem izbral temo - "Diamanti in grafit: lastnosti, izvor in pomen."
Pri svojem delu sem poskušal analizirati povezavo med grafitom in diamantom. Da bi to naredil, sem te snovi primerjal z več zornih kotov. Pregledal sem splošne značilnosti teh mineralov, industrijske vrste njihovih nahajališč, naravne in tehnične vrste, razvoj nahajališč, področja uporabe in pomen teh mineralov.
Kljub dejstvu, da sta grafit in diamant po svojih lastnostih polarna, sta polimorfni modifikaciji istega kemičnega elementa - ogljika. Polimorfi ali polimorfi so snovi, ki imajo enako kemijsko sestavo, vendar različno kristalno strukturo. Z začetkom sinteze umetni diamanti Zanimanje za študij in iskanje polimorfnih modifikacij ogljika se je močno povečalo. Trenutno se lahko poleg diamanta in grafita štejeta za zanesljivo ugotovljena lonsdaleit in kaotit. Prvi je bil v vseh primerih najden le v tesnem zrastku z diamantom in se zato imenuje tudi šesterokotni diamant, drugi pa je v obliki plošč, ki se izmenjujejo z grafitom, vendar se nahajajo pravokotno na njegovo ravnino.
1. Polimorfne modifikacije ogljika: diamant in grafit
Edini mineralotvorni element diamanta in grafita je ogljik. Ogljik (C) je kemični element skupine IV periodnega sistema kemičnih elementov D. I. Mendelejeva, atomsko število - 6, relativna atomska masa - 12.011 (1). Ogljik je stabilen v kislinah in alkalijah in se oksidira samo s kalijevim ali natrijevim dikromatom, železovim kloridom ali aluminijem. Ogljik ima dva stabilna izotopa C (99,89 %) in C (0,11 %). Podatki o izotopski sestavi ogljika kažejo, da prihaja iz različnih izvorov: biogenega, nebiogenega in meteoritskega. Raznolikost ogljikovih spojin, razložena s sposobnostjo njegovih atomov, da se kombinirajo med seboj in atomi drugih elementov različne poti, določa poseben položaj ogljika med drugimi elementi.
1.1 Splošne značilnosti diamanta
Beseda "diamant" takoj prikliče v misli skrivnostne zgodbe o lovu na zaklad. Nekoč ljudje, ki so lovili diamante, niso vedeli, da je predmet njihove strasti kristalni ogljik, ki tvori saje, saje in premog. To je prvi dokazal Lavoisier. Eksperimentiral je z žganjem diamantov z uporabo zažigalnega stroja, sestavljenega posebej za ta namen. Izkazalo se je, da diamant gori na zraku pri temperaturi okoli 850-1000*C in ne pušča trdnih ostankov, kot navaden premog, v toku čistega kisika pa gori pri temperaturi 720-800*C. Pri segrevanju na 2000-3000*C brez dostopa kisika se spremeni v grafit (to je razloženo z dejstvom, da so homeopolarne vezi med ogljikovimi atomi v diamantu zelo močne, kar povzroča zelo visoko tališče.
Diamant - brezbarven, prozoren kristalna snov, ki izjemno močno lomi svetlobne žarke.
Ogljikovi atomi v diamantu so v stanju sp3 hibridizacije. V vzbujenem stanju se valenčni elektroni v atomih ogljika sparijo in nastanejo štirje nesparjeni elektroni.
Vsak atom ogljika v diamantu je obdan s štirimi atomi, ki se nahajajo stran od središča na ogliščih tetraedra.
Razdalja med atomi v tetraedrih je 0,154 nm.
Moč vseh povezav je enaka.
Celoten kristal je en sam tridimenzionalni okvir.
Pri 20*C je gostota diamanta 3,1515 g/cm. To pojasnjuje njegovo izjemno trdoto, ki se spreminja vzdolž robov in pada v zaporedju: oktaeder - rombični dodekaeder - kocka. Hkrati ima diamant popolno cepljivost (vzdolž oktaedra), njegova upogibna in tlačna trdnost pa je nižja kot pri drugih materialih, zato je diamant krhek, razpade ob ostrem udarcu in se ob zdrobitvi razmeroma zlahka spremeni v prah. . Diamant ima največjo trdoto. Kombinacija teh dveh lastnosti omogoča, da se uporablja za abrazivna in druga orodja, ki delujejo pod znatnim specifičnim pritiskom.
Indeks loma (2,42) in disperzija (0,063) diamanta močno presegata vrednosti drugih prozornih mineralov, kar skupaj z največjo trdoto določa njegovo kakovost kot dragega kamna.
V diamantih najdemo primesi dušika, kisika, natrija, magnezija, aluminija, silicija, železa, bakra in drugih, običajno v tisočinkah odstotka.
Diamant je izjemno odporen na kisline in alkalije, se ne zmoči z vodo, ima pa sposobnost oprijema nekaterih maščobnih mešanic.
Diamanti se v naravi nahajajo tako v obliki natančno definiranih posameznih kristalov kot v obliki polikristalnih agregatov. Pravilno oblikovani kristali izgledajo kot poliedri z ravnimi ploskvami: oktaeder, rombični dodekaeder, kocka in kombinacije teh oblik. Zelo pogosto obstajajo številne stopnje rasti in raztapljanja na ploskvah diamantov; če niso vidni očesu, so robovi videti ukrivljeni, sferični, v obliki oktaedroida, heksaedroida, kvadra in njihovih kombinacij. Različne oblike kristalov so posledica njihove notranje strukture, prisotnosti in narave porazdelitve napak ter fizikalno-kemijske interakcije z okoljem, ki obdaja kristal.
Med polikristalnimi tvorbami izstopajo ballas, carbonado in board.
Ballas so sferolitne tvorbe z radialno strukturo. Carbonado - kriptokristalni agregati z velikostjo posameznih kristalov 0,5-50 mikronov. Kroglica je prozorno zrnat agregat. Ballas in še posebej carbonado imata največjo trdoto med vsemi vrstami diamantov.
Slika 1 Struktura diamantne kristalne mreže.
Sl.2 Struktura diamantne kristalne mreže.
1.2 Splošne značilnosti grafita
Grafit je sivo-črna kristalinična snov s kovinskim sijajem, mastna na dotik in je po trdoti slabša celo od papirja.
Struktura grafita je plastna, znotraj plasti so atomi povezani z mešanimi ionsko-kovalentnimi vezmi, med plastmi pa v bistvu s kovinskimi vezmi.
Ogljikovi atomi v kristalih grafita so v sp2 hibridizaciji. Koti med smerema vezi so enaki 120*. Rezultat je mreža, sestavljena iz pravilnih šesterokotnikov.
Pri segrevanju brez dostopa zraka se grafit ne spremeni do 3700 * C. Pri določeni temperaturi se izloči brez taljenja.
Grafitni kristali so običajno tanke plošče.
Grafit zaradi svoje nizke trdote in zelo popolne cepljivosti zlahka pusti sled na papirju, ki je masten na dotik. Te lastnosti grafita so posledica šibkih vezi med atomskimi plastmi. Za lastnosti trdnosti teh vezi je značilna nizka specifična toplota grafita in njegovo visoko tališče. Zaradi tega ima grafit izjemno visoko požarno odpornost. Poleg tega dobro prevaja elektriko in toploto ter je odporen na številne kisline in drugo kemični reagenti, se zlahka meša z drugimi snovmi, ima nizek koeficient trenja, visoko mazljivost in pokrivnost. Vse to je vodilo do edinstvene kombinacije pomembnih lastnosti v enem mineralu. Zato se grafit pogosto uporablja v industriji.
Vsebnost ogljika v mineralnem agregatu in struktura grafita sta glavni lastnosti, ki določata kakovost. Grafit pogosto imenujemo material, ki praviloma ni samo monokristalen, ampak tudi monomineral. Predvsem pomenijo agregatne oblike grafitne snovi, grafit in grafit vsebujoče kamnine ter produkte obogatitve. Poleg grafita vedno vsebujejo primesi (silikate, kremen, pirit itd.). Lastnosti takšnih grafitnih materialov niso odvisne samo od vsebnosti grafitnega ogljika, ampak tudi od velikosti, oblike in medsebojnih razmerij grafitnih kristalov, t.j. na teksturne in strukturne značilnosti uporabljenega materiala. Zato je za oceno lastnosti grafitnih materialov potrebno upoštevati tako značilnosti kristalne strukture grafita kot teksturne in strukturne značilnosti njihovih drugih komponent.
Slika 3. Zgradba kristalne mreže grafita.
Slika 4. Grafitni fenokristali v kalcitu.
2. Industrijske vrste nahajališč diamantov in grafita
Diamantna nahajališča delimo na aluvialna in primarna, med katerimi obstajajo tipi in podtipi, ki se razlikujejo po pogojih pojavljanja, oblikah rudnih teles, koncentracijah, kakovosti in zalogah diamantov, pogojih rudarjenja in obogatitve.
Glavna tarča izkoriščanja so primarna nahajališča diamantov tipa kimberlit po vsem svetu. Iz njih se pridobi približno 80% naravnih diamantov. Glede na zaloge in velikost diamantov jih delimo na unikatne, velike, srednje in majhne. Zgornji horizonti edinstvenih in velikih nahajališč, izpostavljenih površini, se rudarijo z največjo donosnostjo. Vsebujejo glavne zaloge in predvidene vire diamantov posameznih diamantnonosnih kimberlitnih polj. Kimberliti so "vulkanski žarki", napolnjeni z brečami. Breča je sestavljena iz drobcev in ksenolitov, ki obdajajo in so odloženi na vrh kamnin, iz drobcev kamnin, ki jih prenašajo iz globin 45-90 km ali več. Cement je vulkanski material, tufi alkalno-ultrobazične sestave, tako imenovani kimberliti in lamproiti. Kimberlitne cevi se nahajajo na ploščadih, lamproitne cevi pa v njihovem zloženem okvirju. Čas nastanka cevi je različen - od arheja do kenozoika, starost diamantov, tudi najmlajših med njimi, pa je približno 2-3 milijarde let. Nastanek cevi je povezan s prebojem alkalno-ultrobazičnih talin navzgor skozi ozke kanale pod visokim pritiskom, v globino nad 80 km, pri temperaturi okoli 1000*. Večina dobro raziskanih kimberlitnih teles ima kompleksno zgradbo; v najbolj poenostavljenem primeru struktura cevi vključuje dve glavni vrsti kamnin, ki sta nastali med dvema zaporednima fazama vdora: breča (1. stopnja) in masivni "grobi porfir" kimberlit (2. stopnja). V strukturi nekaterih kimberlitnih cevi so bili identificirani tudi kimberlitni nasipi in s cevmi povezane žile. Odkrita so bila slepa telesa, ki so nastala iz delov kimberlitne magme, ki niso dosegli površja. Nahajališča, povezana z nasipi in kimberlitnimi žilami, praviloma spadajo v kategorijo majhnih, manj pogosto srednje velikih zalog diamantov.V mnogih primerih je preboj navzgor dosegel paleopovršje, vendar so lahko številne eksplozijske cevi "slepe" in še niso bile izpostavljene eroziji, t .e. ležati nekje globoko. So pa tudi mesta na površju Zemlje, kjer nastajajo pritiski, ki so povsem zadostni za nastanek diamantov. To so mesta padca meteorita, kjer se diamant nahaja ne samo v Zemlji, ampak tudi v številnih samih meteoritih.
