هيكل الكريستال الماسي وشبكته البلورية. الماس المعدني الطبيعي: التركيب والخصائص الفيزيائية والكيميائية ما هي المادة التي يتكون منها الماس؟

الماس معدن طبيعي، وهو من أشهر وأغلى المعادن. هناك العديد من التكهنات والأساطير المحيطة به، خاصة فيما يتعلق بتكلفته والكشف عن المنتجات المزيفة. موضوع منفصل للدراسة هو العلاقة بين الماس والجرافيت. يعرف الكثير من الناس أن هذه المعادن متشابهة، ولكن لا يعرف الجميع ما هي بالضبط. ولا يستطيع الجميع الإجابة على سؤال حول مدى اختلافهم. ماذا نعرف عن بنية الماس؟ أو عن معايير التقييم أحجار الكريمة?

الماس هو أحد المعادن الثلاثة التي تعد تعديلًا بلوريًا للكربون. والاثنان الآخران هما الجرافيت واللونسداليت، والثاني يمكن العثور عليه في النيازك أو تصنيعه بشكل صناعي. وإذا كانت هذه الحجارة تعديلات سداسية، فإن نوع الشبكة البلورية الماسية هو مكعب. في هذا النظام يتم ترتيب ذرات الكربون بهذه الطريقة: واحدة عند كل قمة وفي وسط الوجه، وأربع داخل المكعب. وبذلك يتبين أن الذرات مرتبة على شكل رباعيات السطوح، وكل ذرة تقع في مركز إحداها. ترتبط الجزيئات ببعضها البعض بواسطة أقوى رابطة تساهمية، والتي بسببها يتمتع الماس بصلابة عالية.

الخواص الكيميائية

بشكل تقريبي، الماس عبارة عن كربون نقي، وبالتالي يجب أن تكون بلورات الماس شفافة تمامًا وتنقل كل الضوء المرئي. ولكن لا يوجد شيء مثالي في العالم، مما يعني أن هذا المعدن يحتوي أيضًا على شوائب. ويعتقد أن الحد الأقصى لمحتوى الشوائب في مجوهرات الماس يجب ألا يتجاوز 5٪. يمكن أن يشمل تكوين الماس مواد صلبة وسائلة وغازية، وأكثرها شيوعاً هي:

• نتروجين؛
• الألومنيوم؛
• السيليكون.
• الكالسيوم.
• المغنيسيوم.

قد تشتمل التركيبة أيضًا على الكوارتز والعقيق والأوليفين ومعادن أخرى وأكاسيد الحديد والماء ومواد أخرى. غالبا ما توجد هذه العناصر في المعدن في شكل شوائب معدنية ميكانيكية، ولكن بعضها يمكن أن يحل محل الكربون في بنية الماس - وتسمى هذه الظاهرة التماثل. في هذه الحالة، يمكن أن تؤثر الادراج بشكل كبير على لونه، وتمنحه شوائب النيتروجين خصائص الانارة.

الخصائص الفيزيائية

هيكل الماس يحدد الخصائص الفيزيائيةويتم تقييمهم وفق أربعة معايير:

• صلابة؛
• كثافة؛
• تشتت وانكسار الضوء.
• خلية بلورية.

ويتم تقييم صلابة المعادن من خلال تصنيفها وفق هذا النظام وهو 10، وهذا هو المؤشر الأقصى. التالي في القائمة هو اكسيد الالمونيوم، مؤشره 9، ولكن صلابته أقل 150 مرة، مما يعني التفوق المطلق للماس في هذا المؤشر.

ومع ذلك، فإن صلابة المعدن لا تعني قوته. الماس هش للغاية وينكسر بسهولة إذا ضربته بمطرقة.

يتم تحديد الثقل النوعي للماس (الكثافة) في النطاق من 3.42 إلى 3.55 جم/سم 3 . ويتم تحديده بنسبة وزن المعدن إلى وزن الماء بنفس الحجم.

بالإضافة إلى الصلابة، فهو يتميز أيضًا بمعامل انكسار الضوء العالي (2.417-2.421) والتشتت (0.0574). هذا المزيج من الخصائص يسمح للماس بأن يكون أثمن حجر مجوهرات ومثالي.

تعتبر الخصائص الفيزيائية الأخرى للمعادن مهمة أيضًا، مثل الموصلية الحرارية (900-2300 واط / م ك)، وهي أيضًا الأعلى بين جميع المواد. يمكن للمرء أيضًا ملاحظة قدرة المعدن على عدم الذوبان في الأحماض والقلويات، وخصائصه العازلة، ومعامل احتكاك منخفض للمعادن في الهواء، ونقطة انصهار عالية تبلغ 3700-4000 درجة مئوية عند ضغط 11 جيجا باسكال.

