Яка температура кипіння алмазу? Алмаз у рідкому стані
Про те, в яку речовину переходить алмаз під час плавлення, вчені сперечаються досі. З XVI століття моменту виявлення мінералу ведеться його активне вивчення. Але, досі не розгадані багато таємниць. За понад 500 років було проведено безліч експериментів у прагненні вчених розгадати цю загадку. Але більшість властивостей каменю все ще залишаються невивченими. Кожне відкриття займає багато років. У нашій статті, ми відкриємо для вас одну із завіс, за якою ховається багато цікавого.
Про базові властивості
Від того, за якої температури плавиться алмаз, залежить можливість його застосування і в ювелірній галузі, і в промисловості. Але характеристика поки що не вивчена у повному обсязі, оскільки камінь має унікальні властивості. Його складно порівняти з чимось із відомого світу.
Одне з пояснень таких незвичайних показників мінералу – його позаземне походження. Є теорія, що алмаз потрапив на планету з космосу разом із метеоритами та осів у надрах землі. Інші вчені пояснюють дивну поведінку каменю будовою його кристалічних ґрат.
Атоми вуглецю в ньому мають надміцний зв'язок, що зумовлює вже відомі властивості алмазу:
- аномальну твердість;
- стійкість до агресивного хімічного середовища (луги та кислоти);
- крихкість.
Парадокс алмазу в тому, що, з одного боку, це найміцніший мінерал на планеті. Але з іншого — він дуже тендітні і його легко пошкодити сильним ударом. Остання властивість ювеліри використовують під час огранювання.
Цікаві властивості, вивчені під час експериментів
Алмаз - найдивовижніший камінь. Його природа та властивості змушують самих розумних людейпланети вирішувати найскладніші завдання. Його краса захоплює мільйони. Це один з найкращих діелектриків та ізоляторів. До його складу входять лише атоми вуглецю.
Цікаво, що сам вуглець – дуже горюча речовина. У природі він частіше зустрічається у формі графіту. Це наштовхнуло вчених на ідею перетворення однієї речовини на іншу. Їх цікавило, чи в процесі розплавлення алмаз переходитиме у графіт і навпаки. Результати вийшли неоднозначними.
З'ясувалося, що створити з алмазу графіт можливо, нагріваючи кристал до 2000 градусів і перекривши доступ кисню. А ось провести зворотну реакцію, не виготовляючи затравки, так і не вдалося. Якщо ж камінь нагрівати не у вакуумі, він просто перетвориться на вуглець.
Перехід з одного стану до іншого
По температурі та середовищі в плавильній печі, можна спрогнозувати, який стан перейде алмаз. Якщо в колбі є кисень, то камінь повністю згорить при температурі 850-1000 градусів Цельсія. Під час реакції виділятиметься блідо-синє полум'я. Після закінчення експерименту, в капсулі залишиться CO2 - кисень і вуглець.
Довести це вдалося ще 1694 року італійським ученим, Тарджоні та Аверані. Вони намагалися сплавити два невеликі діаманти в один, але спалили каміння.
Їхній експеримент провалився тому, що добитися плавного розплавлення алмазів неймовірно складно: необхідна капсула без кисню, з можливістю регулювання тиску всередині неї.
Те, в яку речовину переходять алмази, нагріті до 2000-3000 градусів, залежить від довкілля. Якщо перекрити кисень і створити температуру 1800-2000 градусів, можна отримати графіт. Піднявши рівень тепла до 3700-4000 градусів у тих самих умовах, можна отримати розплавлений вуглець. Але добитися від лабораторних приладів таких потужностей дуже складно.
Хід експерименту та його результати
Щоб визначити, за якої температури плавиться алмаз, у 2010 році було проведено великий експеримент. Камінь розміром 1/10 карата був поміщений у спеціальну капсулу, де створювалися хвильові наносекундні імпульси. У печі було досягнуто тиску 10 млн атмосфер і температура 40000 за Кельвіном (39726,85 за Цельсієм), після чого кристал перейшов у рідкий стан.