Hitrost gibanja izbruhajoče magme bi lahko bila verjetno zelo visoka, okoli 800 km/h, magma se je odtrgala in odnesla naplavine drugačna sestava. Če so vsebovale diamante, je pipa postala diamantna. Sami diamanti so najstabilnejša polimorfna modifikacija ogljika v globokih conah Zemlje. (A.V. Uhanov.)
riž. 5. Zgradba kimberlitne cevi.
Diamantna nahajališča lamproita so bila odkrita relativno nedavno (1976) v Zahodni Avstraliji, kjer se izkorišča veliko nahajališče Argyle. Po strukturi so nahajališča lamproita na splošno podobna nahajališčem kimberlita. Sodeč po raziskovalnih podatkih nahajališča Argyle, se cevi lamproita nekoliko hitreje uščipnejo v globino, kjer postanejo nasipi. Sistem rudarjenja za ta nahajališča in tehnologija bogatenja sta enaka kot na nahajališčih kimberlita.
Vrsta kimberlit-lamproita je predstavljena z nahajališčem diamantov v regiji Arkhangelsk, kjer je vsebnost indikatorskih mineralov bistveno nižja kot v "klasičnih" kimberlitih, velika večina diamantov je ukrivljenih oblik.
Obročaste udarne strukture v velikosti od nekaj do več sto kilometrov so povezane s super-močnimi eksplozivnimi procesi, katerih vir je bil po mnenju različnih raziskovalcev nezemeljski (padci velikih nebesnih teles) ali endogeni. Eno nahajališče te vrste je bilo raziskano v Rusiji - Popigaiskoye na vzhodnem pobočju kristalnega masiva Anabar. Po zalogah rude in vsebnosti diamantov je nahajališče več stokrat večje od največjega v kimberlitih. Vendar pa so diamanti v udarnih nahajališčih zaprti v močnih, gostih, efuzivnih kamninah in so predstavljeni izključno v tehničnih razredih s primesjo lonsdaleita (polimorfna modifikacija ogljika, ki se nahaja v obliki plošč, ki se izmenjujejo z grafitom, vendar se nahajajo pravokotno na njegovo ravnino). ).
Metamorfogeni tip je zaenkrat predstavljen tudi z enim nahajališčem na ozemlju Kazahstana, kjer so diamanti najdeni v biotitnih gnajsih, biotit-kremenovih, granat-piroksenskih in piroksen-karbonatnih kamninah. Po zalogah in vsebnosti diamantov je več desetkrat večji od največjih visoko diamantnonosnih kimberlitnih cevi. Diamanti imajo izjemno majhne velikosti kristalov, nakita in visokokakovostnih tehničnih razredov pa še niso odkrili.
Nahajališča diamantov Placer so predstavljena s petimi glavnimi vrstami.
Aluvialni posipi (rečne doline) so vodilni glede na obseg rudarjenja diamantov iz posipov. Velika nahajališča so redka in običajno nastanejo zaradi erozije več primarnih virov ali vmesnih površinskih rezervoarjev. Aluvialni nasipi imajo dvočlensko strukturo: zgornji poplavni facies aluvija predstavljajo zelo šibko diamantni prodno-peščeno-glinasti in meljevi nanosi (»šota«), spodnji facies korita je sestavljen iz produktivnih grobo-klastičnih prodnikov ( "peski").
Ležišča deluvialno-proluvialnega tipa se oblikujejo na pobočjih in v grapah v bližini kamnitih virov in so majhne in srednje velike.
Obalne morske lege so razdeljene na podvodne, plažne in obalne terase. Območje takšnih posipov v jugozahodni Afriki se razteza na več sto kilometrov s širino od 5 do 20 km.
Plasti drugih industrijskih vrst nimajo pomembne vloge pri rudarjenju diamantov.
Plastirna nahajališča različnih vrst glede na njihovo globino delimo na plitva in globoka. Glede na stopnjo oddaljenosti od koreninskega vira se razlikujejo kraji bližnjega in daljnega rušenja; prvi se oblikujejo blizu koreninskega vira, drugi - na razdalji več deset kilometrov v ugodnih geoloških in strukturnih razmerah.
Industrijske vrste nahajališč grafita.
Grafit je nastal iz organske spojine kot posledica metamorfizma sedimentnih kamnin.
Med nahajališči grafita ločimo štiri skupine industrijskih vrst nahajališč glede na geološko lego.
Glede na velikost zalog so nahajališča grafita razdeljena (v milijonih ton) na: velika - več kot 1, srednja - 0,5-1, majhna - do 0,5.
Najbolj razširjena in večja po zalogah so nahajališča tajge, madagaskarja, noginska in mehiškega tipa.
Grafitna nahajališča vrste Ceylon in Botogol so manj pogosta, manj pogosto imajo velike zaloge, vendar jih odlikuje visoka vsebnost grafita v rudi in bolj dragocene lastnosti.
3. Naravne in tehnološke vrste diamantnih rud
Naravne vrste rud so diamantni kimberliti in diamantni lamproiti, ki jih glede na razmerje lastnega kimberlitnega in ksenogenega materiala ter strukturnih in teksturnih značilnosti delimo na diamantne masivne kimberlite, kimberlitne breče, tufobreče, ksenotufobreče, tufe. in tufozno-sedimentne kamnine.
Enotne tehnološke klasifikacije diamantnih rud ni. V tehnično-ekonomski tipizaciji rud ločimo dva glavna tehnološka tipa: breče z vsebnostjo glinene komponente manj kot 20 % in breče z vsebnostjo glinene komponente nad 20 %. Pri predelavi teh rud se razlikujejo tako tehnološke sheme kot stroški rudarjenja.
Na splošno, kot kaže praksa, se tehnološka klasifikacija rud razvija v vsakem posameznem primeru neodvisno med raziskovanjem in kasnejšim izkoriščanjem nahajališča. Pogosto, ko je kimberlitno telo sestavljeno iz kamnin različnih faz vdora, ki se jasno razlikujejo po strukturnih in teksturnih značilnostih ter stopnji vsebnosti diamantov, naravne vrste rud praktično sovpadajo s tehnološkimi. Glavni dejavnik– vsebnost diamantov. Tako se v cevi Dalnyaya (Saha-Jakutija) dve tukaj identificirani naravni vrsti - kimberlitne breče in masivni kimberliti - razlikujeta po stopnji vsebnosti diamantov za red velikosti in sta hkrati tehnološki vrsti. Vendar pa je bilo na primer med obratovanjem cevi Mir ugotovljenih šest tehnoloških vrst rud, ki se razlikujejo po niansah strukture in vsebnosti diamantov, medtem ko sta bili samo dve fazi uvajanja.
Tehnološke vrste diamantnonosnih peskov ločimo glede na njihovo balvanenost, vsebnost gline, prepustnost itd.
Naravne in tehnološke vrste grafitnih rud.
Tipizacija grafitnih rud se izvaja glede na teksturne in strukturne značilnosti. Grafite delimo na prozorne in kriptokristalne. Med jasno kristalnimi se razlikujejo gosto kristalne in luskaste sorte. Gosto kristalinične grafite delimo na grobokristalne s povprečno velikostjo kristalov več kot 50 mikronov in drobnokristalne.
Glede na velikost kosmičev, njihov premer, se kosmičasti grafit deli na velike kosmiče (100-500 mikronov) in fino kosmičaste (1-100 mikronov).
Kriptokristalni grafiti so sestavljeni iz kristalov velikosti manj kot 1 µm. Ločimo goste in fino razpršene ali atomizirane sorte. Pri slednjem so kristali grafita razpršeni v gostiteljski kamnini. V gostih različicah kristali grafita sestavljajo večino grafitne kamnine. Samo goste sorte kriptokristalnega grafita so industrijskega pomena.
Kristalna gruda – 92-95;
Kristalni grobi kosmiči – 85-90;
Kristalin srednje kosmičast - 85-90;
Kristalin fino kosmičast - 80-90;
Kristalni prah z velikostjo do 0,074 mm in vsebnostjo grafitnega ogljika 80-99.
Raziskovanje nahajališč grafita drugih industrijskih vrst, ki imajo nahajališča nepravilne oblike ali v obliki leč in zalog, se izvaja tudi z jedrnimi vrtinami v kombinaciji z rudarskimi izkopavanji.
Pri ocenjevanju in raziskovanju nahajališč grafita z vrtanjem ugotavljamo, da ni selektivne abrazije jedra, ki je mogoča z neenakomerno porazdelitvijo koncentracij grafita, v obliki obogatenih območij, ki jih predstavlja mreža žil, leč, gnezd, itd. V ta namen je treba spremljati vsebnost grafita v vrtalnih tekočinah in odpadkih. Po potrebi se izvedejo kontrolna dela z množičnim testiranjem.
4. Razvoj nahajališč diamantov
Primarna nahajališča diamantov, pridobljena z odprtimi ali kombiniranimi metodami:
Zgornji horizonti so odprti, globlji pa pod zemljo. V Rusiji se diamanti pridobivajo samo z odprtim rudarstvom.
Odprti način razvijanja cevi je na vseh poljih približno enak. Razmislimo o tem na primeru Fishy pipe (Južna Afrika).
Cev ima ovalne oblike vodoravni prerez in skoraj navpične stike z gostiteljskimi kamninami. Območje preperevanja kimberlitov sega do globine 60 m.V sestavi kimberlitov pomembno količino zavzema sekundarna faza - saponit, nabrekajoči mineral, ki absorbira veliko število vodo. Zaradi tega je cevna ruda higroskopna in, ko se navlaži, hitro izgubi lastnosti trdnosti, zato se uporablja posebne metode izolacija površine kimberlita od vode, pri vrtanju vrtin pa se uporablja suho zbiranje prahu.
Odprti razvoj cevi se je začel leta 1966 in do leta 1990 je globina jame dosegla 423 m s povprečnim letnim upadom 18-20 m. Izkopanih je bilo več kot 97 milijonov ton kimberlita (približno 5 milijonov ton na leto) in 55 milijonov so bile odložene na odlagališča ton jalovine. Površina kamnoloma je 550 tisoč m2. Ta metoda rudarjenja je zagotovila stabilno delovanje rudnika in dobre tehnične in ekonomske kazalnike: nizek koeficient odkopa, sistematičen prehod na podzemni način. Skozi nosilne kamnine je bil speljan poševni jašek dolžine 1300 m pod kotom 12° od površine do odprtine kamnoloma na globini 280 m, v katerem je bil transportni trak za transport rude v predelovalnico in podzemni drobilni kompleks, ki je omogočil močno zmanjšanje števila delujočih prekucnikov.
Podzemna metoda uporablja več sistemov za podzemno rudarjenje diamantnonosnih cevi.
