Кристаллы и их свойства
влек цилиндр и вскрыл его, он был еще так
горяч, что обжигал мне руки, выскреб стамеской хрупкую лавообразную массу и
размельчил ее молотком нa чугунной плите. Я обнаружил три крупных и пять
мелких алмазов». Разумеется, этот способ получения алмазов совершенно
фантастический, и алмазы таким путем получить нельзя.
И только в середине XX в. фантастика стала реальностью. В 1955 г. была
разработана специальная аппаратура, создающая давление в десятки и сотни
тысяч атмосфер при температурах 1200—1500°С. В 1960 г. на июльском пленуме
ЦК КПСС было объявлено о получении синтетического алмаза в СССР. Советский
искусственный алмаз марки САМ (синтетический алмаз монокристальный) с 1965
г. выпускается в промышленных количествах. Алмазы получают из порошка
графита, смешанного с никелем. Смесь прессуется в виде небольших дисков
размером до 2—3 см, которые затем нагреваются до температуры 2000—3000°С
при давлении до 10* 109 Па. В таких поистине невероятных условиях графит
превращается в алмаз. Разумеется, прежде чем строить такие сложные
установки, процесс перехода графита в алмаз был изучен теоретически. Исходя
из термодинамических свойств того и другого минерала, была рассчитана
теоретическая кривая перехода графит — алмаз.
Получаемые кристаллы имеют кубическую или октаэдрическую форму. По
твердости они даже превосходят естественный алмаз. Производство
искусственных алмазов в настоящее время практически целиком направлено для
нужд буровой техники и абразивной промышленности. Ювелирные кристаллы
алмазов пока получены в незначительном количестве.
Был даже сконструирован специальный робот, который вырабатывает алмазы.
На железную ладонь робота кладут сырье — графит. Робот вкладывает графит
в свою «грудь»—печь, в которой графит нагревается до высоких температур при
больших давлениях. В конце концов опять же на ладонь робота выпадает
кристалл синтетического алмаза в форме небольшого шарика.
Способы искусственного получения ювелирных алмазов в условиях высоких
давлений сейчас технически освоены, но экономически нерентабельны из-за
низкой скорости процесса. Наиболее перспективным в настоящее время,
считается метод выращивания алмазов при совместном отложении графита и
алмаза при температурах 1000—1200°С из углесодержащего газа (CHi иди CSi).
Затем графит сжигается в водородной среде при давлении 5 • 105— 20 • 105 Па
и получается чистый алмаз.
Обратимся теперь к другой группе драгоценных камней — рубинам и сапфирам.
Эти замечательные минералы, представляют собой оксид алюминия (глинозем), в
природе встречаются в различных магматогённых и метаморфических породах.
Глинозем входит в состав многих минералов горных пород, и для того, чтобы
он выделился в свободном виде, как самостоятельный минерал, порода должна
быть богата алюминием. Чтобы вместо обычного корунда, имеющего тот же
химический состав, выделялись благородные рубин и сапфир, необходимы
благоприятные условия для роста кристаллов и содержание в породе
определенных химических элементов. Поэтому природные месторождения
драгоценных рубинов и сапфиров очень редки. Наиболее известны месторождения
в Индии и Шри Ланка.
Извлекать кристаллы из плотных метаморфических или магматических пород
очень сложно, поэтому основное значение для добычи рубина и сапфира имеют
остаточные и россыпные месторождения.
Искусственный рубин был впервые получен в начале нашего века в небольшой
лаборатории в окрестностях Парижа. Выдающийся советский минералог А. Е.
Ферсман так описывал эту лабораторию в 1936 г. «В тихой улице захолустного
городка около Парижа маленькая грязненькая лаборатория. В тесном помещении
среди паров и накаленной атмосферы на столах несколько цилиндрических
приборов с синими окошечками. Через них химик следит за тем, что делается в
печи, регулирует пламя, приток газа, количество выдуваемого белого порошка.
Через короткий промежуток 5-6 ч он останавливает печь и с тоненького
красного стерженька снимает красную прозрачную грушу,..». Этот способ
получения искусственного рубина известен под названием «метод профессора
Вернейля». Порошок оксида алюминия непрерывно поступает в зону печи, где
происходит горение водорода в кислороде. При создавшейся высокой
температуре порошок плавится. Капли расплавленной массы падают вниз и
попадают на маленький кристаллик рубина, который помещается здесь в
качестве затравки. На затравке кристаллизуется прозрачная «булька» —
грушевидный монокристалл рубина, который постепенно растет вверх. В России
в настоящее время работают аппараты системы Попова, которые позволяют
получать синтетические монокристаллы рубина в виде стержней диаметров 2—4
см и длиной до 2 м. Самым новым методом получения искусственных рубина и
сапфира является метод диффузионной плавки постепенно вытесняющий метод
Вернейля.