У цьому експеримент не завершився. Вчені продовжили піднімати температуру та тиск. Коли жар досяг 50000 Кельвінів (49726,85 Цельсія), алмаз почав твердніти. Причому робив це буквально шматками – на поверхні розплавленої маси утворювалися тверді кристали.
Конструкція нагадувала айсберг. Цікаво, що розплавлена маса не вирувала і не змінювалася, коли вчені продовжили підвищувати температуру. Але зі зниженням градусів і при збереженні тиску кристали ставали більшими і зросталися в один.
Феномени та наукові факти
Не лише плавлення алмазу цікавило вчених. Під час одного з експериментів щодо перетворення каменю на вуглекислий газ, відбулося цікаве відкриття. При впливі на кристал потужними ультрафіолетовими променями в мінералі утворилася порожнина.
Вдалося з'ясувати, що ультрафіолет шкодить алмазу. Але у власників прикрас із діамантом це не повинно викликати занепокоєння. Пройдуть десятки тисяч років, перш ніж сонячні промені зможуть нашкодити вашим коштовностям.
Багато загадок алмазу вчені так і не змогли розгадати. Наприклад, в ювелірних майстернях камінь легко піддається нагріванню, обробці та пайці. Щоправда, якщо в діаманті є тріщини, він розлетиться на маленькі уламки.
Лава та вуглецеві кристали
Через те, що діамантові родовища перебувають у кімберлітових трубках – місці виходу вулканічної породи на поверхню, виникають закономірні побоювання. Чи може лава розплавити діамант? Відповідь однозначна – ні.
Справа в тому, що температура плавлення алмазу понад 3500 градусів. Та й тиск необхідно не жартівливий, більше 11 гПа. Жар лави – лише 500-1200 градусів. Простим порівнянням приходимо до висновку, що потоки лави можуть лише спалити мінерал, якщо досягнуть 1000 градусів.
Цей стан, що знаходиться на межі кристалічної та розплавленої форм, допоможе не тільки краще дізнатися про структуру та характеристики алмазу, але й розкриє таємниці далеких планет.
"Алмази можна назвати звичним для Землі хімічним з'єднанням. Проте для того, щоб його розплавити, недостатньо просто високої температури - необхідно також екстремально високий тиск, який, у свою чергу, заважає регулювати нагрівання", - говорить один із авторів дослідження Герман Еггерт.
Вченим одного разу вдалося розплавити алмаз, але в ході того експерименту наукова група не змогла належним чином регулювати перебіг процесу та вимірювати параметри. Можна сказати, що результат досвіду вийшов випадково.
Алмази - виключно міцний матеріал, і тільки це перетворює його плавлення на надскладне завдання. Але, крім того, є ще одна особливість, яка робить процес практично неможливим. Справа в тому, що при підвищенні температури алмази не бажають зберігати свою природу і змінюють Фізичні властивості, перетворюючись на графіт. І вже це з'єднання перетворюється на рідину. Вченим довелося піти на хитрість - довести алмаз до того стану, коли він починає перетворюватися на графіт, і утримати його в ньому.
Газові гіганти Уран і Нептун - одне з небагатьох місць у відомій нам частині Всесвіту, де надвисокі температури поєднуються з надвисоким тиском. Щоб відтворити подібні природні умови, Еггерт та його колеги помістили натуральний алмаз вагою десять карат і завтовшки півміліметра в лазерну установку, яка здатна створювати гігантський тиск.
При тиску в 40 мільйонів разів вище тиску на Землі на рівні моря алмаз перетворився на рідку субстанцію. Після цього вчені почали поступово зменшувати тиск та температуру в установці. На позначці в 11 мільйонів разів перевищує нормальний тиск на Землі та температурі близько 50000 градусів Кельвіна в алмазній рідині почали утворюватися тверді уламки. Досвідченим шляхом вдалося встановити, що їх формування набирає обертів при зниженні тиску з одночасним підтриманням температури постійному рівні.
Подальша поведінка зразка вразила вчених. Алмазні крихти не злипалися, а плавали в рідкому середовищі подібно до того, як айсберги плавають на просторах океанів.
Більшість матеріалів у рідкій форміволодіють щільністю менше, ніж у твердій. Єдиним винятком вважається вода, оскільки щільність льоду завжди менша за щільність води в рідкому стані. Розплавлений алмаз демонструє ті самі якості.