Sistem komor predvideva izkop 8-metrskih komor z višino 12 m, ločenih drug od drugega z začasnimi 8-metrskimi stebri, na vsakem delovnem horizontu vzdolž kratke osi cevi. Kimberlit, odstranjen iz komor in iz stebrov zgornjega obzorja, pod vplivom teže zrušenih kamnin pade na dno transportnega rudnika, kjer se naloži v vozičke in odkotali nazaj do rudnega prehoda, ki se nahaja v gostiteljske kamnine, skozi katere se kimberlit dovaja v glavni transportni horizont.
Metoda rudarjenja s režami je bila uporabljena na cevi Premier (Južna Afrika). Ko je bila cev razvita, so na vsakem delovnem horizontu glavni odnosi potekali vzporedno z režo v intervalih, ki so enaki polovici razdalje od reže do meja rudnega telesa. V globini 270 m je bila ruda izpuščena iz rudnih prehodov v vozičke in transportirana po odvoznih nanosih, nato pa je bila ruda dovedena v drobilnik, zdrobljena in transportirana na površje. večina progresivna metoda razvoj – samoporušitev tal; zagotavlja visoko produktivnost (do 5 milijonov ton kimberlita na leto) ob nizkih stroških in relativno majhni uporabi ročnega dela. S tem sistemom pride do uničenja kimberlita pod vplivom gravitacije, število delovnih horizontov in nakladalnih mest se močno zmanjša. Bistvo sistema je, da se od vlečnega nanosa raztezajo strgalniki, usmerjeni čez cev, na medsebojni razdalji 14 m, v katerih so kvadratne niše velikosti 1-2 m na obeh straneh v razmaku 3-5 m. stranice v šahovnem vzorcu, niše zavzemajo lijakasto vzpenjače, ki se dvigajo do višine 7,6 m nad nivojem baze. Kimberlitne bloke nato popolnoma spodkopljejo in izkopljejo 18 m debele plasti, tako da kimberlit razpade in sesede v stožčaste dvižnike. Posledično na celotnem območju cevi nastane kompenzacijska reža višine 2,2 m, po kateri nad kompenzacijskim prostorom ostane nepodprta kimberlitna gmota, ki se pod vplivom lastne teže postopoma zruši na iztok. lijaki. Ko se kimberlit sesede, se delno sprosti, da se obnovi kompenzacijski prostor, tako da gladina propadlega kimberlita nenehno narašča, dokler ne doseže kamnin zgornjega obzorja. Po tem se proizvodnja rude nadaljuje z določeno hitrostjo, dokler se v strgalih ne pojavi odpadna kamnina. Tu se konča rudarjenje tega horizonta, nato pa začnejo rudariti spodnjega.
Nahajališča z globino do 40-45 m se obdelujejo z odprtim rudarstvom. V Republiki Sakha (Jakutija) se proizvodnja izvaja v poletno obdobje buldožersko-hidravlična metoda. Pesek, ki ga dovajajo buldožerji, se opere na rešetki hidravlične zibelke z velikostjo celic 30-50 mm. Nadmrežni material se odstrani s tokom vode, podmrežna celuloza pa se po ceveh transportira s plavajočimi bagri na razdalji 20,-2,5 km do sezonskega stacionarnega predelovalnega obrata. Iz doline razširjenih razsipnikov diamante kopljejo s poglabljanjem. Bageri se premikajo od spodaj navzgor po rečni dolini s pomočjo prečnih ali vzdolžnih prehodov. Ko so glavne rezerve izčrpane, se strgače ponovno premikajo od zgoraj navzdol s premikom udarcev glede na primarne. Včasih so poteze usmerjene čez primarne.
Slika 6. Kimberlitna cev med razvojem.
Razvoj nahajališč grafitne rude.
Razvoj grafitnih rud se izvaja z odprtimi in podzemnimi metodami. Med tremi izkoriščenimi nahajališči grafita v Rusiji se dve (Noginskoye, Botogolskoye) razvijata pod zemljo, eno (Taiginskoye) pa se razvija odprto.
Dimenzije odprtega rudnika na nahajališču kristalnega grafita Taiginskoye so dolge približno 3 km, široke 200-250 m in globoke več kot 50 m. Izgube pri rudarjenju so približno 1%, redčenje je nepomembno.
V ZDA poteka kopanje grafitne rude z vrtanjem in razstreljevanjem, ki mu sledi transport rude po cesti do predelovalnih obratov.
V Republiki Madagaskar je bil uporabljen izviren sistem za razvoj nahajališč grafita. Odprta metoda predeluje predvsem zgornje, preperele grafitne rude do globine 30-40 m.Delo poteka v terasah, pri čemer se ruda spusti v spodnje horizonte, od koder se ruda dovaja v predelovalnico.
Za nahajališče grafita Noginsk, razvito pod zemljo (adit in jašek), je značilno razredčenje 2,8 %, vsebnost vlage v rudi 4,5 % in izgube 17,8 %.
Botogolsko nahajališče visokokakovostnega gosto kristalnega grafita se razvija po adit metodi. Rudarstvo se izvaja v vodoravnih plasteh od spodaj navzgor, s polnjenjem čistilnega prostora. Proizvodne izgube so približno 8 %.
5. Aplikacije diamantov
Glavna področja uporabe naravnih diamantov.
Nakit diamanti. Glavno področje uporabe diamantov v vrednostnem smislu je rezanje v briljante.
Industrijski diamanti. Med tehnične spadajo temno obarvani kristali, ki imajo razpoke in druge napake, pa tudi razne drobce, dvojnice, zrastke ipd., iz katerih ni mogoče izdelati fasetiranega kristala. Glede na kakovost in namen lahko industrijske diamante razdelimo na naslednje skupine:
Diamanti, ki so obdelani v zrna določene geometrijske oblike. Sem sodijo diamanti, namenjeni izdelavi rezil, svedrov, konic, rezil za steklo, ležajev itd.;
Diamantni kristali, ki se uporabljajo v surovi obliki v svedrih, diamantnih kovinskih svinčnikih itd.;
Abrazivni diamanti so v bistvu majhni kristali, ki imajo precejšnje napake in so primerni le za mletje v prah.
Diamantni prah je nepogrešljiv pri obdelavi subminiaturnih delov, kot so rubinasti kamni za ure, ležaji iz topaza, berila in safirja, katerih trdota se približuje trdoti korunda. Samo uporaba diamantnih praškov zagotavlja visoko čistost obdelanih mikropovršin, ki določajo natančnost mikrodelov v napravah in instrumentih.
Orodja iz diamantnega prahu. Za rezanje trdih kamnin, zlitin in drugih trdih materialov industrija proizvaja diamantne rezila in različne diamantne žage. Abrazivna diamantna orodja v trnu so običajna in se pogosto uporabljajo v kovinskopredelovalni industriji za obdelavo brusov. Uporabljajo se tudi diamantni kovinski svinčniki, ki so stisnjeni vložki iz trde zlitine diamantnega prahu.
Orodja iz monokristalnih diamantov. Rezila, igle, rezila za steklo, matrice (ploščati diamanti z izvrtanimi tankimi luknjicami) in druga orodja so narejena iz posameznih diamantnih kristalov ali njihovih delov. Diamantne konice so diamantni kristali z naravno ostro konico ali drobci z ostrimi robovi, vstavljeni v kovinske palice. Diamantne igle se pogosto uporabljajo za izdelavo navojev na strojih za brušenje navojev. Stožčaste diamantne igle s sferično glavo se uporabljajo v profilometrih in profilografih, ki se uporabljajo za merjenje najmanjših nepravilnosti in površinske čistoče različnih delov. Diamanti se pogosto uporabljajo za izdelavo matric pri proizvodnji žice iz trdih materialov, zlasti majhnih premerov za elektroniko.
Diamantno orodje za rezanje kamenja. Uporaba diamantov za ojačitev svedrov je omogočila povečanje produktivnosti vrtalnih naprav za 1,5-2 krat v primerjavi z nediamantnim vrtanjem.
Druga področja uporabe diamantov. Diamant je odličen optični material za vse vrste kivet in oken, ki je sposoben prenesti visoke pritiske in vplive snovi katere koli stopnje agresivnosti ter je hkrati transparenten v širokem razponu valovnih dolžin.
Diamantni substrat polprevodniških vezij, ki zagotavlja njihovo odlično izolacijo, odvaja toploto nekajkrat hitreje kot na primer baker, kar bistveno poveča učinkovitost delovanja kritičnih komponent elektronskih vezij. Možnost uporabe diamantov za štetje jedrskih delcev v agresivnih okoljih in visokih mehanskih obremenitvah; diamant se uporablja v posebnih števcih.
Struktura porabe industrijskih diamantov v visoko razvitih državah je naslednja (%):
Brušenje, ostrenje orodij in delov strojev iz trdih zlitin – 60-70;
Trn za brusilno kolo - 10-12;
Vrtanje vodnjakov – 10;
Vlečenje žice – 10;
Rezanje in brušenje delov in izdelkov iz stekla, keramike, marmorja, vrtanje in dodelava karbidnih delov, obdelava ur in nakit – 10-12.
Področja uporabe grafita.
Rude skoraj vseh nahajališč grafita lahko potrošniki redko uporabljajo v surovi obliki. Skoraj vsi so podvrženi nekakšni predobdelavi, da se ruda pretvori v končne izdelke.
Tehnološka klasifikacija grafitnih rud sovpada s klasifikacijo naravnih vrst.
Jasno kristalne rude se predelujejo predvsem s flotacijskimi shemami zaradi dobre flotabilnosti grafita.
Kriptokristalne grafitne surovine predstavljajo fino razpršeni minerali v zelo kompleksnem prepletu z odpadnimi kamninami. Zato je te vrste grafitnih rud skoraj nemogoče mehansko obogatiti. Uporabljajo se predvsem za rudarjenje in posebni primeri, kemične, toplotne ali druge metode obdelave. Ker so ti postopki dragi, se redko uporablja.
Glavni kazalniki, po katerih se ocenjujejo izdelki iz grafita, so: tekstura in struktura, vsebnost ogljika, pepela, vlage, hlapnih komponent, škodljivih primesi (železo, žveplo, baker itd.), porazdelitev velikosti delcev.
V livarski proizvodnji se daje prednost kriptokristalnemu grafitu, saj je za to proizvodnjo pomembna disperzija prahu, ki zagotavlja gladko površino livarskih kalupov in olajša odstranjevanje ulitkov iz njih po ohlajanju.
Visokokakovostni jasno kristalni grafiti se pogosto uporabljajo pri litju posebnega jekla.
Crucible grafit je na voljo v treh razredih. Njihovo coniranje ne presega 7; 8,5 in 10%, masni delež železa glede na Fe2O3 za vse razrede ni večji od 1,6%, hlapne snovi - manj kot 1,5%; vlaga - ne več kot 1%.
Za izdelavo grafitno-keramičnih talilnih lončkov in ognjevzdržnih materialov se uporablja visokokakovosten jasno kristalinični grafit.
V skladu z zahtevami za mazalni grafit se izdelki proizvajajo v obliki več razredov, od katerih ima vsak svoje področje uporabe in je označen s številnimi kazalniki. Edina pokazatelja, ki sta skupna vsem znamkam, sta koncentracija vodikovih ionov v vodnem ekstraktu in vlažnost.