أوجه التشابه والاختلاف بين الماس والجرافيت

يعد الكربون من أكثر العناصر وفرة على وجه الأرض، ويوجد في العديد من المواد، وخاصة الكائنات الحية. يتكون الجرافيت، مثل الماس، من الكربون، ولكن هياكل الماس والجرافيت مختلفة تمامًا. يمكن أن يتحول الماس إلى جرافيت تحت تأثير درجات الحرارة المرتفعة دون الوصول إلى الأكسجين، لكنه في الظروف العادية قادر على البقاء دون تغيير إلى أجل غير مسمى، وهذا ما يسمى قابلية الاستقرار، وإلى جانب ذلك فإن نوع الشبكة البلورية الماسية هو مكعب. لكن الجرافيت عبارة عن معدن متعدد الطبقات، ويبدو هيكله كسلسلة من الطبقات الموجودة في مستويات مختلفة. تتكون هذه الطبقات من أشكال سداسية تشكل نظامًا يشبه قرص العسل. تتشكل الروابط القوية بين هذه الأشكال السداسية فقط، ولكنها تكون ضعيفة للغاية بين الطبقات، وهو ما يسبب تشكل طبقات المعدن. بالإضافة إلى صلابة منخفضة، يمتص الجرافيت الضوء وله بريق معدني، وهو أيضًا مختلف جدًا عن الماس.

هذه المعادن هي المثال الأكثر وضوحا على التآصل - وهي ظاهرة يكون فيها للمواد خصائص فيزيائية مختلفة، على الرغم من أنها تتكون من نفس العنصر الكيميائي.

أصل الماس

لا يوجد رأي واضح حول كيفية تشكل الماس في الطبيعة، فهناك نظريات تتعلق بالصهارة والوشاح والنيزك وغيرها. ومع ذلك، فإن الأكثر شيوعا هو النارية. ويعتقد أن الماس يتشكل على عمق حوالي 200 كيلومتر تحت ضغط 50 ألف ضغط جوي، ثم يتم إحضاره إلى السطح مع الصهارة أثناء تكوين أنابيب الكمبرلايت. ويتراوح عمر الألماس من 100 مليون إلى 2.5 مليار سنة. كما ثبت علميا أن الألماس يمكن أن يتشكل عندما يصطدم نيزك بسطح الأرض، ويمكن العثور عليه أيضا في صخرة النيزك نفسها. ومع ذلك، فإن البلورات من هذا الأصل صغيرة الحجم للغاية ونادرا ما تكون مناسبة للمعالجة.

رواسب الماس

كانت الرواسب الأولى التي تم فيها اكتشاف الماس واستخراجه موجودة في الهند، ولكن بحلول نهاية القرن التاسع عشر كانت قد استنفدت بشدة. ومع ذلك، فقد تم استخراج العينات الأكثر شهرة وكبيرة ومكلفة هناك. وفي القرنين السابع عشر والتاسع عشر، تم اكتشاف رواسب المعدن في البرازيل وجنوب أفريقيا. التاريخ مليء بالأساطير والحقائق حول اندفاع الماس، والتي ترتبط على وجه التحديد بمناجم جنوب إفريقيا. تقع آخر رواسب الماس المكتشفة في كندا، ولم يبدأ تطويرها إلا في العقد الأخير من القرن العشرين.

تعد مناجم ناميبيا مثيرة للاهتمام بشكل خاص، على الرغم من أن استخراج الماس هناك صعب وخطير. تتركز الرواسب البلورية تحت طبقة من التربة، والتي، على الرغم من تعقيد العمل، تشير إلى الجودة العالية للمعادن. الماس الذي سافر عدة مئات من الكيلومترات إلى السطح مع احتكاك مستمر بالصخور الأخرى، هو عبارة عن بلورات ذات جودة منخفضة لن تتحمل مثل هذه الرحلة، وبالتالي فإن 95٪ من الأحجار المستخرجة هي ذات جودة مجوهرات. كما توجد أيضًا مشهورة وغنية بالمعادن في روسيا وبوتسوانا وأنغولا وغينيا وليبيريا وتنزانيا ودول أخرى.

معالجة الماس

تتطلب معالجة الماس خبرة ومعرفة ومهارات هائلة. قبل البدء في العمل، من الضروري دراسة الحجر بدقة من أجل الحفاظ على وزنه لاحقا قدر الإمكان والتخلص من الشوائب. النوع الأكثر شيوعًا من قطع الألماس هو المستدير، فهو يسمح للحجر بالتألق بكل ألوانه ويعكس الضوء بشكل إيجابي قدر الإمكان. لكن هذا النوع من العمل هو أيضًا الأصعب: فالماس المستدير يحتوي على 57 مستوى، وعند قطعه، من المهم الحفاظ على أبعاد دقيقة. الأنواع الشائعة أيضًا من القطع هي: البيضاوي، الدمعة، القلب، الماركيز، الزمرد وغيرها. هناك عدة مراحل لمعالجة المعادن:

• العلامات؛
• شق؛
• نشر؛
• التقريب؛
• يقطع.

لا يزال يُعتقد أنه بعد معالجة الماس يفقد حوالي نصف وزنه.