Аналіз показує, що Нептун та Уран на десять відсотків складаються з вуглецю. Тому, вважає Еггерт, існування цих планетах алмазних морів цілком можливо. Мало того, подібні формування добре вписалися б у теорію, оскільки можуть пояснити одну з найцікавіших загадок цих газових гігантів.
На землі магнітні полюси практично збігаються з географічними полюсами. А на Урані та Нептуні вісь магнітного поля різко зміщена від осі обертання – різниця становить близько 60 градусів. Існування алмазного океану, здатний відбивати і заломлювати магнітні хвилі, цілком міг би дати пояснення подібному феномену.
Про алмазні моря та діамантові береги Урана та Нептуна розповів співробітник Інституту космічних досліджень доктор геолого-мінералогічних наук Ілля Торбаєв.
"З фізичної точки зору запропонована модель не має явних вад. Так, ми звикли до того, що для Землі алмаз є унікальним мінералом. Але ця унікальність обумовлюється лише відсутністю на нашій планеті достатніх умов для формування таких хімічних сполук".
Уран і Нептун, навпаки, ніби створені для синтезу подібних речовин. Високий вміст вуглецю, екстремальний тиск та висока температурамогли зробити так, що алмаз там став також поширений, як кремній на Землі. У той час як фізико-хімічна складова експерименту Еггарта не викликає жодних сумнівів, астрономічна частина потребує перевірки та доказів. Але їх доведеться почекати – найближчі експедиції до Урану та Нептуна заплановані лише на 2025-2030 роки”.
Доброго часу, дорогі друзі. Алмаз неймовірно стійкий до різноманітних впливів з боку навколишнього світу. Але навіть при цьому все одно існує температура плавлення алмазу, якої можна досягти лише за умови дотримання певних факторів.
Насправді виміряти температуру плавлення алмазів не так просто. Вся справа в тому, що при цьому впливає і високий тиск. Інакше є ризик перетворення каменю назад на графіт.
Експерименти з температурою плавлення алмазів
У цій історії відзначилася Ліверморська національна лабораторія ім. Лоренса. Адже вчені каліфорнійського університету провели незвичайний експеримент, в результаті якого з'ясувалося, що алмаз плавиться за температури 3700-4000 градусів за Цельсієм і при тиску в 11 ГПа. Досвід було проведено ще 2010 року.
На відміну від багатьох звичайних твердих речовин, алмаз неможливо перетворити на рідину шляхом звичайного підвищення температури навколишнього повітря.
Такими спостереженнями під час експерименту поділився Еггарт Джон, один із керівників процесу. Також він розповів, що для такого стану алмаз необхідно додатково тримати під величезним тиском. Як ви здогадуєтеся, виміряти температуру алмазу при цьому дуже нелегко.
А без тиску не обійтися: на повітрі горіння алмазу здійснюється за температури, близької до 1000 градусів за Цельсієм, а у вакуумі при 2000 градусів він перетворюється на графіт (при цьому у зворотний бік процес повернути неможливо, у кращому випадку вийде синтетичний алмаз, що поступається своїм побратимам). Проміжного стану обох випадках немає.
Причому досвід з дослідження мінералу провели ще в кінці 17 століття італійські вчені, які вирішили будь-що сплавити кілька екземплярів в єдине ціле. В результаті вдалося з'ясувати лише температуру плавлення каменю.
Також свого часу вдалося з'ясувати, що ультрафіолетовими променями плавлення також не досягти. Адже при цьому мінерал просто починає перетворюватися на вуглекислий газ. З цієї причини не вдалося створити ультрафіолетові лазери з використанням каменю - вони просто стають непридатними. Але для звичайних алмазів все не таке страшно. Адже для повного зникнення одного мікрограма мінералу знадобляться довгі 10 мільярдів років.
Хід головного експерименту
А ось і перебіг самого експерименту, проведеного в 2010:
- Вчені взяли алмаз дуже невеликого розміру (1/10 карата).
- За допомогою наносекундних імпульсів лазера було утворено ударні хвилі, що створює величезний тиск.
