Добро
пожаловать на наш сайт!
ПОЗНАНИЕ
ПРОДОЛЖАЕТСЯ...
15.04.2019 20:39 дата обновления страницы
Вещество и энергия. Числа и фигуры
Дата создания сайта:
08/12/2012
Дата создания
сайта: 08/12/2012 Дата обновления главной страницы:
15.04.2019 20:39
icq:
613603564
Чтобы сделать алмаз...
Кто незнаком с алмазом - этим чемпионом в мире кристаллов? Нас восхищает
феерическая игра света на гранях отшлифованного алмаза (бриллианта),
поражает его непревзойденная твердость. Размер кристаллов обычно невелик
(2 - 5 мм), но попадаются и крупные образцы. Самый большой из всех
добытых алмазов весил 605 г, или более 3000 карат (карат - 0,2 г).
Можно добавить, что за все времена по 1947 г. было найдено 80 т алмазов
(подсчитано, что в месторождениях находят 0,2-0,3 карата алмазов на 1 мг
породы).
Итак, алмаз - это драгоценный камень. В 1797 г. С. Теннант определил его
химический состав. Оказалось, что он, так же как и графит, состоит из
чистого углерода.
Мы знаем, что некоторые химические элементы могут существовать в виде
двух и более простых веществ. Так, атомы кислорода способны соединяться
по два (газ кислород) и по три (газ озон), фосфор дает двух- и
четырехатомные молекулы. Это происходит потому, что атомы образуют
молекулы разными способами (аллотропия). В графите атомы углерода
соединены в шестиугольники, которые слоями лежат друг на друге, причем
расстояние между слоями равно 3,4 А. В алмазе те же атомы углерода
расположены в углах тетраэдра, длина ребра которого равна 1,54 А (рис.
1). Какие же условия необходимы, чтобы атомы углерода изменили свое
расположение и графит превратился в алмаз?
Алмазы образуются в толще Земли при высоких давлениях и температурах.
Там они кристаллизуются, а затем в результате извержений порода, в
которой они находятся, выбрасывается к поверхности Земли. Можно ли этот
процесс повторить искусственно?
Ученые установили, что если нагреть алмаз в среде инертного газа до
высокой температуры, он превратится в графит. Температура этого перехода
зависит от давления. Чем выше давление, тем при большей температуре
устойчив алмаз.
Оказалось, что алмаз устойчив только при высоких давлениях, начиная от
10 ООО атм при комнатной температуре и до сотен тысяч атмосфер при
тысячах градусов.
Много лет изобретатели, ученые и просто охотники до наживы проводили
сотни экспериментов, пытаясь превратить графит в алмаз, но безуспешно.
Теперь нам ясно, в чем дело. Оказалось, что при низких температурах
скорость перехода графита в алмаз так мала, что нужны миллионы лет,
чтобы получить хоть крупицу алмаза. По-видимому, успеха можно было ждать
только при высоких температурах. Но при этом нужны были и очень высокие
давления.
Теперь, прежде чем продолжить рассказ об алмазе, вспомним, что такое
давление.
Давление - это сила, приложенная к единице площади. Вес человека,
распределенный на площадь его подошв, - это давление. Сила, с которой
нажимает наперсток, приложенная к площади кончика иглы,- это давление.
Вычислим его. Предположим, что диаметр кончика иглы равен 0,01 мм, или
10~3 см (а это еще тупая .игла). Тогда площадь кончика равна 0,785 10~6
см2. Если наперсток нажимает на иглу с силой всего в 1 г, то давление
под кончиком будет 1275 кг/см2, или 1275 технических атмосфер. Жало
комара еще тоньше, чем игла, и понятно, почему оно легко прокалывает
кожу.
А что представляет собой атмосферное давление? Это вес воздуха,
приходящийся на единицу площади. На уровне моря на 1 см2 поверхности
давит сила около 1 кгс. Отсюда и пошло обозначение: техническая
атмосфера - это 1 кгс/см2. Под водой давление
возрастает на каждые 10 м глубины приблизительно на одну атмосферу. В
толще Земли давление растет еще быстрее. На глубине 150-200 м оно уже
достигает десятков тысяч атмосфер, а в центре Земли - нескольких
миллионов.
А вообще каков предел величины давления? Нижний предел - это абсолютный
вакуум. В пространстве, где нет ни одной частицы вещества, давление
равно нулю. А верхний предел?
Попробуем представить себе ящик, стенки которого могут выдержать любое
давление. Начнем нагнетать в него газ. Молекулам в ящике станет теснее.