Proizvodnja svinčnikov, tako kot proizvodnja električnega ogljika, predstavlja največ visoke zahteve na kakovost grafita. V svetovni praksi se za najboljše vrste svinčnikov uporablja mešanica cejlonskega in drugega kristalnega ali kriptokristalnega grafita, ki se najpogosteje uporablja za izdelavo navadnih vrst svinčnikov.
Pri proizvodnji aktivnih mas alkalnih baterij se uporablja jasno kristalinični grafit z grobimi kosmiči ("srebro"), pridobljen s flotacijo rud iz nahajališč Taiginsky in Zavalevsky.
V elektropremogovništvu se uporabljajo tri vrste grafita: naravni drobni in kriptokristalni ter umetni. Umetni grafit je postal zelo razširjen zaradi svoje visoke čistosti in doslednosti sestave.
Pri proizvodnji maziv se kot trdna snov pogosto uporablja naravni kristalni grafit in skupaj z njim umetni grafit. Ta proizvodnja zahteva grafit, običajno visoke čistosti in zelo finega mletja, včasih koloidne velikosti. Maziva so najpogosteje vodne ali oljne suspenzije naravnih kristaliničnih in umetni grafit.
Številne vrste grafita ne dopuščajo zamašitve nečistoč, vključno z grafitom iz drugih nahajališč. Ti razredi vključujejo lonček, elementarni in elektrokarbonski grafit.
Zaključek
Ob proučevanju dveh polimorfnih modifikacij ogljika: diamanta in grafita, sem prišel do zaključka, da imata polimorfa kljub enaki kemijski sestavi različno strukturo kristalne mreže in s tem različne lastnosti in izvor.
Diamant je brezbarvna, prozorna kristalna snov z izjemno trdoto – 10 in diamantnim leskom. Grafit je sivo-črna kristalna snov s kovinskim sijajem, mastna na dotik in je po trdoti slabša celo od papirja - 1.
Diamanti se v naravi pojavljajo v obliki dobro definiranih posameznih kristalov. Grafitni kristali so običajno tanke plošče.
Izvor diamantov je magmatski, grafit je metamorfen.
Diamanti se uporabljajo v skoraj vseh panogah: elektrotehniki, radijski elektroniki, izdelavi instrumentov in vrtanju.
Grafit se uporablja za izdelavo grafitno-keramičnih talilnih lončkov in ognjevzdržnih materialov, kot maziva, pri proizvodnji svinčnikov in v elektropremogovništvu.
Nešteto učbenikov prikazuje diagrame ravnotežja diamant-grafit in pravi, da diamant nastane iz grafita. Toda iz nekega razloga nihče ni postavil vprašanja: od kod prihaja grafit v plašču?.. Navsezadnje je tam nestabilen in se imenuje "prepovedan" mineral za pogoje plašča. Karbidi so nekaj drugega. Tu so stabilni: karbidi železa, fosforja, silicija, dušika, vodika. Vodikov karbid je plin, navaden metan, je mobilen in se zlahka koncentrira v globoki tekočini.
Nekoč geologi niso pripisovali pomena izjemnemu odkritju sovjetskega fizika B. Deryagina, ki je leta 1969 sintetiziral diamant iz metana in, kar je zelo pomembno, pri tlaku celo pod atmosferskim. Že takrat naj bi to odkritje korenito spremenilo dosedanje predstave o diamantu kot mineralu, ki nujno kristalizira iz talin in pri visokih pritiskih. Podatki B. Deryagina so mi omogočili, da razmislim o možnosti kristalizacije diamanta iz tekočine, mešanice plinov v sistemu C-H-O.
Izkazalo se je, da je v takšni tekočini kisik pri super visok krvni pritisk plašč izgubi svoje oksidacijske lastnosti in niti ne oksidira vodika. Toda ko se plin dvigne navzgor, ko nastane kimberlitna cev, tlak pade. Dovolj je, da tlak znižamo 10-krat - s 50 na 5 kilobarov - da se aktivnost kisika milijonkrat poveča. In potem se takoj združi z vodikom in metanom. Preprosto povedano, plin se spontano vžge - v podzemni cevi izbruhne hud požar.
Posledice takšnega podzemnega "požara" so odvisne od razmerja ogljika, vodika in kisika v tekočini. Če kisika ni preveč, bo iz molekule metana (CH4) odstranil le vodik. Nastalo vodno paro bo absorbiral mineralni prah in tvoril serpentinit, najbolj značilen mineral kimberlitov. Ogljik, ki ostane "osamljen", pri tlaku na tisoče atmosfer in temperaturi okoli 1000 ° C, se bo zaprl z nenasičenimi valenčnimi vezmi "na sebi" in oblikoval velikansko molekulo čistega ogljika - diamant! V praksi je tako ugodna kombinacija komponent v mešanici plinov redka: le pet odstotkov kimberlitnih cevi je diamantnih.
Pogosteje se zgodi, da je za nastanek diamanta bodisi preveč kisika bodisi premalo. V prvem primeru bo ogljik zgorel in se spremenil v pline - okside: CO ali CO2. Nato se pojavijo nerodovitni kimberliti. Zanje je značilen povečan magnetizem, ker vsebujejo železov oksid – magnetit. Kisika je bilo veliko in ta je silikatom »zgrabil« železo. Če pride do pomanjkanja kisika ali metana, se pojavi samo vodna para, ki jo absorbira serpentinit. Izkazalo se je, da diamant nastane kot produkt spontanega podzemnega zgorevanja ogljikove tekočine. Diamanti so analogi pepela ali saj, ki se naselijo v "dimnikih" plašča! (A. Portnov – doktor geoloških in mineraloških znanosti, profesor).
Bibliografija
1. Ogljik in njegove spojine - Kijev, "Naukova Dumka" 1978.
2. Bulakh A.G. Splošna mineralogija. 1999.
3. Sarasovski. Poučna revija. Letnik 6, 2000. Št. 5.
4. Dyadin Yu.A. Grafit in njegove inkluzijske spojine.
5. A. Portnov. "Diamanti so saje iz podzemlja."
6. JSC "Geoinformmarn". Moskva 1997. Mineralne surovine. Grafit. Diamant.
7. Založba "Sovjetska enciklopedija". Moskva. 1972.
Diamant, grafit in premog- so sestavljeni iz homogenih atomov grafita, vendar imajo različne kristalne mreže.
Kratke značilnosti: diamant, grafit in premog
Kristalne mreže grafit nimajo močnih vezi, so ločene luske in zdi se, da drsijo druga čez drugo in se zlahka ločijo od skupne mase. Grafit se pogosto uporablja kot mazivo za drgnjenje površin.
Premog je sestavljen iz najmanjših delcev grafita in enakih majhnih delcev ogljika v kombinaciji z vodikom, kisikom in dušikom.
Kristalna celica diamant tog, kompakten, ima visoko trdoto.
Tisočletja ljudje sploh niso slutili, da imajo te tri snovi kaj skupnega. Vse to so odkritja poznejšega časa.
Narava ni dala nobenih znakov njunega odnosa. Nahajališča premoga nikoli niso obstajala skupaj z grafitom. Geologi v svojih nahajališčih nikoli niso odkrili bleščečih diamantnih kristalov.
Toda čas ne miruje. Konec 17. stoletja je florentinskim znanstvenikom uspelo diamant zažgati. Po tem ni ostal niti majhen kupček pepela. Angleški kemik Tennant je 100 let kasneje ugotovil, da pri sežigu enakih količin grafita, premoga in diamanta nastane enaka količina ogljikovega dioksida. Ta izkušnja je razkrila resnico.
Medsebojne pretvorbe diamanta, grafita in premoga
Znanstvenike je takoj zanimalo vprašanje: ali je mogoče eno alotropno obliko ogljika pretvoriti v drugo? In odgovori na ta vprašanja so bili najdeni.
Izkazalo se je, da diamant popolnoma spremeni v grafit, če ga v brezzračnem prostoru segrejemo na temperaturo 1800 stopinj.
Če skozi premog prehaja električni tok v posebno peč, se spremeni v grafit pri temperaturi 3500 stopinj.
Transformacija - grafit ali premog v diamant
Tretji je bil za ljudi težji transformacija - grafit ali premog v diamant. Znanstveniki jo poskušajo uresničiti že skoraj sto let.
Pridobite diamant iz grafita
Prvi je bil očitno Škotski znanstvenik Gennay. Leta 1880 je začel s serijo svojih poskusov. Vedel je, da je gostota grafita 2,5 grama na kubični centimeter, gostota diamanta pa 3,5 grama na kubični centimeter. To pomeni, da mora biti razporeditev atomov strnjena in dobite diamant iz grafita, on se je odločil.
Vzel je močno jekleno topovsko cev, jo napolnil z mešanico ogljikovodikov, tesno zaprl obe luknji in segrel do rdeče barve. V vročih ceveh je nastal ogromen, po konceptih tistega časa, pritisk.
Več kot enkrat je kot letalske bombe raztrgalo cevi težkih topov. A vseeno so nekateri preživeli celoten cikel ogrevanja. Ko so se ohladili, je Gennay v njih našel več temnih, zelo obstojnih kristalov.
Imam lažne diamante
Gennay se je odločil.
Metoda izdelave umetnih diamantov
10 let po Gennayi Francoski znanstvenik Henri Moisson z ogljikom nasičeno lito železo izpostavili hitremu ohlajanju. Njegova takoj zmrznjena površinska skorja, ki se je zmanjševala, ko se je ohlajala, je notranje plasti izpostavila pošastnemu pritisku.
Ko je Moisson nato jedra litega železa raztopil v kislinah, je v njih našel drobne neprozorne kristale.
Našel sem še enega metoda izdelave umetnih diamantov!
Izumitelj se je odločil.
Težava z umetnimi diamanti
Po nadaljnjih 30 letih, problem umetnih diamantov začel študirati Angleški znanstvenik Parsons. Na voljo je imel velikanske stiskalnice iz svojih tovarn. Iz topa je streljal naravnost v cev drugega orožja, vendar mu ni uspelo dobiti diamantov.
V mnogih razvitih državah sveta pa so že bili v muzejih. umetni diamanti razni izumitelji. In za njihovo pridobitev je bilo izdanih kar nekaj patentov. Toda leta 1943 so britanski fiziki podvrgli umetno pridobljene diamante natančnemu testu.
In izkazalo se je, da vsi nimajo nič skupnega s pravimi diamanti, razen le Gennayjevih diamantov. Izkazalo se je, da so resnične. Takoj je postalo skrivnost in ostaja skrivnost še danes.
Pretvorba grafita v diamant
Ofenziva se je nadaljevala. Vodil jo je Nobelov nagrajenec Ameriški fizik Percy Bridgman. Skoraj pol stoletja se je ukvarjal z izboljševanjem tehnologije ultravisokih tlakov.
In leta 1940, ko je imel na voljo stiskalnice, ki so lahko ustvarile pritisk do 450 tisoč atmosfer, je začel s poskusi na spreminjanje grafita v diamant.
Vendar te preobrazbe ni mogel izvesti. Grafit, podvržen pošastnemu pritisku, je ostal grafit. Bridgman je vedel, kaj njegovi nastavitvi manjka: visoka temperatura.