معايير تصنيف الماس

عند استخراج الماس، فإن 60٪ فقط من المعادن صالحة للمعالجة؛ وبطبيعة الحال، فإن تكلفة الحجارة غير المقطوعة أقل بكثير من سعر الماس (أكثر من مرتين). يتم تقييم الماس وفقًا لنظام 4C:

1. قيراط (الوزن بالقيراط) - 1 قيراط يساوي 0.2 جرام.
2. اللون (اللون) - لم يتم العثور على الماس الأبيض النقي عمليًا، فمعظم المعادن لها ظل معين. وتعتمد قيمته إلى حد كبير على لون الماس؛ فمعظم الأحجار الموجودة في الطبيعة لها لون أصفر أو بني؛ أما الأحجار الوردية والزرقاء والخضراء فهي أقل شيوعًا. أندر وأجمل وبالتالي أغلى المعادن ذات الألوان الغنية ويطلق عليها اسم فاخر. أندرها الأخضر والأرجواني والأسود.
3. يعد الوضوح (النقاء) أيضًا مؤشرًا مهمًا يحدد وجود عيوب في الحجر ويؤثر بشكل كبير على تكلفته.
4. قطع (قطع) - يعتمد إلى حد كبير على القطع مظهرالماس إن انكسار الضوء وانعكاسه، وهو نوع من اللمعان "الماس"، يجعل هذا الحجر ذا قيمة كبيرة، ويمكن أن يؤدي الشكل أو النسب غير الصحيحة أثناء المعالجة إلى تدميره تمامًا.

تصنيع الماس الاصطناعي

تتيح التكنولوجيا الآن إمكانية "زراعة" الماس الذي لا يمكن تمييزه عمليا عن الماس الطبيعي. هناك عدة طرق التوليف:

كيفية التمييز بين الأصلي والمزيف

عند الحديث عن طرق تحديد أصالة الماس، يجدر التمييز بين اختبار أصالة الماس والماس الخام. يمكن لأي شخص عديم الخبرة أن يخلط بين الماس والكوارتز والكريستال والمعادن الشفافة الأخرى وحتى الزجاج. ومع ذلك، بدنيًا و استثنائيًا الخواص الكيميائيةالماس يجعل من السهل اكتشاف المنتجات المزيفة.

بادئ ذي بدء، يجدر بنا أن نتذكر الصلابة. يمكن لهذا الحجر أن يخدش أي سطح، لكن ماسة أخرى فقط يمكنها ترك علامات عليه. كما أنه لا يبقى عرق على البلورة الطبيعية إذا تنفست عليها. سيكون للحجر الرطب علامة مثل قلم الرصاص إذا قمت بوضع الألومنيوم عليه. يمكنك التحقق من ذلك بالأشعة السينية: حجر طبيعيتحت الإشعاع يكون له لون أخضر غني. أو انظر من خلاله إلى النص: سيكون من المستحيل تمييزه من خلال الماس الطبيعي. ومن الجدير بالذكر أيضًا أنه يمكن التحقق من طبيعة الحجر من خلال انكسار الضوء: من خلال إمساك الحجر الأصلي بمصدر ضوء، يمكنك فقط رؤية نقطة مضيئة في المركز.

الماس- أصعب المعادن، وهو تعديل مكعب متعدد الأشكال (متآصل) للكربون (C)، مستقر عند الضغط العالي. عند الضغط الجوي ودرجة حرارة الغرفة، يكون مستقرًا، لكنه يمكن أن يوجد إلى أجل غير مسمى دون أن يتحول إلى الجرافيت، وهو مستقر في ظل هذه الظروف. وفي الفراغ أو في غاز خامل عند درجات حرارة مرتفعة، يتحول تدريجيا إلى الجرافيت.

بناء

النظام الماسي مكعب، المجموعة الفضائية Fd3m. الخلية الأولية للشبكة البلورية الماسية عبارة عن مكعب متمركز حول الوجه، حيث توجد ذرات الكربون في أربعة قطاعات مرتبة في نمط رقعة الشطرنج. بخلاف ذلك، يمكن تمثيل البنية الماسية على شكل شبكتين مكعبتين متمركزتين على الوجه، ومتباعدتين بالنسبة لبعضهما البعض على طول القطر الرئيسي للمكعب بمقدار ربع طوله. تم العثور على بنية مشابهة للماس في السيليكون، وتعديل درجات الحرارة المنخفضة للقصدير وبعض المواد البسيطة الأخرى.

تحتوي بلورات الماس دائمًا على عيوب مختلفة في البنية البلورية (نقطة، عيوب خطية، شوائب، حدود الحبوب الفرعية، وما إلى ذلك). تحدد هذه العيوب إلى حد كبير الخصائص الفيزيائية للبلورات.

ملكيات

يمكن أن يكون الماس عديم اللون أو شفافًا للماء أو ملونًا بظلال مختلفة من الأصفر والبني والأحمر والأزرق والأخضر والأسود والرمادي.
غالبًا ما يكون توزيع الألوان غير متساوٍ أو غير مكتمل أو مناطقي. تحت تأثير الأشعة السينية والكاثود و الأشعة فوق البنفسجيةتبدأ معظم قطع الألماس في التوهج (التألق) باللون الأزرق والأخضر والوردي وغيرها من الألوان. تتميز بانكسار الضوء العالي بشكل استثنائي. يعد مؤشر الانكسار (2.417 إلى 2.421) والتشتت القوي (0.0574) مسؤولين عن اللمعان الرائع و"اللعب" متعدد الألوان للأحجار الكريمة المقطوعة من الماس، والتي تسمى اللامعة. لمعان قوي، من الماسي إلى الدهني. كثافته 3.5 جم/سم3. على مقياس موس، تبلغ الصلابة النسبية للماس 10، والصلابة المطلقة أعلى 1000 مرة من صلابة الكوارتز و150 مرة من اكسيد الالمونيوم. وهي الأعلى بين جميع المواد الطبيعية والاصطناعية. وفي الوقت نفسه، فهي هشة للغاية وتتكسر بسهولة. الكسر محاري. لا يتفاعل مع الأحماض والقلويات في غياب العوامل المؤكسدة.
في الهواء، يحترق الماس عند درجة حرارة 850 درجة مئوية ويتكون ثاني أكسيد الكربون؛ وفي الفراغ عند درجات حرارة أعلى من 1500 درجة مئوية يتحول إلى الجرافيت.