Красная окраска искусственного рубина получается за счет добавки оксида
хрома. При добавлении к порошку глинозема других веществ получают синюю
окраску сапфира или оранжевые, желтые, зеленые, розовые, фиолетовые
окраски, которых в природе нет. Искусственные рубины и сапфиры чище,
прозрачнее и дешевле природных. Они широко применяются для изготовления
ювелирных изделий.
Целая группа драгоценных камней (топаз, аквамарин, изумруд, турмалин,
аметист, горный хрусталь и др.) в природных условиях связана с
пегматитовыми и гидротермальными образованиями. Рост кристаллов в таких
условиях происходит в пустотах горных пород. Размеры этих пустот могут
достигать несколько десятков кубических метров, хотя обычно их объемы не
превышают нескольких кубических дециметров. Пустоты образуются под
воздействием самых разнообразных геологических причин и в минералогии имеют
различные названия: камеры, заморыши, жеоды, миндалины и т. д. Кристаллы в
этих пустотах омываются, горячими гидротермальными растворами, содержащими
различные вещества. Обычно в таких пустотах растут не единичные кристаллы,
а целые их семейства, которые называются друзами. Расскажем, к примеру, как
образуются в природе изумруды, которые пока еще не были получены
искусственно. Месторождения изумрудов обычно связаны с пегматитами, где
ювелирные кристаллы формируются в камерах. Известны также месторождения
изумрудов в метаморфических породах, переработанных бериллиеносными
растворами. Поскольку благородная темно-зеленая окраска изумруда
объясняется присутствием в минерале хрома, необходимо, чтобы этот элемент
содержался в породе в значительных количествах. Иначе вместо изумруда
образуется обыкновенный берилл. Поэтому месторождения изумрудов чаще всего
залегают среди ультраосновных пород, богатых хромом, железом, магнием и
другими элементами. Примером таких месторождений могут служить знаменитые
копи Урала. Известные месторождения изумруда в Колумбии образовались при
низких температурах не более 100 – 1800 С в результате просачивания
минералообразующих растворов через известняк и отложения изумрудов в
полостях, образовавшихся при растворении известняков горячими растворами.
Из этой группы замечательных минералов наиболее, освоено искусственное
получение горного хрусталя. Сейчас в нашей стране практически все виды
аппаратуры, использующие горный хрусталь (кварц), работают на синтетических
кристаллах. Искусственные кристаллы горного хрусталя получают в
гидротермальных условиях. Это слово «гидротермальные» мы употребляли при
описании природных условий образования минералов. Оно используется и в
технике для обозначения условий получения кристаллов из «горячей воды».
Кристаллы выращивают в специальных трубах — автоклавах высотой несколько
метров. Автоклавы изготовляют из нержавеющей высоколегированной стали и
покрывают изнутри серебром. Это делается для того, чтобы на трубе не
образовалась ржавчина, которая при попадании в растущий кристалл кварца
может вызвать различные нежелательные дефекты монокристалла. В нижней части
трубы размещается кварцевый песок, через который просачивается вода с
добавками щелочей. Процесс происходит при температуре несколько сот
градусов и высоком давлении. В этих условиях кремнезем растворяется в воде,
насыщенный раствор кремнезема в воде омывает маленький затравочный кристалл
кварца, помещенный в верхней части автоклава. Кристалл растет в автоклаве
несколько месяцев, а особо чистые кристаллы растут несколько лет.
Требования технологии очень высоки: температурный режим, например, нe может
изменяться даже на доли градуса в течение всего роста кристалла. В таких
условиях выращивают кристаллы горного хрусталя массой до 15 кг.
Создавая прибор для выращивания искусственного хрусталя, человек в
значительной степени использовал знания, полученные при изучении природных
условий образования минерала, и эти природные условия искусственно
воссоздал в автоклаве.
А вот другая группа оксида кремния (IV) — благородные опалы и агаты,
которые отличаются от обычного кварца значительным содержанием воды. Эти
некристаллические колломорфные минералы формируются совсем в других
условиях. В природе они образуются из кремнистого геля, который отлагается
в пустотах лав — застывшей массы, которая образуется при извержениях
вулканов. Эти породы называются вулканическими, или эффузивными.
| |  скачать работу |
Кристаллы и их свойства |