Očitno je v podzemnih laboratorijih, kjer so nastajali diamanti, svojo vlogo odigrala tudi visoka temperatura. Spremenil je smer poskusov. Uspelo mu je zagotoviti segrevanje grafita na 3 tisoč stopinj in tlak na 30 tisoč atmosfer. To je bilo skoraj tisto, kar zdaj vemo, da je potrebno za preobrazbo diamanta.
Toda manjkajoči "skoraj" Bridgmanu ni omogočil uspeha. Čast ustvarjanja umetnih diamantov ni pripadla njemu.
Prvi umetni diamanti
Prvi umetni diamanti so bili prejeti Angleški znanstveniki Bandy, Hall, Strong in Wentropp leta 1955. Ustvarili so tlak 100 tisoč atmosfer in temperaturo 5000 stopinj.
Grafitu so dodali katalizatorje - železo, rum, mangan itd. In na meji grafita in katalizatorjev so se pojavili rumeno-sivi neprozorni kristali tehničnih umetnih diamantov. No, diamant se ne uporablja le za poliranje, uporabljajo ga tudi v tovarnah in tovarnah.
Vendar pa so malo kasneje ameriški znanstveniki našli način za pridobivanje prozornih diamantnih kristalov. Da bi to naredili, je nepovratna sredstva izpostavljena tlaku 200 tisoč atmosfer in nato z električnim praznjenjem segreta na temperaturo 5 tisoč stopinj.
Kratek čas praznjenja - traja tisočinke sekunde - pusti instalacijo hladno, diamanti pa so čisti in prozorni.
Izdelava umetnih diamantov
Sovjetski znanstveniki so prišli do ustvarjanje umetnih diamantov na svoj način. sovjetski fizik O.I. Leypunsky izvedel teoretične študije in vnaprej določil tiste temperature in tlake, pri katerih je možna diamantna transformacija grafita.
Te številke so se v tistih letih - to je bilo leta 1939 - zdele neverjetne, presegale so meje dosegljivega za sodobna tehnologija: tlak najmanj 50 tisoč atmosfer in temperatura 2 tisoč stopinj. In vendar je po stopnji teoretičnih izračunov prišel čas za ustvarjanje eksperimentalnih struktur in nato industrijskih naprav. In danes obstajajo številne naprave, ki proizvajajo umetne diamante in druge, še trše snovi. Najvišji dosežek narave v trdoti materiala ni le dosežen, ampak že presežen.
To je zgodba o odkritju tretje transformacije ogljika, najpomembnejše za sodobno tehnologijo.
Kako se je diamant pojavil v naravi?
Toda kaj ostaja najbolj neverjetno pri diamantni transformaciji ogljika? Znanstveniki še vedno ne razumejo, kako diamant izvira iz narave!
Znano je, da so edina primarna nahajališča diamantov kimberlitne cevi. Gre za globoke valjaste vrtine s premerom nekaj sto metrov, zapolnjene z modro glino – kimberlitom, s katerimi so na površje zemlje spravili drage kamne.
Hipoteza rojstva globokega diamanta
Najzgodnejši je bil hipoteza globokega rojstva diamanta. Po tej hipotezi so se iz staljene magme na globini okoli 100 kilometrov pojavili bleščeči kristali, ki so se nato skupaj z magmo vzdolž razpok in prelomov počasi dvignili na površje.
No, iz globine 2-3 kilometrov se je magma prebila in izbruhnila na površje ter oblikovala kimberlitno cev.
Eksplozivna hipoteza
To hipotezo je nadomestila druga, ki bi se verjetno morala imenovati eksplozivna hipoteza. Bila je nominirana L. I. Leontjev, A. A. Kademekij, V. S. Trofimov. Po njihovem mnenju se diamanti pojavljajo na globini le 4-6 kilometrov od zemeljske površine.
Tlak, ki je potreben za nastanek diamantov, nastane zaradi eksplozije, ki jo povzročijo nekateri eksplozivi, ki so prodrli v votline, ki jih zaseda magma iz okoliških sedimentnih kamnin. To je lahko olje, bitumen, vnetljivi plini. Avtorji hipoteze so predlagali več različic kemijskih reakcij, zaradi katerih nastanejo eksplozivne mešanice in se pojavi prosti ogljik.
Ta hipoteza je pojasnila visoko temperaturo, potrebno za preoblikovanje diamanta, in ogromen pritisk. Vendar ni razložil vseh značilnosti kimberlitnih cevi. Bilo je zelo enostavno dokazati, da so kamnine kimberlitne cevi nastale pri tlaku, ki ni presegel 20 tisoč atmosfer, nemogoče pa je dokazati, da so nastale pri višjem tlaku.
Danes so geofiziki precej natančno ugotovili, katere kamnine zahtevajo določene pritiske in temperature za nastanek. Recimo, stalni spremljevalec diamanta - mineral pirop - zahteva 20 tisoč atmosfer, diamant - 50 tisoč. Koesit, stišovit in piezolit zahtevajo večji pritisk kot pri piropu in manjši kot pri diamantu.
Toda ne teh ne drugih kamnin, ki bi za nastanek zahtevale tako visoke pritiske, v kimberlitu ni. Edina izjema je diamant. Zakaj je temu tako? Na to vprašanje se je odločil odgovoriti doktor geoloških in mineraloških znanosti E. M. Galymov.
Zakaj, se je vprašal, mora biti pritisk 50 tisoč atmosfer nujno značilen za celotno maso magme, v kateri nastajajo diamanti? Navsezadnje je magma tok. Vsebuje lahko vrtince, brzice, hidravlične sunke in mehurčke kavitacije, ki se pojavljajo ponekod.
Hipoteza rojstva diamanta v kavitacijskem načinu
ja točno kavitacija! To je presenetljivo neprijeten pojav, ki hidravliki prinaša nemalo težav! Kavitacija se lahko pojavi na lopaticah hidravlične turbine, če gre le malo čez meje izračunanega načina. Ista nesreča lahko doleti hidravlične rezila, ki preklopijo na prisilni način.
Kavitacija lahko uniči tudi lopatice propelerja parnika, kot bi bile napete v boju za hitrost. Uničuje, uničuje, razjeda. Da, to je najbolj natančno: korodira! Izjemno močna jekla, bleščeča z zrcalno poliranimi površinami, se spremenijo v ohlapno porozno gobo.
Bilo je, kot da bi tisoče drobnih neusmiljenih in pohlepnih ust trgalo kovino košček za koščkom na mestu, kjer ga je prežvečila kavitacija. Še več, obstajajo usta, ki ne prenesejo legirane kovine, od katere pila odskoči! Kar nekaj nesreč turbin in črpalk, izgube parnikov in motornih ladij se je zgodilo zaradi prisotnosti kavitacije. In ni minilo niti sto let, preden smo ugotovili, kaj je to – kavitacija.
Ampak res, kaj je to? Predstavljajmo si tok tekočine, ki se giblje v cevi spremenljivega prereza. Na mestih, kjer se tok zoži, se hitrost toka poveča, na mestih, kjer se tok razširi, se hitrost toka zmanjša. Istočasno, vendar po nasprotnem zakonu, se spreminja tlak v tekočini: kjer se hitrost poveča, tlak močno pade, kjer se hitrost zmanjša, se tlak poveča.
Ta zakon je obvezen za vse gibljive tekočine. Lahko si predstavljamo, da pri določenih hitrostih tlak pade do te mere, da tekočina zavre in se v njej pojavijo parni mehurčki. Od zunaj se zdi, da je tekočina na mestu kavitacije začela vreti, napolni jo bela gmota drobnih mehurčkov in postane motna.
Ti mehurčki so glavna težava pri kavitaciji. Kako se kavitacijski mehurčki rodijo in kako odmrejo, še ni dovolj raziskano. Ni znano, ali so njihove notranje površine naelektrene. Ni znano, kako se obnaša snov tekoče pare v mehurčku. In Galymov sprva ni vedel, ali lahko kavitacijski mehurčki sploh nastanejo v magmi, ki polni kimberlitno cev.
Znanstvenik je naredil izračune. Izkazalo se je, da je kavitacija možna pri pretoku magme, ki presega 300 metrov na sekundo. Takšne hitrosti je enostavno doseči za vodo, toda ali lahko težka, gosta, viskozna magma teče z enako hitrostjo? Spet kalkulacije, kalkulacije in težko pričakovan odgovor: ja, lahko! Možne so mu hitrosti 500 metrov na sekundo.
Nadaljnji izračuni naj bi ugotovili, ali bodo v mehurčkih dosežene zahtevane temperature in tlaki - 50 tisoč atmosfer tlaka in 1500 stopinj temperature. In ti izračuni so dali pozitivne rezultate.
Povprečni tlak v mehurčku v trenutku kolapsa je dosegel milijon atmosfer! In največji pritisk je lahko desetkrat večji. Temperatura v tem mehurčku je 10 tisoč stopinj. Ni treba posebej poudarjati, da so pogoji daleč presegli meje za preoblikovanje diamantov.
Takoj povejmo, da so pogoji, ki jih kavitacijski mehurček ustvarja za nukleacijo diamanta, zelo edinstveni. Poleg temperatur in tlakov, ki včasih nastanejo v majhnih prostorninah teh mehurčkov, tam rinejo udarni valovi, utripajo strele in utripajo električne iskre.
Zvoki uhajajo iz ozkega območja tekočine, ki ga pokriva kavitacija. Ko so povezani, jih zaznavajo kot nekakšno brenčanje, podobno temu, ki prihaja iz vrelega kotla. Toda ravno to so pogoji, ki so idealni za nastajajoči diamantni kristal. Resnično, njegovo rojstvo poteka v grmenju in blisku.
Lahko si poenostavljeno in brez številnih podrobnosti predstavljate, kaj se dogaja znotraj kavitacijskega mehurčka. Zdaj se je tlak tekočine povečal in kavitacijski mehurček začne izginjati. Pomaknili so se proti središču njegovih sten in od njih so se takoj odlomili udarni valovi. Pomikata se v isti smeri proti središču.
Ne smemo pozabiti na njihove značilnosti. Prvič, premikajo se z nadzvočno hitrostjo, drugič pa za njim ostaja izjemno vzburjen plin, v katerem sta močno narasla tako tlak kot temperatura.
Da, to je isti udarni val, ki se giblje po kosu gorečega katrana in mirno zgorevanje spremeni v besno, vseuničujočo eksplozijo. V središču mehurčka so udarni valovi, ki potujejo iz različne strani, konvergirati. Poleg tega gostota snovi na tej konvergenčni točki presega gostoto diamanta.
Težko je reči, kakšno obliko ima snov tam, vendar se začne širiti. Hkrati mora premagati protitlak, merjen v milijonih atmosfer. Zaradi tega širjenja se snov v središču mehurčka ohladi z več deset tisoč stopinj na samo tisoč stopinj.