علم التشكل المورفولوجيا

مورفولوجيا الماس متنوعة للغاية. ويحدث ذلك في شكل بلورات مفردة وفي شكل نمو متعدد البلورات ("اللوح"، "بالاس"، "كربونادو"). الماس من رواسب الكمبرلايت له شكل واحد مشترك ذو وجه مسطح - المجسم الثماني. في الوقت نفسه، يكون الماس ذو الأشكال المنحنية المميزة شائعًا في جميع الرواسب - ثنائيات السطوح المعينية (بلورات تشبه الاثني عشر وجهًا معينيًا، ولكن ذات حواف مستديرة)، ومكعبات (بلورات ذات شكل منحني). كما أظهرت الدراسات التجريبية ودراسة العينات الطبيعية، في معظم الحالات، تنشأ بلورات على شكل ثنائي السطوح نتيجة لذوبان الماس بواسطة ذوبان الكمبرلايت. تتشكل المكعبات نتيجة النمو الليفي النوعي للألماس وفق آلية النمو الطبيعي.

البلورات الاصطناعية التي تنمو عند ضغوط ودرجات حرارة عالية غالبًا ما يكون لها وجوه مكعبة، وهذا أحد الاختلافات المميزة بينها وبين البلورات الطبيعية. عندما ينمو الماس في ظروف شبه مستقرة، فإنه يتبلور بسهولة في شكل أفلام ومجموعات عمودية.

وتختلف أحجام البلورات من مجهرية إلى كبيرة جدًا، مثل كتلة أكبر ماسة “كولينان” التي عثر عليها عام 1905. وفي جنوب أفريقيا 3106 قيراط (0.621 كجم).
تم قضاء عدة أشهر في دراسة الماسة الضخمة، وفي عام 1908 تم تقسيمها إلى 9 قطع كبيرة.
يعتبر الماس الذي يزيد وزنه عن 15 قيراطًا نادرًا، لكن الماس الذي يزيد وزنه عن مائة قيراط فريد من نوعه ويعتبر نادرًا. هذه الحجارة نادرة جدًا وغالبًا ما تحظى بأسمائها الخاصة وشهرتها العالمية ومكانتها الخاصة في التاريخ.

أصل

على الرغم من أن الماس غير مستقر في الظروف العادية، إلا أنه بسبب ثبات تركيبه البلوري، فإنه يمكن أن يوجد إلى أجل غير مسمى دون أن يتحول إلى تعديل مستقر للكربون - الجرافيت. يتبلور الماس الذي يتم إحضاره إلى السطح بواسطة الكمبرلايت أو اللامبرويت في الوشاح على عمق 200 كيلومتر. أو أكثر عند ضغط يزيد عن 4 GPa ودرجة حرارة 1000 - 1300 درجة مئوية. يوجد أيضًا في بعض الرواسب ماس أعمق يتم جلبه من المنطقة الانتقالية أو من الوشاح السفلي. إلى جانب ذلك، يتم نقلها إلى سطح الأرض نتيجة العمليات الانفجارية المصاحبة لتكوين أنابيب الكمبرلايت، والتي يحتوي 15-20٪ منها على الماس.

تم العثور على الماس أيضًا في المجمعات المتحولة ذات الضغط العالي جدًا. وهي مرتبطة بالإكلوجيتات والنيس العقيق المتحول بعمق. تم العثور على الماس الصغير بكميات كبيرة في النيازك. لديهم أصل قديم جدًا ما قبل الطاقة الشمسية. كما أنها تتشكل في كتل نجمية كبيرة - حفر نيزكية عملاقة، حيث تحتوي الصخور المنصهرة على كميات كبيرة من الماس البلوري الناعم. الرواسب المعروفة من هذا النوع هي Popigai astrobleme في شمال سيبيريا.

الماس نادر ولكنه في نفس الوقت معدن منتشر على نطاق واسع. رواسب الماس الصناعية معروفة في جميع القارات باستثناء القارة القطبية الجنوبية. هناك عدة أنواع من رواسب الماس معروفة. لعدة آلاف من السنين، تم استخراج الماس من الرواسب الغرينية. فقط في نهاية القرن التاسع عشر، عندما تم اكتشاف أنابيب الكمبرلايت الحاملة للماس لأول مرة، أصبح من الواضح أن الماس لا يتشكل في رواسب الأنهار. بالإضافة إلى ذلك، تم العثور على الماس في صخور القشرة الأرضية في تجمعات تحول الضغط العالي للغاية، على سبيل المثال في كتلة كوكشيتاف في كازاخستان.

يشكل كل من الماس الأثري والماس المتحول في بعض الأحيان رواسب كبيرة جدًا، مع احتياطيات كبيرة وتركيزات عالية. ولكن في هذه الأنواع من الرواسب، يكون الماس صغيرًا جدًا لدرجة أنه ليس له قيمة صناعية. ترتبط رواسب الماس التجارية بأنابيب الكمبرلايت واللامبرويت المرتبطة بالكراتونات القديمة. الودائع الرئيسية من هذا النوع معروفة في أفريقيا وروسيا وأستراليا وكندا.