- При досягненні тиску, що у 40 разів перевершує атмосферного на рівні моря, алмаз досяг рідкого стану.
Але на цьому все не скінчилося. Вчені почали зменшувати тиск та знижувати температуру. В результаті з'ясувалося, що алмаз починає повертатися в тверду форму (щоправда, шматочками) при тиску в 11 мільйонів атмосфер і 50000 Кельвінів. При цьому ці шматочки плавали в «бульйоні», що залишився, подібно до крижин у морі. Вчені вирішили й надалі знижувати тиск, але не змінювати температуру. І алмаз почав поводитися як звичайна вода – у ньому стало з'являтися ще більше «айсбергів», самі освіти стали більшими.
Незвичайні гіпотези
На підставі подібних дослідів було зроблено висновки щодо можливості існування подібних умов на Урані та Нептуні. Справа в тому, що обидві ці планети складаються з вуглецю на значні 10%.
Є версія, що океани розплавленого алмазу могли бути основою для незвичайного магнітного поля для Нептуна і Урана, адже їх полюси рознесені (!). Тобто магнітний полюс не збігається з географічним полюсом.
Але поки що гіпотези залишаються лише гіпотезами. Адже відсилати супутники до обох планет або намагатися моделювати їхні атмосфери на Землі – важкі і дорогі заняття. Але якось ми дізнаємося, що ж насправді відбувається там.
До речі, якщо вас зацікавила тема космосу і цих незвичайних планет, ми пропонуємо вам подивитися навчальний ролик про них.
Таємниці всесвіту дорогоцінного каміння розкрито ще не повністю. Заходьте частіше і дізнаєтеся чимало нового про ці дивовижні мінерали. До скорого!
Команда Любі
Те, що діаманти горять, було підтверджено ще XVII столітті. Але сьогодні ця тема спалахнула з новою силою, привертаючи увагу не тільки вчених, а й звичайних людей. "Непереборний" камінь став головним об'єктом дослідження. Все тому, що з розвитком техніки зросла потреба в алмазах. Читайте статтю, і ви дізнаєтеся, як людство дізналося про займистість мінералу, яку роль у його історії зіграв Лавуазьє, і що нам дали ці експерименти.
По хвилях історії…
Допитливі уми за всіх часів висували найшаленіші теорії. Не дивно, що їх цікавив діамант та його властивості. Камінь не тільки один з найміцніших у світі, але й найдорожчий. Визначити, що алмаз горить, вдалося лише XVII столітті.
Заслуга належить англійському фізику Бойлю. Йому вдалося спалити алмаз через лінзу, направивши на нього сонячний промінь. Але спроби повторити експеримент французькими вченими провалилися. Вони помістили камінь у плавильний посуд, і все чого досягли – темний наліт на кристалах.
Внесок Антуана Лавуазьє у вивчення кристала
Великий внесок у вивчення мінералу зробив французький фізик Антуан Лавуазьє. Він довів, що алмази горять за наявності повітря. Для свого експерименту він:
- помістив камінь у скляну посудину;
- наповнив його киснем;
- закупорив.
Використовуючи лінзу, він нагрів алмази, після чого вони повністю згоріли полум'ям. Але в колбі не виявилося попелу. Дослідивши повітряне середовище у колбі, він з'ясував, що у ньому з'явився діоксид вуглецю.
Цікаво, що Лавуазьє своїми експериментами не намагався довести, що алмаз можна спалити – це сталося випадково. Суть його експериментів зводилася до заперечення флогістонної теорії.
Проводячи експерименти зі спалювання речовин у герметичних капсулах, Лавуазьє було привернути до них увагу «вченого співтовариства». Щоб виправити це, він заявив, що спалить шматок алмазу. Такий хід довів ефективність його роботи та розкрив світові одну із загадок діаманта.
Відкриття, що перекинуло світ
Від того, загориться алмаз чи ні, залежало все, що ми вважаємо звичним. По-перше, завдяки експерименту Лавуазьє, було відкинуто флогістонну теорію. Відповідно до неї, для реакції завжди потрібні дві речовини. Одне здатне віддати, інше здатне прийняти. Її замінив закон збереження енергії: ніщо не береться з нізвідки і не зникає в нікуди.