Diamant je ljudem znan že od nekdaj. Starodavne legende kažejo, da prva odkritja diamantov v Indiji segajo v tretje tisočletje pr. Nič manj kot pet stoletij pred začetkom novega veka so se z diamanti seznanili stari Grki, saj iz tega časa izvira grška bronasta figurica, katere očesi sta dva neobdelana diamanta. Domneva se, da so bili diamanti v Grčijo prineseni iz Indije. Opazna količina indijskih diamantov je začela prihajati v Evropo šele v 13. stoletju. Za dolgo časa Izjemno visoka trdota kamna je bila nepremostljiva ovira za evropske draguljarje in vsi poskusi obdelave tega minerala so bili neuspešni. Šele sredi 15. stol. Nizozemcu Van Berkenu je uspelo diamante brusiti tako, da jih je brusil enega ob drugega. Tudi kemična sestava skrivnostnega kamna, ki je bil odporen na učinke najmočnejših kislin in alkalij, je dolgo ostala neznana. Nekateri znanstveniki so celo menili, da je diamant sestavljen iz posebnega kemičnega elementa - diamantne zemlje. Sredi 17. stol. V Firencah so izvajali poskuse segrevanja diamantov in rubinov v zaprtih posodah. Hkrati je bilo ugotovljeno, da se rubini niso spremenili, od diamantov pa "ni najmanjše sledi". To se je zdelo popolnoma nerazložljivo in šele veliko kasneje je postalo jasno, da diamantni kristali, segreti v okolju kisika, preprosto izgorejo.
Demonstrativno žganje diamanta konec 18. stoletja. je potekalo na Sanktpeterburški rudarski šoli (danes Leningradski rudarski inštitut). Ta poskus je bil očitno namenjen dokazovanju nezmožnosti umetna proizvodnja velike diamante s spajanjem majhnih kristalov. Iz tega časa segajo številni poskusi žganja diamantov, ki so jih izvajali v različnih državah zahodne Evrope.
Tudi znani francoski kemik A. Lavoisier je tem poskusom posvetil veliko pozornosti, saj je "brezsledno" izginotje diamanta pri segrevanju v nasprotju z zakonom o ohranitvi snovi. Zagotovo bi lahko rekel le, da diamant spada v razred gorljivih teles in da je produkt njegovega zgorevanja plinasta snov. Ko je ugotovil možno razmerje med diamantom in ogljikom, si znanstvenik še vedno ni upal identificirati penečega kamna s premogom in ni naredil dokončnega zaključka o sestavi diamanta. Zapisal je, da morda nikoli ne bo mogoče določiti sestave tega minerala.
Vendar že na prelomu 18. in 19. st. kemična narava diamanta je bila natančno ugotovljena. Angleški kemik P. Tennan je leta 1797 zažgal diamant v tesno zaprti zlati posodi, napolnjeni s kisikom, in ugotovil, da je nastali plin ogljikov dioksid. Ker sprva v posodi ni bilo ničesar razen diamanta in kisika, je diamant kemično čisti ogljik. Da bi končno preveril pravilnost sklepa, je P. Tennan določil količino ogljika v ogljikovem dioksidu, ki polni posodo. Izkazalo se je, da natančno ustreza masi žganega diamanta.
Tako je diamant sestavljen iz enega kemičnega elementa - ogljika. Grafit, oglje, premog in saje imajo podobno kemično sestavo (če ne štejemo naključnih in mehanskih nečistoč), to je zelo pogoste snovi, ki še zdaleč niso najbolj privlačne po videzu. In če je tako, kaj je potem razlog za popolnoma drugačen videz tako različnih fizikalnih in kemijskih lastnosti teh snovi?
M. V. Lomonosov je izrazil idejo, ki je bila izjemna po svojem vpogledu: razlog za izjemno trdoto diamanta je "njegova sestava iz tesno povezanih delcev." Vizija briljantnega znanstvenika se je potrdila skoraj dve stoletji kasneje, na začetku 20. stoletja, ko je bilo s pomočjo rentgenskih žarkov mogoče razvozlati atomsko strukturo diamanta in grafita. Ugotovljene so bile pomembne razlike v prostorski razporeditvi elementarnih delcev, ki sestavljajo te snovi - atomov.
V diamantu so ogljikovi atomi razporejeni zelo tesno, pri čemer je vsak od njih trdno vezan na štiri atome, ki ga obdajajo (slika 13).
Kristalna mreža grafita ima popolnoma drugačen videz. Njegovo strukturo tvorijo vzporedne plasti mrež, sestavljenih iz šesterokotnikov z ogljikovimi atomi na ogliščih. Plasti so razmaknjene 3,39 Å ( Å je okrajšava za enoto dolžine, ki je enaka 10 -8 cm in se imenuje "angstrom".) enega od drugega in zaporedoma premaknjena, tako da je v projekciji združena le polovica ogljikovih atomov, ostali pa so projicirani v središče mrežnih celic spodnjega in zgornje plasti(Slika 14). Povezava med plastmi atomov v grafitu poteka preko visoko mobilnih elektronov. Ta vez daje snovi kovinske lastnosti: motnost, sijaj in visoko električno prevodnost. Atomi v vsaki posamezni plasti so povezani precej močno, povezava med plastmi pa je šibka. To določa zelo visoko sposobnost cepitve na tanke plošče in izjemno nizko trdoto grafita v smeri, ki je vzporedna s plastjo kristalne mreže minerala.
Nastanek snovi, ki so enake po kemijski sestavi, vendar se razlikujejo po zgradbi kristalne mreže, imenujemo polimorfizem, same take snovi pa imenujemo polimorfne modifikacije. Zato sta diamant in grafit polimorfa ogljika.
Razmislimo o najpomembnejših lastnostih diamanta in sledimo njihovi povezavi z notranjo strukturo minerala.
Čeprav je diamant v svoji čisti obliki sestavljen samo iz ogljikovih atomov, pravi naravni kristali tega minerala nenehno vsebujejo primesi drugih snovi. Minimalne količine nečistoč so značilne za brezbarvne in svetlo obarvane prozorne diamante. Pri zgorevanju takih kamnov količina pepela ne presega 0,02-0,05% njihove mase. V motnih in še posebej neprozornih sortah diamanta vsebnost pepela doseže več odstotkov.
Spektralna analiza je pokazala v sestavi pepela silicij, magnezij, kalcij, aluminij, železo, titan in nekatere druge kemične elemente.
Diamanti poleg najmanjših vključkov pogosto vsebujejo tudi razmeroma velike tuje delce: najpogosteje grafit, nekoliko redkeje minerale, ki so kemično silikati (olivin, pirokseni), aluminosilikati (granati) in kompleksni oksidi (kromov spinel). V velikih diamantnih kristalih so precej pogosti tudi vključki majhnih kristalov.
Gostota diamanta je približno 3,52. Ta vrednost je značilna za čiste, dobro oblikovane kristale. V drobnozrnatih agregatih, ki pogosto vsebujejo vključke grafita in niso precej masivni po sestavi, je gostota bistveno manjša in pri nekaterih sortah karbonada pade na 3,0. Za primerjavo poudarimo, da gostota grafita ne presega 2,23. Tako je "ohlapnost" atomske strukture grafita povzročila več kot eno in pol-kratno zmanjšanje gostote.
O barvi in lomu svetlobe diamanta smo govorili v prejšnjem poglavju, tukaj pa se bomo posvetili še eni zelo zanimivi in pomembni lastnosti diamanta, ki je prav tako tesno povezana z notranjo zgradbo. Govorili bomo o luminiscenci. Luminescenca je sposobnost nekaterih naravnih in sintetičnih snovi, da žarijo pod vplivom rentgenskih, ultravijoličnih in katodnih žarkov, kar običajno označujemo s posebnimi izrazi: rentgenska luminiscenca, fotoluminiscenca, katodoluminiscenca.
Večina diamantov ima vse tri vrste luminiscence. Nekateri kristali svetijo modro, drugi zeleno, rumeno ali rožnato. Temno obarvani (rjavi, črni itd.) in železni kristali ter nekatere prozorne sorte ne svetijo.
Najbolj raziskani sta rentgenska in fotoluminiscenca diamanta, ki se uporabljata pri geološki prospekciji, kar je podrobneje obravnavano v zadnjih poglavjih. Nekateri raziskovalci povezujejo luminiscenco s prisotnostjo tujih nečistoč, medtem ko drugi opozarjajo na vzročno povezavo tega pojava s posebnostmi kristalne mreže minerala.
Čisti kristali so prozorni ne le za svetlobo, ampak tudi za rentgenske žarke, kar olajša prepoznavanje diamantov med minerali, ki so podobni po videzu, in razlikovanje diamantov od vseh vrst ponaredkov. Toda veliko diamantov sploh ne prepušča ultravijoličnih žarkov.
Trdota je, kot smo že omenili, zelo pomembna lastnost diamanta, ki določa njegovo izjemno veliko vlogo v človeški proizvodni dejavnosti. Trdota običajno pomeni odpornost enega telesa na prodiranje drugega. Za kvalitativno določanje relativne trdote mineralov se pogosto uporablja tako imenovana lestvica trdote (Mohsova lestvica), predlagana v začetku 19. stoletja. Lestvica vključuje deset standardnih mineralov, razvrščenih po naraščajoči trdoti. V tem primeru se serijske številke standardov vzamejo kot ocene trdote.
Mineraloška lestvica trdote
Trdota snovi na podlagi Mohsove lestvice se določi s silovitim prehodom roba ali ostrega odrezka preučevanega predmeta vzdolž gladka površina katerega koli referenčnega minerala. Če je snov trša od vzetega standarda, ostanejo na površini slednje brazde in praske. Če je preučevana snov manj trda od referenčnega minerala, na svoji površini ne pušča prask. Če sta trdota predmeta in standard enaka, ostanejo na vsakem od njiju plitke praske. Diamant, ki ima najvišjo trdoto, pusti globoke brazde na vseh mineralih in se sam ne spremeni niti najmanjše.
Obstajajo bolj natančne, a hkrati veliko bolj zapletene metode za določanje trdote. Ne da bi se zadrževali pri njunem opisu, bomo omenili dva najbolj razširjena. Eden od njih temelji na upoštevanju hitrosti mletja (mletja) preizkušane snovi pri standardnih pogojih. Druga metoda je merjenje s posebno napravo - merilnikom trdote. Njegovo delovno telo je tetraedrska (in za meritve na posebej trdih telesih trikotna) diamantna piramida. Konica piramide se pod določeno obremenitvijo stisne v polirano površino preučevanega predmeta in na podlagi velikosti nastale vdolbine se izračuna indeks trdote (mikrotrdota) snovi v kilogramih sila na kvadrat. milimeter. Vrednost tega indikatorja je za smukec 2,4, kalcit 109, apatit 536, kremen 1120, korund 2060, diamant 10060.
Trdota diamantov, tako kot drugih mineralov, ne ostane konstantna na različnih ploskvah istega kristala. Draguljarji že dolgo opazijo, da pri poliranju diamantnih kristalov najmanjši odpor so ploskve kocke, nekoliko večje so rombaste dodekaedrske ploskve, največje pa ploskve oktaedra. Podrobne študije v našem času so ugotovile opazna nihanja trdote tudi v različnih smereh znotraj ene kristalne ploskve.
Dokazano je, da je trdota različnih ploskev diamantnih kristalov neposredno odvisna od gostote ogljikovih atomov na ravninah, ki ustrezajo določeni ploskvi. Takšne ravnine, ki vključujejo ne le površine ploskev, ampak tudi nešteto ravnin, vzporednih z njimi znotraj kristala, se imenujejo ravne mreže. Število atomov na enoto površine ravne mreže se šteje za njeno gostoto. Gostota oktaedrskih, rombičnih dodekaedrskih in kubičnih mrež v diamantu je izražena z razmerjem 2,308:1,414:1. V enakem zaporedju se, kot že omenjeno, zmanjšuje tudi trdota kristalnih ploskev.