طلب

يتم قطع البلورات الجيدة واستخدامها في المجوهرات. حوالي 15٪ من الماس المستخرج يعتبر مجوهرات، و 45٪ أخرى تعتبر شبه مجوهرات، أي أنها أقل شأنا من المجوهرات من حيث الحجم أو اللون أو النقاء. ويبلغ إنتاج الماس العالمي حاليًا حوالي 130 مليون قيراط سنويًا.
الماس(من الفرنسية الرائعة - الرائعة)، هي الماس الذي تم منحه شكلاً خاصًا من خلال المعالجة الميكانيكية (القطع)، القطع اللامع، الذي يزيد من الخصائص البصرية للحجر مثل التألق وتشتت اللون.
تُستخدم قطع الماس الصغيرة جدًا والشظايا غير المناسبة للقطع كمادة كاشطة لتصنيع أدوات الماس اللازمة لمعالجة المواد الصلبة وقطع الماس نفسه. يُطلق على مجموعة متنوعة من الماس ذو اللون الأسود أو الرمادي الداكن، والتي تشكل مجاميع كثيفة أو مسامية كاربونادو، يتمتع بمقاومة للتآكل أعلى من بلورات الماس، وبالتالي فهو ذو قيمة خاصة في الصناعة.

كما يتم زراعة بلورات صغيرة بشكل مصطنع بكميات كبيرة. يتم الحصول على الماس الاصطناعي من مواد مختلفة تحتوي على الكربون، وخاصة من الجرافيت. الأجهزة عند 1200-1600 درجة مئوية وضغوط تتراوح بين 4.5-8.0 GPa في وجود Fe أو Co أو Cr أو Mn أو سبائكها. وهي مناسبة للاستخدام الفني فقط.

الماس - ج

تصنيف

سترونز (الطبعة الثامنة)	1/ب.02-40
دانا (الطبعة السابعة)	1.3.5.1
دانا (الطبعة الثامنة)	1.3.6.1
يا المرجع CIM.	1.24

الخصائص الفيزيائية

اللون المعدني	عديم اللون، بني مصفر يتلاشى إلى الأصفر والبني والأسود والأزرق والأخضر أو ​​الأحمر والوردي والبني كونياك والأزرق والأرجواني (نادر جدًا)
حلقه ملونه	لا
الشفافية	شفافة، شفافة، مبهمة
يشرق	الماس، جريئة
انقسام	المجسم الثماني الكمال
الصلابة (مقياس موس)	10
شبك	غير متساو
قوة	قابل للكسر
الكثافة (مقاسة)	3.5 - 3.53 جم/سم3
النشاط الإشعاعي (GRapi)	0
الخصائص الحرارية	الموصلية الحرارية العالية. يكون ملمسه باردًا، ولهذا السبب يُطلق على الماس اسم "الثلج" في العامية.

في هذه المقالة:

الماس معدن ثمين وهو أيضًا أصلب مادة على وجه الأرض. ومن بين المجوهرات، يعد الألماس من أغلى الأحجار التي تجذب انتباه الفتيات. ولذلك، يهتم الكثير من الناس بكيفية تكوين الحجر، وما هي تركيبة الماس، وما إذا كان من الممكن زراعته في المختبر. لا يزال العلماء، بعد قرن من التجارب، غير قادرين على الإجابة على جميع الأسئلة بدقة، لأنه في بعض الحالات يتصرف الحجر بشكل غير طبيعي.

صيغة المادة

الماس مصنوع بالكامل من الكربون. ويتواجد هذا العنصر بحوالي 0.15% في القشرة الأرضية. العدد الذري للمادة هو 6، مما يدل على عدد البروتونات في النواة. وبناء على ذلك، فإن الماس، الذي يتكون بالكامل من الكربون، أي شكل متآصل لهذه المادة، له نفس العدد الذري.

ترتيب الذرات في الماس والجرافيت

مثل هذا المفهوم كشكل من أشكال التعديل المتآصل يعني أنه من مادة بسيطة، على سبيل المثال، الكربون، يمكن تشكيل مواد بسيطة أخرى، والتي ستختلف عن بعضها البعض في الخصائص والبنية الذرية. أي أن المحتوى هو نفسه، لكن الشكل والمظهر مختلفان تمامًا، خذ على الأقل الأضداد: الجرافيت والماس. علاوة على ذلك، يعد الكربون أحد المواد القليلة التي تحتوي على عدة أشكال من التعديلات.

هناك مواد تتكون من الكربون فقط:

• الماس؛
• الجرافيت؛
• كاربين.
• لونسداليت.
• الفوليرين.
• وأنابيب الكربون النانوية لصنع الألياف الدقيقة؛
• الجرافين.
• الفحم والسخام.