Завдяки цьому закону вдалося з'ясувати, що, при згоранні, діамант перетворюється на вуглець. І це дало нам, по-друге: якщо з алмазу можна отримати вуглець, то має бути і зворотна реакція.
Розробляючи цю теорію, вчені з'ясували, що алмаз можна синтезувати. Відкриття мало широкий резонанс, адже мінерал використовується у багатьох сферах життєдіяльності. Можливість отримувати його штучним шляхом – це необмежений запас безцінного ресурсу.
Жарт природи: хамелеони серед дорогоцінного каміння
Як ми сказали, алмази починають горіти за температури понад 720 градусів. Проводячи експерименти над деякими каменями, вчені помітили, що досягаючи позначки 120-150 г, мінерал змінює колір. Це спричинило їх до цікавого відкриття.
У природі існують алмази-хамелеони. Зазвичай вони мають оливковий відтінок. Але якщо їх нагріти, колір змінюється на насичено-коричневий або оранжево-жовтий. Ефект недовговічний. Якщо продовжувати впливати на каміння, вони згоряють.
Змінити свій колір алмаз-хамелеон може і в темряві, якщо пробуде там тривалий час. Вчені й досі не можуть розгадати цієї загадки. Провівши одночасно 39 тестів, вони так і не змогли зійтись на думку. Одні вважають, що причина домішки водню, інші, що камінь набуває люмінесцентних властивостей.
Розкажіть про це друзям, зробивши ріпост.
Слово «алмаз» надійшло з грецької мови. Російською вона перекладається як «». І справді, щоб пошкодити цей камінь, потрібно докласти нелюдських зусиль. Він ріже і дряпає всі відомі нам мінерали, причому сам залишається неушкодженим. Йому не шкодить кислота. Якось з цікавості був проведений експеримент у кузні: алмаз поклали на ковадло і вдарили по ньому молотом. Залізний майже розколовся надвоє, а камінь залишився цілим.
Алмаз горить гарним блакитним кольором.
З усіх твердих тіл алмаз має найвищу теплопровідність. Він стійкий до тертя, навіть про метал. Це найпружніший мінерал, що має найнижчий коефіцієнт стиснення. Цікава властивість алмазу – люмінесцувати і під впливом штучних променів. Він світиться усіма кольорами веселками і цікаво заломлює колір. Цей камінь ніби насичується сонячним кольором, а потім випромінює його. Як відомо, природний алмаз некрасивий, справжню красу йому надає огранювання. Дорогоцінний каміньз обробленого алмазу називається діамантом.
Історія дослідів
У 17 столітті в Англії Бойль зумів спалити алмаз, навівши на нього сонячний промінь через лінзу. Проте у Франції досвід із прожарюванням алмазів у плавильній посудині не дав жодних результатів. Французький ювелір, який проводив експеримент, виявив лише тонкий шар темного нальоту на камінні. Наприкінці 17 століття італійські вчені Аверані та Тарджоні при спробі сплавити два алмази воєдино змогли встановити температуру, за якої горить алмаз - від 720 до 1000оС.
Алмаз не плавиться через міцну структуру кристалічних ґрат. Усі спроби розплавити мінерал закінчувалися тим, що він згорів.
Великий французький фізик Антуан Лавуазьє пішов далі, вирішивши помістити алмази в герметичний посуд зі скла і наповнивши його киснем. За допомогою великої лінзи він нагрів каміння, і вони повністю згоріли. Дослідивши склад повітряного середовища, вони з'ясував, що крім кисню в ній присутній діоксид вуглецю, що є сполукою кисню і вуглецю. Отже, було отримано відповідь: алмази горять, але з доступу кисню, тобто. на відкритому повітрі. Згоряючи, алмаз перетворюється на вуглекислий газ. Ось чому на відміну від вугілля після згоряння алмазу не залишається навіть золи. Досліди вчених підтвердили ще одну властивість алмазу: за відсутності кисню алмаз не горить, але змінюється його молекулярна структура. При температурі, що дорівнює 2000оС всього протягом 15-30 хвилин, можна отримати графіт.