Porazdelitev trdote v različnih smereh znotraj vsake posamezne ploskve sledi podobnemu vzorcu: tiste smeri, za katere so značilne največje razdalje med atomi, imajo relativno nižjo trdoto (slika 15).
Splošno znane so pomembne razlike v povprečni trdoti diamantov iz različnih nahajališč. Glavni razlogi za to so po vsej verjetnosti prisotnost ali odsotnost določenih primesi v diamantih in variabilnost stopnje popolnosti kristalne mreže, ki ima lahko glede na fizikalne in kemijske pogoje kristalizacije diamanta večjo ali manjše število različnih okvar.
Poudariti je treba, da so tudi »najmehkejši« diamanti mnogokrat trši od korunda in vseh drugih mineralov.
Poleg izjemno visoke trdote ima diamant lastnost cepljenja pod vplivom dovolj močnih in ostrih mehanskih vplivov in udarcev. Hkrati pa ne glede na zunanja oblika V diamantih se običajno razcepijo vzdolž ravnin, ki so vzporedne s ploskvami oktaedra. Sposobnost kristalov, da se cepijo vzdolž določenih površin vzporedno s svojimi ploskvami, se v mineralogiji imenuje cepitev. Ker ima oktaeder osem po parih vzporednih ploskev, je cepitev diamanta vzporedna s štirimi ravninami.
Razcep vzdolž ravnin oktaedra v kristalih diamanta je posledica neenakomerne razporeditve parnih ravnih atomskih mrež, usmerjenih vzporedno s ploskvami oktaedra. Razdalja med dvema paroma teh mrež je skoraj trikrat večja od razdalje med mrežami, ki tvorita vsak par. Cepljenje diamanta med obdelavo omogoča, da se namesto brušenja odlomijo deli kristala, ki imajo napake ali motijo dajanje zahtevani obrazec diamantov in vseh vrst tehničnih diamantnih izdelkov (matrice, rezila ipd.).
Diamant je dober prevodnik toplote. Pri drgnjenju se naelektri. Že zgoraj je bilo omenjeno, da imajo nekateri diamanti polprevodniške lastnosti in jih uvrščamo med polprevodnike p-tipa. Aktivacijska energija njihovih akceptorjev je 0,35-0,40 eV, upornost v temperaturnem območju od -100 do 600 ° C pa se spreminja v območju 250-750 ohm * cm.
Predpostavlja se, da so polprevodniške lastnosti diamantov posledica prisotnosti nečistoč bora v njih.
Zelo pomembna in zanimiva lastnost diamantov je tudi pojav svetlobnih bliskov in impulza električnega toka ob vstopu hitrih nabitih delcev v kristal. Svetlobni utrinki (scintilacije) v diamantih so tako intenzivni, da je vsak vir jedrskega sevanja z energijo nad le nekaj tisoč elektronvolti zanesljivo zaznan s pomočjo običajnih fotopomnoževalnih cevi.
Intenzivnost scintilacije je malo odvisna od energije elektronov. Pri temperaturah pod -50° C je skoraj konstanten, z naraščanjem temperature pa upada in pri 100° C popolnoma izgine. Kakršna koli povezava med scintilacijsko sposobnostjo in drugimi lastnostmi diamanta še ni bila ugotovljena. Študije v območju -125÷+ 230°C so pokazale, da se sposobnost štetja in fotoprevodnost diamanta povečujeta z nižanjem temperature. Prednosti diamantnih števcev so trdnost, stabilnost in vzdržljivost tudi v zelo agresivnih okoljih, pa tudi v okoljih z močnimi magnetnimi in gravitacijskimi polji.
Diamant ni dovzeten za učinke najmočnejših kislin (klorovodikova, žveplova, dušikova, fluorovodikova), tudi če jih zavremo. Prav tako ne reagira z alkalijami. In samo v talinah jedkih alkalij, solitra ali sode diamant oksidira in zgori.
Poskusi segrevanja diamantov so se začeli sredi 17. stoletja. v Firencah, so se nadaljevale v našem času. Ugotovljeno je bilo, da pri segrevanju na zraku na 850-1000 ° C diamant gori. V toku čistega kisika se vname pri 720-800 ° C. Ko začne goreti pri šibki rdeči vročini, se kamen hitro razbeli in zagori z modrim plamenom.
Ogrevanje pri normalnem atmosferskem tlaku brez kisika na temperaturo nad 1200-1500 ° C vodi do pretvorbe diamanta v grafit. Ta proces je precej počasen, hitrost transformacije pa narašča z naraščajočo temperaturo. Grafitizacija se začne na konicah in robovih, se razširi na celotno površino kristala in nato na njegove notranje dele. Posledično namesto bleščečega kristala diamanta dobimo motno črn grafitni agregat, ki ima obliko originalnega kamna, vendar je prostorninsko nekoliko večji (zaradi razlik v gostoti diamanta in grafita). Povratnega prehoda grafita v diamant pod atmosferskim tlakom ni mogoče doseči ne s segrevanjem ne z ohlajanjem ali na kakršen koli drug način.
Tako je pri atmosferskem tlaku stabilna modifikacija ogljika grafit, diamant pa je v teh pogojih nestabilna (metastabilna) modifikacija te snovi. Če je tako, se pojavita dve povsem naravni vprašanji. Prvič, zakaj se diamant spremeni v grafit šele z močnim segrevanjem, pri običajnih temperaturah pa se ne spremeni tisoče in, kot bomo videli v naslednjih poglavjih, celo stotine milijonov let? Drugič, pod kakšnimi pogoji ogljik kristalizira v obliki diamanta?
Odgovor na prvo od zastavljenih vprašanj dajejo rezultati študij fizikalnih in kemijskih procesov nastajanja kamnin
Črtkana območja meja nimajo eksperimentalne potrditve.
kamnine in minerali. Ugotovljeno je bilo, da se reakcije polimorfne transformacije (v nasprotju z na primer taljenjem) odvijajo z velikimi težavami in pri nizki hitrosti. Za začetek prehoda ene modifikacije v drugo, bolj stabilno, je potrebno, da imajo delci, ki tvorijo kristal (atomi, ioni), določeno količino energije, ki zadostuje za premagovanje "energijske pregrade" med prestrukturiranjem kristala. struktura. Nižja kot je temperatura, manjša je verjetnost premagovanja takšne "ovire" in nižja je hitrost transformacije.
pri nizke temperature stopnja transformacije lahko postane nič in takrat bo metastabilna modifikacija obstajala neomejeno dolgo.
Nizka stopnja konverzije je značilna za primere, kjer se polimorfi zelo razlikujejo po svoji kristalni strukturi. Prav zaradi zelo močnih razlik v strukturi kristalnih mrež ne pride do spontanega preoblikovanja diamanta v grafit pri običajnih temperaturah na zemeljskem površju.
Odgovor na drugo vprašanje - o pogoju za kristalizacijo ogljika v obliki diamanta - je bil pridobljen kot rezultat teoretičnih študij, katerih rezultati so bili v celoti potrjeni z eksperimentalnimi testi.
Sovjetski znanstvenik O. I. Leypunsky je na podlagi teoretičnih izhodišč izračunal, da je za pretvorbo grafita v diamant v trdni fazi potreben tlak približno 60.000 kgf / cm 2 in temperatura 1700-1800 ° C. Poudaril je tudi, možna tvorba diamanta pri nekoliko nižjih tlakih, če uporabljate snovi, za katere je značilno relativno nizko tališče in zadostna topnost ogljika. Ena od teh snovi se je imenovala železo.
Tabela 2. Primerjava nekaterih lastnosti diamanta in grafita
| Lastnosti | Diamant | Grafit |
| Struktura | Ogljikovi atomi so gosto zapakirani in vsak izmed njih je tesno vezan na štiri okoliške atome | Večplastna, sestavljena iz vzporednih plasti šesterokotne mreže; povezava med plastmi je šibka |
| Mohsova trdota | 10 (najvišje) | 1 (najmanj) |
| Gostota | 3,47-3,56 | 2,21-2,23 |
| Udarna moč | Krhko | Viskozna |
| cepitev | Povprečje v štirih smereh (ravnine) | Zelo popoln na eni ravnini |
| Barvanje | Brezbarvna, rumena, rjava, siva, manj pogosto črna, modra in rdeča | Jekleno siva in črna |
| Sijaj | Močna (diamant) | Kovina |
| Električna prevodnost | Šibek (polprevodnik tipa p, naelektren zaradi trenja) | dobro |
| Kemična odpornost | Pri sobni temperaturi in pri vrenju ne vpliva na kisline. Gori v staljenih alkalijah. Na zraku gori pri 850-1000 ° C, v toku kisika - pri 720-800 ° C. Brez dostopa zraka se pri segrevanju nad 1200 ° C spremeni v grafit. | Ne reagira s kislinami. Gori v staljenih alkalijah. Topi se pri 3850 ±50° C |
V poznih 50-ih in zgodnjih 60-ih letih XX stoletja. Termodinamične izračune stabilnosti diamanta in grafita pri različnih tlakih in temperaturah so izvedli številni raziskovalci.
Izračuni so bili izvedeni z različnimi stopnjami približevanja, vendar vsi kažejo, da je nastanek diamanta možen le pri visokih tlakih, merjenih v desettisočih kilogramih na kvadratni centimeter (slika 16). Teoretične ugotovitve o potrebi po visokih tlakih za tvorbo diamanta so bile v celoti eksperimentalno potrjene (slika 17) in so se zelo razširile praktično uporabo. Tovarne za proizvodnjo umetnih diamantov zdaj delujejo v številnih državah po svetu, njihova skupna proizvodnja pa znaša več deset milijonov karatov. Ta vprašanja so podrobneje obravnavana v naslednjem poglavju.
Glavne razlike med obravnavanimi polimorfnimi modifikacijami ogljika so povzete v tabeli. 2.
Nedavno so se pojavila poročila, da je Inštitut za organoelementne spojine Akademije znanosti ZSSR pridobil novo, tretjo obliko kristalnega ogljika - karbin. Kot začetni material za sintezo je bil uporabljen acetilen. Karbin, tako kot nekatere sorte diamanta, ima polprevodniške lastnosti in fotoprevodnost. V posameznih meteoritih so opazili prisotnost oblik kristalnega ogljika, ki so blizu karbinu.
Visoka kemična stabilnost in toplotna odpornost, relativno nizka gostota, absolutna nemagnetnost in številne druge lastnosti kristalnega ogljika spodbujajo iskanje novih ogljikovih materialov. Zelo obetavna smer Takšna raziskava je sinteza hibridnih snovi, ki združujejo posamezne lastnosti diamanta, grafita in karbina. Prvi koraki v tej smeri so že narejeni. Ogljikovo steklo se pridobiva iz premoga, ki združuje toplotno odpornost in kemična odpornost grafit z lastnostmi polprevodnika in ima še manjšo gostoto. Iskanje se nadaljuje.