السؤال المثير للاهتمام بالنسبة للعلماء هو ما إذا كان من الممكن تحويل أحد التعديلات المتآصلة إلى آخر. وهذا هو بالضبط ما يفعلونه فيما يتعلق بالجرافيت والمواد الأخرى من هذه المجموعة. لأن تكلفة الماس هي الأعلى، وسعر التعديلات الأخرى أقل. حتى الآن، العملية ممكنة فقط في الاتجاه المعاكس: إذا تم تسخين الماس بدون هواء إلى درجة حرارة تزيد عن 500 درجة مئوية، فسوف ينفجر الحجر ويتحول إلى الجرافيت. علاوة على ذلك، فإن المزيد من ذوبان الحجر يظهر نتائج شاذة، تختلف عن المواد الأخرى. لكن رد الفعل لا يحدث في الاتجاه المعاكس.

يتم تفسير الفرق بين التعديلات من خلال بنية الشبكة البلورية للمادة. الصيغة الكيميائية لا تلعب أي دور هنا. بيت القصيد يكمن في التكوين المكاني لذرات الكربون والروابط بينها. وهكذا، في هيكل الماس، والشبكة لديها هيكل مكعب.

الرابطة بين الذرات هي الأقوى، من وجهة نظر كيميائية، تساهمية. علاوة على ذلك، يستخدم النظام المكعب 18 ذرة فقط ويعتبر الشكل الأكثر كثافة لتعبئة هذه الجزيئات. لذلك، الماس هو أصلب مادة على هذا الكوكب.

وفي مراكز وجوه رباعي الاسطح توجد أيضًا ذرات مرتبطة ببعضها البعض تساهميًا. ولكن إذا نظرنا إلى نفس الجرافيت، فعندئذ في شبكته البلورية، تكون بعض الروابط تساهمية، وبعضها ثاني كبريتيد، والذي يميل إلى الانكسار. ونتيجة لذلك، يمكن للإلكترونات أن تهاجر، وتكتسب المادة خصائص معدنية.

ولكن هذا تحليل للأشكال الذرية للكربون، حيث أن الذرات هي التي تشكل الشبكة البلورية. ولكن في الآونة الأخيرة، اكتشف العلماء الأشكال الجزيئية للمادة في تكوين الفوليرين، متعددات الوجوه المصنوعة من الكربون. والآن تم اكتشاف مركبات جزيئية جديدة تحتوي على الكربون - من C60 إلى C540، وهي قيد الدراسة.

واستنادا إلى الصيغة، فضلا عن تكوين الذرات، يحاول العلماء إعادة إنشاء الصورة في المختبر. في الطبيعة، يوجد الماس في أنابيب الكمبرلايت واللامبرويت، وكذلك في الغرينيات. تتشكل الحجارة على مدى ملايين السنين تحت ظروف معينة تتعلق بالصخور النارية والنشاط الزلزالي وأيضا تحت تأثير درجات الحرارة المرتفعة.

هناك أيضًا نسخة حول إدخال الماس مع النيازك، حيث يوجد الكثير من الكربون في الفضاء الخارجي. اكتشف العلماء أيضًا أحد تعديلاته - اللوسداليت - في النيازك.

يتم اليوم إنتاج الماس بالطرق التالية:

• تحت الضغط ودرجة الحرارة المرتفعة آلات خاصة. يحاول العلماء الحصول على الجرافيت لتكوين روابط تساهمية جديدة. ويسمى هذا النوع من الحجر HPHT.
• تتضمن طريقة الفيلم أيضًا الجرافيت، الذي يتم ترسبه تحت تأثير بخار الميثان.
• إنتاج الحجارة بسبب التوليف المتفجر.

على الرغم من أن الجميع يعرف صيغة الماس، أو مادته غير المقطوعة (الماس)، إلا أن أياً من العلماء لم يتمكن من إعادة إنتاج حجر بدقة بنفس البنية الشبكية البلورية، كما فعلت الطبيعة. لذلك، تعتمد تكلفة الحجر على مستوى عالوالإنتاج من أحشاء الأرض لا يتوقف.

الخصائص الفيزيائية للماس

الشوائب في الماس

وبطبيعة الحال، لا يوجد شيء مثالي في الطبيعة. لذلك، يحتوي الألماس أيضاً على شوائب معينة لا تنعكس في تركيبة المادة، رغم أنها تؤثر على مظهره. على وجه الخصوص، يتغير ظل الحجر وشفافيته، ولكن لا تتغير خصائصه. يمكن أن يصل عدد هذه الشوائب إلى 1018 ذرة لكل 1 سم 3. واعتمادًا على نوع الشوائب، يكتسب الحجر ظلًا، وتتغير أيضًا تكلفة الماس. ومن هذه الشوائب:

• السيليكون.
• الكالسيوم.
• المغنيسيوم؛
• نتروجين؛
• الألومنيوم.

وحتى لا يتم الإخلال بتركيبة الحجر وتكوينه، يجب ألا تزيد نسبة هذه المواد عن 2% من النوع الواحد، ولا تزيد عن 5% بشكل عام. إذا كانت كمية الشوائب في الماس أكبر، فإن الحجر يغير مظهره بشكل كبير ولا يستخدم في المجوهرات، ولكن يتم إرساله للاحتياجات الصناعية.

معظم المواد الصلبة لديها بلوريالهيكل الذي يتميز ترتيب محدد بدقة للجزيئات. إذا قمت بتوصيل الجسيمات بخطوط تقليدية، فستحصل على إطار مكاني يسمى شعرية الكريستال. تسمى النقاط التي تقع فيها الجزيئات البلورية بالعقد الشبكية. قد تحتوي عقد الشبكة الوهمية على ذرات أو أيونات أو جزيئات.