При некоторой плотности газ превратится в жидкость. Если продолжать
накачивание, количество молекул в ящике станет еще больше, расстояние
между ними будет сокращаться. Молекулам будет все труднее двигаться в
ящике, возрастет вязкость газа, и при давлении около двадцати тысяч
атмосфер он затвердеет. Продолжим сжатие. При давлениях в десятки тысяч
атмосфер молекулы подойдут так близко друг к другу, что это начнет
мешать электронам двигаться вокруг ядер. Появятся изменения в
электронных оболочках.
Более половины химических элементов устроено так, что на их внутренних
электронных орбитах есть свободные места. При дальнейшем сжатии (до
сотен тысяч атмосфер) электроны в таких атомах начнут сдвигаться на
свободные места поближе к ядру. При этом обычные химические свойства
элементов настолько изменяются, что можно даже будет построить новую
периодическую систему элементов.
При давлениях в миллионы и более атмосфер может оказаться, что
электронам удобнее двигаться не вокруг отдельных ядер, а в виде
электронного газа возле всех ядер: вещества переходят в металлическое
состояние.
В настоящее время уже умеют сжимать до очень высоких давлений и газы, и
жидкости, и твердые тела. Самые высокие давления достигнуты при сжатии
твердых тел в аппаратах, построенных по принципу молота и наковальни
(ведь обычные молот и наковальня остаются при ковке целыми, а кусок
железа меняет свою форму). Из очень твердого сплава изготовляют две
наковальни и помещают их между плитами мощного гидравлического пресса
(рис. 2). Между наковальнями находится тонкий слои исследуемого
вещества.
При сжатии плит в веществе развивается огромное давление. Если
диаметр наковальни равен 1,6 см, то, сжав плиты с силой 1000 т, можно
достичь давления в 0,5 млн. атм (вспомним наперсток и иголку).
Используя такой принцип и создали аппараты, в которых были впервые
получены алмазы (рис. 3). Он состоит из многослойного кольцевого сосуда.
Внутренний слой сделан из сверхтвердого сплава. На этот слой надеты
пояса (бандажи) из твердой стали, мягкой стали, меди и пояс, в котором
циркулирует охлаждающая вода. Такое чередование материалов уменьшает
опасность разлета осколков, если аппарат разрушится. Сверху и снизу
аппарат закрыт многослойными крышками. Внутренние части крышек - это
штампы из сверхтвердого сплава. На конусные части штампов надевают
прокладки из пирофиллита (минерал - алюмосиликат железа). Он обладает
свойством становиться эластичным при высоких температурах и давлениях.
Внутрь кольцевого сосуда вставляют контейнер из пирофиллита, в котором
находится графитовый стержень и катализатор. При нагревании катализатор
плавится, графит растворяется в расплаве и его перестройка в алмаз
происходит легче.
Все три части аппарата собирают, вставляют в гидравлический пресс и
начинают увеличивать давление. Пирофиллит заполняет все неплотности
между штампами и кольцевым сосудом и предотвращает падение давления.
Чтобы нагреть содержимое контейнера, через штампы пропускают ток большой
мощности. Штампы изолированы от пресса и соединены металлическими
прокладками с графитовым стержнем в контейнере. Ток, проходящий через
эту электрическую цепь, может нагреть графит до 3000°.
Проходят десятки минут... Процесс закончен. Внутри контейнера уже не
графит, а кристаллики алмаза. Аппарат охлаждают, снижают давление и из
контейнера вынимают массу, в которой находится алмаз.
Почему же алмаз, вынутый из аппарата, не превращается опять в графит?
Ведь он в обычных условиях неустойчив? Дело снова в скорости процесса:
он так замедлен, что мы не можем его заметить.
Итак, алмаз получен. Это мелкие кристаллы, которые выросли в течение
минут, а не веков, понадобившихся для роста крупных кристаллов
природного алмаза. Их нельзя использовать для изготовления украшений. Но
они очень нужны.
Алмаз - самое твердое вещество. Поэтому из него изготовляют резцы,
сверла, фрезы, шлифовальные круги, буровые коронки, фильеры для
волочения проволоки и т. д. Алмазные инструменты обрабатывают самые
твердые сплавы с необычайной скоростью и чистотой. Техника и
промышленность очень нуждаются в алмазах. И сейчас налажено производство
искусственных алмазов для технических целей.
С помощью высоких давлений удалось создать боразон - кристаллический
нитрид бора, по твердости сравнимый с алмазом и применяющийся для
обработки сверхтвердых веществ и сплавов. Искусственный кварц, который
также получают под давлением, нашел применение в радиотехнике.
Что же касается ювелирных алмазов, то придет и их время. Для этого нужно
создать аппараты, в которых можно будет поддерживать высокие давления и
температуры неограниченно долго, чтобы создать условия для медленного
роста крупных кристаллов. Но это дело будущего.
Д.С. Циклис
Размещение фотографий и
цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при
условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.