Vsi poznajo snovi, kot sta grafit in diamant. Grafit najdemo povsod. Na primer, uporablja se za izdelavo jeder za preproste svinčnike. Grafit je snov, ki je precej dostopna in poceni. Toda snov, kot je diamant, se zelo razlikuje od grafita. Diamant je najdražji kamen, zelo redek in prozoren, za razliko od grafita. Težko je verjeti, vendar je kemijska formula grafita enaka kot pri diamantu. V tem članku bomo pogledali, kako je to mogoče.
Grafit: zgodovina in lastnosti minerala
Zgodovina grafita sega več tisoč let nazaj, zato je izredno težko določiti točno leto, ko se je začela njegova uporaba. Grafit je znan kot dober prevodnik elektrike. Poleg tega je ta mineral zelo krhek. Zato so mine za svinčnike narejene iz njega.
TO kemijske lastnosti mineral lahko pripišemo tvorbi inkluzijskih spojin s številnimi snovmi, kot so soli in mineral se ne topi v kislinah.
Formula grafita je C, to je eden od znanih šestih elementov periodnega sistema - ogljik.
Diamant: zgodovina in lastnosti minerala
Zgodovina diamanta je zelo nenavadna. Menijo, da so prvi diamant našli v Indiji. Takrat človeštvo nikoli ni moglo razumeti celotne moči tega kamna. Geologi so vedeli le, da je ta kamen zelo trd in vzdržljiv. Do 15. stoletja so bili diamanti vredni veliko manj kot smaragdi in rubini. In šele takrat je neznani draguljar med delom s kamnom dal čudovit rez, ki je kasneje postal znan kot diamantni rez. Takrat se je kamen pokazal v vsej svoji veličini.
Diamanti se uporabljajo predvsem v industriji. Ta mineral je najmočnejši na vsem svetu, zato iz njega izdelujejo abrazive, rezila za obdelavo trpežnih kovin in še veliko več.
Kot že vemo, je kemijska formula grafita C, enako formulo ima diamant.
Razlike med diamantom in grafitom
Kljub temu, da imajo minerali podobne kemijske formule, se med seboj močno razlikujejo videz in s kemijskega vidika.
Prvič, diamant in grafit imata povsem drugačno strukturo. Navsezadnje je grafit sestavljen iz mreže šesterokotnikov, medtem ko ima diamant kubično kristalno strukturo. Krhkost grafita je posledica dejstva, da je vez med njegovimi plastmi zelo lahko pretrgati, njegovi atomi se zlahka ločijo drug od drugega. Zaradi tega grafit zlahka absorbira svetlobo in je za razliko od diamanta zelo temen.
Razlikuje se po tem, da je en atom ogljika obdan s še štirimi atomi v obliki tetraedričnega trikotnika ali piramide. Vsak atom je enako oddaljen drug od drugega. Vezi med atomi so zelo močne, zato je diamant tako trd in trpežen. Druga lastnost diamanta je, da lahko prevaja svetlobo, za razliko od grafita.
Ali je nenavadno, da je formula grafita enaka formuli diamanta, vendar sta minerala popolnoma drugačna? ne! Navsezadnje diamant nastane po naravi pod ogromnim pritiskom in nato zelo hitrim ohlajanjem, medtem ko grafit nastane pri nizkem tlaku, a zelo visoki temperaturi.
snovi?
Alotropne snovi so zelo pomemben koncept v kemiji. To je osnova osnov, ki omogoča razlikovanje snovi med seboj.
V šoli se alotropne snovi preučujejo na primeru grafita in diamanta ter njihove razlike. Torej, ko smo preučili razlike med diamantom in grafitom, lahko sklepamo, da je alotropija obstoj v naravi dveh ali več snovi, ki se razlikujejo po svoji strukturi in lastnostih, vendar imajo podobne kemijska formula ali se nanašajo na en kemični element.
Izdelava diamanta iz grafita
Formula grafita - C - je znanstvenikom omogočila izvedbo številnih poskusov, zaradi katerih so odkrili alotropne snovi grafita.
Učitelji tako učencem kot študentom pripovedujejo o tem, kako so znanstveniki poskušali ustvariti diamante iz grafita. Ta zgodba je zelo zanimiva in fascinantna, prav tako pa vam omogoča, da se spomnite obstoja alotropnih snovi, kot sta grafit in diamant, ter njunih razlik.
Pred časom so znanstveniki poskušali iz grafita ustvariti diamante. Verjeli so, da bi lahko ustvarili diamant, če bi bila formula diamanta in grafita enaka, saj je bil kamen zelo drag in redek. Zdaj vemo, da se diamantni mineral pojavi v naravi pod visokim pritiskom in trenutnim ohlajanjem. Zato so se znanstveniki odločili eksplodirati grafit in s tem ustvariti potrebne pogoje za nastanek diamanta. In dejansko se je zgodil čudež: po eksploziji so na grafitu nastali zelo majhni diamantni kristali.
Uporaba grafita in diamanta
Danes se tako grafit kot diamant uporabljata predvsem v industriji. Toda približno 10% celotne proizvodnje diamantov gre v nakit. Najpogosteje so svinčniki izdelani iz grafita, saj je zelo krhek in lomljiv ter pušča sledi.
Grafit, brat premoga in diamanta
Na slikah, ki ponazarjajo prisotnost ogljika v mineralni naravi, je grafit upravičeno postavljen med premog in diamant. Po lastnostih je grafit res deloma podoben navadnemu premogu, deloma pa plemenitemu diamantu.
Naravni grafit ni vedno enak. Izvlečen iz globin je najpogosteje črn, gost, mehak in odlično piše na trdo površino. Zaradi tega so Grki črnemu mineralu dali vzdevek "grafit": "grafo" pomeni "pišem".
Ljudje, ki so bili manj nagnjeni k pisanju, so grafit (ohlapno prevedeno v ruščino) imenovali "črni svinec" in "ogljično železo", pa tudi "slivovik" in celo "skala" - saj so izdanki grafita najpogosteje skriti v skalnih razpokah.
Naravni grafit je lahko ne samo črn, ampak tudi siv, z jasnim kovinskim sijajem. Grafitna masa je pogosto polna nečistoč - vključno z zlatom - in industrijalci morajo uporabljati večstopenjske tehnologije za čiščenje grafita.
Medtem pa vsak metalurg ve, koliko grafita se sprosti pri hlajenju litega železa. Torej, ali ni lažje uporabiti umetni grafit namesto pridobivanja fosilnega grafita?
Različice grafita
Grafit ima večplastno strukturo. Ogljikovi atomi v grafitu so združeni v plošče debeline ene molekule. V idealnem primeru se plošče tesno prilegajo skupaj in zrastejo v šesterokotne tabularne kristale. Kristalni izrastki grafita so lahko stebraste, luskaste ali sferične oblike. Grafitni sferuliti včasih tvorijo masivne grozde, katerih okroglost spominja na stranice temnih sliv, prekrite s sijajnim premazom.Naravni grafit se lahko zmeša z amorfno ogljikovo ali glineno maso, plini, bitumnom in spojinami tujih elementov, vendar ima vedno kristalno strukturo in se zlahka očisti in pripelje do parametrov, potrebnih za proizvodnjo.
Plavški grafit, ki se v posameznih drobnih ploščah izpušča v okolje, je izmuzljiva snov. Zajamejo ga in odstranijo - običajno neposredno v podjetju, pri čemer ga uporabijo kot dodatek polnjenju - vendar je tehnologija draga in obseg tega odstranjevanja je majhen.
Bolj produktivna metoda je proizvodnja grafita iz visokoogljičnih surovin - hlapnih ogljikovodikov, antracita, koksa, smole. Osnova metode je segrevanje trdne surovinske mase na 2800°C, plinastega medija pa na 3000°C pri povišani temperaturi 500 atm. pritisk.
Tehnologije za pridobivanje naravnega in umetnega grafita so zelo drage. Vendar pa je izvedljivost takšnih stroškov nesporna: lastnosti grafita so edinstvene in kot material je v mnogih primerih preprosto nenadomestljiv.
Lastnosti grafita
Glavna praktična stvar lastnost grafita – odpornost na ekstremne toplotne obremenitve, inertnost v temperaturnem območju pod 2500°C, visoka električna prevodnost, nizek koeficient trenja v parih grafit-kovina. Poleg tega se grafit zlahka razcepi na kosmiče, ki se brez odlašanja prilepijo na katero koli površino. Tako fin grafitni prah postane odlično mazivo.Tališče grafita je blizu 4000 °C, kar omogoča, da se material uporablja kot laboratorijski medij za delo z ognjevzdržnimi kovinami. Visoka toplotna prevodnost minerala najde tudi svojo uporabo.
Plastičnost grafita omogoča oblikovanje delov poljubnih oblik iz njega. Stisnjen grafit je odlično primeren za mehansko obdelavo.
Najpomembnejša lastnost grafit je njegova sposobnost, da se spremeni v diamant.
Diamant iz grafita in grafit iz diamanta
Razlika med grafitom in diamantom je v gostoti ogljikovih plasti. Pri grafitu sta praktično ločena, pri diamantu pa sta povezana tako tesno, da kristalna mreža minerala prevzame kubično obliko. To pomeni, da se vsak atom ogljika v diamantu hkrati nahaja v treh medsebojno pravokotnih plasteh.Da bi se ogljikove plasti povezale med seboj, ni bilo izumljeno nič boljšega kot močno stiskanje in dvig temperature. najprej sintetični diamanti so dobili s segrevanjem grafita na 1800 °C pod pritiskom 120 tisoč atmosfer. Danes se izvaja proizvodnja finih diamantnih zrn pri temperaturah okoli 1200 °C in kratkotrajnem povečanju tlaka do 300 tisoč atm.
Reakcija je reverzibilna. Vsak diamant, segret na 1000°C, se začne spreminjati v grafit. Pri 2000°C proces poteka zelo hitro.
Uporaba grafita
V industriji se uporablja tako naravni kot sintetični grafit. V metalurgiji barvnih in ognjevarnih kovin je grafit nepogrešljiv kot material za obdelavo ali izdelavo brizgalnih kalupov. Sposobnost grafita, da se raztopi v segretih zlitinah, se uporablja za dodajanje določenih lastnosti izdelkom.Zmogljivost drsnih ležajev je zagotovljena z uporabo grafita. Pomembno je, da je stopnja obrabe grafitnega nosilca ali obroča konstantna v celotnem razponu delovnih temperatur ležajev in pogosto znaša več sto stopinj.
Grafit nima samo mazalnih, ampak tudi abrazivnih sposobnosti. Najfinejše polirne paste vsebujejo grafit. Uveden v sestavo tornih materialov, mineral poveča odpornost izdelkov na toploto.
Keramika, mešana z grafitom, je posebej odporna proti ognju. Električna prevodnost in odpornost materiala na erozijo omogočata izdelavo visokonapetostnih kontaktov, oblog šob in šob iz grafita.
Zaradi inertnosti grafita je odličen zaščitni premaz za vse vrste konstrukcij. Barve, ustvarjene na osnovi grafitne suspenzije v mehčalnem topilu, delujejo tako na trdih (beton, jeklo) kot na elastičnih (les, aluminij) površinah.