اعتمادا على طبيعة الجزيئات الموجودة في العقد وطبيعة الاتصال بينها، يتم تمييز أربعة أنواع من الشبكات البلورية: الأيونية والمعدنية والذرية والجزيئية.

أيوني تسمى الشبكات التي توجد في عقدها أيونات.

تتشكل من مواد ذات روابط أيونية. توجد في عقد هذه الشبكة أيونات موجبة وسالبة متصلة ببعضها البعض عن طريق التفاعل الكهروستاتيكي.

تحتوي الشبكات البلورية الأيونية على أملاح وقلويات، أكاسيد المعادن النشطة. يمكن أن تكون الأيونات بسيطة أو معقدة. على سبيل المثال، في المواقع الشبكية لكلوريد الصوديوم توجد أيونات الصوديوم البسيطة Na والكلور Cl − ، وفي المواقع الشبكية لكبريتات البوتاسيوم تتناوب أيونات البوتاسيوم البسيطة K وأيونات الكبريتات المعقدة S O 4 2 −.

الروابط بين الأيونات في مثل هذه البلورات قوية. ولذلك فإن المواد الأيونية صلبة، حرارية، غير متطايرة. هذه المواد جيدة تذوب في الماء.

شعرية كريستال من كلوريد الصوديوم

كريستال كلوريد الصوديوم

معدن تسمى الشبكات، والتي تتكون من أيونات موجبة وذرات معدنية وإلكترونات حرة.

تتشكل من مواد ذات روابط معدنية. توجد في عقد الشبكة المعدنية ذرات وأيونات (إما ذرات أو أيونات، والتي تتحول إليها الذرات بسهولة، وتتخلى عن إلكتروناتها الخارجية للاستخدام الشائع).

تتميز هذه الشبكات البلورية بمواد بسيطة من المعادن والسبائك.

يمكن أن تختلف درجات انصهار المعادن (من \(–37\) درجة مئوية للزئبق إلى ألفين إلى ثلاثة آلاف درجة). ولكن كل المعادن لها خاصية تألق معدني، المرونة، ليونة، توصيل الكهرباء بشكل جيدوالدفء.

شبكة كريستال معدنية

المعدات

تسمى الشبكات الذرية بالشبكات البلورية، حيث توجد في العقد ذرات فردية متصلة بواسطة روابط تساهمية.

يحتوي الماس على هذا النوع من الشبكة - أحد التعديلات المتآصلة للكربون. تشمل المواد ذات الشبكة البلورية الذرية الجرافيت والسيليكون والبورون والجرمانيوم، وكذلك المواد المعقدة، على سبيل المثال carborundum SiC و السيليكا، الكوارتز، الكريستال الصخري، الرملوالتي تشمل أكسيد السيليكون (\(IV\)) Si O 2.

وتتميز هذه المواد قوة عاليةوالصلابة. وبالتالي فإن الماس هو أصلب مادة طبيعية. المواد ذات الشبكة البلورية الذرية لها تأثير كبير جدًا درجات حرارة عاليةذوبانوالغليان.على سبيل المثال، نقطة انصهار السيليكا هي \(1728\) درجة مئوية، بينما بالنسبة للجرافيت تكون أعلى - \(4000\) درجة مئوية. البلورات الذرية غير قابلة للذوبان عمليا.

شعرية الكريستال الماس

الماس

جزيئي تسمى الشبكات التي توجد في عقدها جزيئات متصلة بتفاعلات ضعيفة بين الجزيئات.

على الرغم من أن الذرات الموجودة داخل الجزيئات مرتبطة بروابط تساهمية قوية جدًا، إلا أن قوى الجذب بين الجزيئات الضعيفة تعمل بين الجزيئات نفسها. ولذلك، فإن البلورات الجزيئية لديها قوة ضعيفةوالصلابة، نقاط انصهار منخفضةوالغليان. العديد من المواد الجزيئية هي سوائل وغازات في درجة حرارة الغرفة. هذه المواد متطايرة. على سبيل المثال، يتبخر اليود البلوري وأول أكسيد الكربون الصلب (\(IV\)) ("الثلج الجاف") دون أن يتحول إلى حالة سائلة. بعض المواد الجزيئية لها يشم .

يحتوي هذا النوع من الشبكات على مواد بسيطة في حالة صلبة من التجميع: غازات نبيلة ذات جزيئات أحادية الذرة (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn )، فضلا عن المعادن غير مع اثنين و جزيئات متعددة الذرات (ح2، يا2، ن2، كل2، ط2، يا3، ع4، ق8).

لديهم شبكة بلورية جزيئيةوكذلك المواد ذات الروابط القطبية التساهمية: الماء - الجليد، الأمونيا الصلبة، الأحماض، أكاسيد غير معدنية. غالبية مركبات العضويةهي أيضا بلورات جزيئية (النفثالين والسكر والجلوكوز).

يهتم عشاق الأحجار الكريمة جدًا بموضوع بنية الماس ووصفه وخصائصه الفيزيائية والميكانيكية والكيميائية الأساسية. هذا الحجر الجميل غير معدني في تركيبه الكيميائي وله هيكل بلوري. في لغة الكيميائيين، الأدمانتيوم هو شكل مكعب متآصل من الكربون. وفي المجوهرات، يعتبر هذا النوع من الكربون أغلى الأحجار الكريمة، كما أن المجوهرات ذات الإصرار غالية الثمن. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن تألق بلورات هذه المادة لا يمكن مقارنته بأي شيء آخر. وإلى جانب ذلك، فإنه لا يبهت ولا يخدش. أي أن السطح المصقول للبلورات في المجوهرات يرضي العين دائمًا.

على الرغم من أن الأمر يبدو متناقضًا، إلا أن المادة الصلبة والجرافيت لهما نفس البنية. وهاتان المادتان المتعارضتان لهما نفس الطبيعة. والحقيقة هي أن كلا من الماس والجرافيت يتكونان من ذرات الكربون. دعونا نلقي نظرة فاحصة على بنية وخصائص الماس.

هيكل بلورة الماس له شكل رباعي السطوح، وتقع ذرات الكربون في المركز. القمم في مثل هذا الرباعي هي أقرب ذرات الكربون. وينتج عن ذلك رابطة ذرية مستقرة للغاية في البنية البلورية نفسها، وهذا ما يفسر زيادة قوة المادة. ترتبط الذرات التي تشكل خلية الوحدة ببعضها البعض بواسطة رابطة تساهمية. تفسر هذه الميزة الكثافة العالية للماس.

بشكل عام، يمكن تصور بلورة الماس على أنها جزيء عملاق. دعونا نتذكر ذلك الكتلة الموليةعدد هذه البلورة 12. شكل البلورة لا يرتبط بعدد وجوه حجر المجوهرات. تظهر حواف الماس عند معالجته.

التركيب الكيميائي للماس هو الكربون النقي.لكنها لا تزال تحتوي على شوائب. سمح لنا التحليل الكيميائي الذي تم إجراؤه بتحديد وجود كمية معينة من المواد الأخرى. تشمل الشوائب مواد مثل:

• نتروجين؛
• المغنيسيوم؛
• الألومنيوم؛
• السيليكون.

والعديد من العناصر الكيميائية في الجدول الدوري. علاوة على ذلك، فإن العديد من العناصر عبارة عن شوائب متماثلة. لكن الناس يستخدمون الماس لأكثر من مجرد صنعه مجوهرات. تستخدم هذه البلورة على نطاق واسع في التكنولوجيا. وكل هذا بفضل خصائصه الفريدة وأعلى قوة.

يُظهر الفيديو المعروض بوضوح التركيب البلوري للألماس.

الخصائص الفيزيائية للماس

الماس هو أصلب مادة موجودة في الطبيعة.

أحد أصناف المادة الصلبة - اكسيد الالمونيوم - له بنية مماثلة، ولكن صلابة أقل (صلابة اكسيد الالمونيوم أقل بـ 150 مرة من صلابة المادة الصلبة. ومن الجدير بالذكر أن صلابة المواد يتم تحديدها على مقياس موس). وفقا لهذا التصنيف، يتم تعيين أعلى تصنيف للصلابة للماس - 10.

ولذلك، يمكن استخدامه لمعالجة المعادن، بما في ذلك المعادن الصلبة وعالية القوة، مثل البريل والعقيق والياقوت وغيرها. الأدوات الماسية مقاومة جدًا للتآكل. صلابة وكثافة الماس أعلى من صلابة الكوارتز وأكسيد الالمونيوم.

ولكن على الرغم من كل صلابته، فإن الماس يتمتع بدرجة عالية من الهشاشة. وحتى الكثافة العالية التعبير عنها لا تقلل من احتمالية الانقسام عند السقوط. بعد كل شيء، الكربون البلوري النقي، وهو الماس، له بنية متعددة الطبقات. ومع الضربات الحادة على سطح صلب، يمكن أن تنقسم في تلك الأماكن من الهيكل حيث يكون الاتصال بين الذرات ضعيفًا جدًا. في مواقع انقسام الذرات يحدث الانقسام.

ومع كل مقاومة التآكل والمتانة لهذه المادة، يجب حمايتها من السقوط على سطح صلب. يتمتع هذا النوع من الكربون بأعلى موصلية حرارية بين جميع المواد الصلبة. تتراوح الموصلية الحرارية للماس من 20 إلى 24 واط/سم. ويجب أن يقال أيضًا أن الماس مادة عازلة. ويفسر ذلك خصائص الروابط الذرية في بلورة هذه المادة.

درجة حرارة احتراق الماس في الأكسجين هي 800 درجة مئوية. هذا النوع من الكربون يحترق بلهب أزرق جميل. ولكن عند درجة حرارة 2000 درجة مئوية وفي غياب الأكسجين، يتحول هذا المعدن الجميل إلى الجرافيت. درجة انصهار الماس هي 3700-4000 درجة مئوية.

الخاصية الأساسية والقيمة للماس هي معامل انكساره ودرجة التشتت العالية. يعتمد تألق الماس على هذه الخصائص السمة المميزةهذا المعدن الثمين. يتم قياس وزن الماس بالقيراط. ويبلغ وزن قيراط واحد من الماس حوالي 0.2 جرام. لتحديد هذه القيمة، لدى الجواهريين الجداول والمعلومات اللازمة.