Логи Персонажи Участники Новости Присоединиться Правила Вакансии Мастер Библиотека Галерея
Мир 'Север и Запад'   Добро пожаловать, Гость. Пожалуйста, выберите Вход или Регистрация
 
  ГлавнаяСправкаПоискВходРегистрация  
 
Искусственные камни (Прочитано 2239 раз)
Атаринке
уровень 5
*****
Вне Форума


Обстоятельства - это я.

Сообщений: 548
Искусственные камни
27.08.06 :: 22:12:15
 
КАК ВЫРАСТИТЬ КРИСТАЛЛ

Существуют различные способы выращивания кристаллов. Часто этот процесс требует высоких температур и огромных давлений, но некоторые кристаллы можно выращивать и в домашних условиях.

Проще всего дома выращивать кристаллы алюмокалиевых квасцов- KAL(SO4)2*12H2O.Вещество это можно купить в любом магазине химреактивов, и оно абсолютно безвредно.

Что представляет собой процесс выращивания кристаллов?

Если в воде при постоянной температуре растворять какое - ни будь вещество, то через некоторое время растворение прекращается. Такой раствор называется насыщенным, а максимальное количество вещества, которое можно растворить при данной температуре в 100 граммах воды, называется его растворимостью.
Обычно с повышением температуры растворимость увеличивается. Поэтому раствор, насыщенный при одной температуре, становиться недосыщенным при более высокой температуре. Если же насыщенный раствор охладить, избыток вещества выпадает в осадок.

Следовательно, один из способов выращивания кристаллов заключается в том, что надо дать насыщенному раствору охладиться.

Можно выращивать кристаллы и выпариванием.

Ведь если насыщенный раствор испаряется, объём его уменьшается, а количество растворённого вещества остаётся прежним. Иначе говоря, опять создаётся избыток вещества, который выпадает в осадок.

Рассмотрим теперь, как происходит выделение избытка вещества.

Возьмём насыщенный раствор и нагреем его. Сосуд с полученным недосыщенным раствором накроем стеклом и дадим раствору спокойно охладиться до температуры более низкой, чем температура насыщения. При этом осадок может и не выпасть, и мы получим перенасыщенный раствор.

Для образования кристалла необходима «затравка».

Ею может служить маленький кристаллик того же вещества или пылинка. Иногда достаточно качнуть сосуд с перенасыщенным раствором или снять прикрывающее его стекло, как начинается мгновенная кристаллизация. При этом обычно образуется множество мелких кристалликов.

Для того чтобы вырастить крупный кристалл, необходимо ограничить число «затравок». Лучше всего внести искусственную «затравку», роль которой может исполнять один из кристалликов, полученных ранее.

«Затравка» готовится следующим образом.

Возьмите две стеклянные банки и тщательно их вымойте. В одну из них налейте тёплую воду и насыпьте квасцы. Помешивая раствор, следите за растворением. Когда вещество перестанет растворяться, аккуратно слейте раствор во вторую банку так, чтобы туда не попало нерастворившееся вещество. Затем накройте банку стеклом. Когда раствор охладится, снимите стекло. Через некоторое время вы увидите, как в банке образуется множество кристалликов. Дайте им подрасти и отберите самые крупные для «затравок».

Теперь можно приступить к выращиванию кристалла. Прежде всего нужно приготовить посуду. Чтобы уничтожить нежелательные зародыши на стенках, пропарьте банки изнутри над носиком кипящего чайника. Затем сделайте снова тёплый насыщенный раствор и слейте его в другую чистую банку.
Итак, у вас есть тёплый насыщенный раствор квасцов. Нагрейте его ещё немного, накройте банку стеклом и поставьте охладиться. Когда температура раствора приблизиться к температуре насыщения, опустите в банку, приготовленную ранее «затравку». Поскольку раствор еще недосыщен, «затравочный» кристаллик начнёт растворяться. Но как только раствор охладится до температуры насыщения, растворение кристаллика прекратится, а вскоре начнётся его рост.

Когда раствор перестанет охлаждаться, выращивание кристалла можно продолжить. Для этого приподнимите стекло так, чтобы вода испарялась, но пылинки в раствор не попадали. Рост кристалла продолжается два- три дня.
Выращивая кристалл, старайтесь банку не трогать и не передвигать. Когда кристалл будет готов, достаньте его из раствора и тщательно промакните бумажной салфеткой, иначе он быстро потускнеет.

Кристаллы получаются разными по форме в зависимости от того, бросите ли вы «затравку» на дно сосуда или подвесите её на нитке.

Таким способом можно, например, вырастить «бусы». Для этого надо «затравить» нитку, то есть провести ею несколько раз по кристаллу, а затем опустить нитку в раствор.

Выращивание кристаллов – это искусство.

Возможно, у вас не все сразу получится. Не огорчайтесь. Немного настойчивости, упорства, аккуратности, и вы станете обладателями красивых кристаллов.
Кристалл состоит из мелких кристалликов пирита и кальцида. Многие кристаллы имеют довольно причудливую форму.

В природе кристаллы растут на протяжении миллионов лет.

Но ускорить этот процесс, оказывается, можно.

Методы выращивания кристаллов

Самый простой, но очень важный метод- выращивание кристаллов из растворов.

К нему относится, в первую очередь, выращивание кристаллов путем постепенного снижения температуры раствора.
Этот метод основан на свойстве многих кристаллических веществ изменять свою растворимость с изменением температуры. Он хорош тем, что не требует сложной аппаратуры и позволяет выращивать кристаллы очень многих веществ. Однако он пригоден только для хорошо растворимых соединений.

При выращивании кристаллов малорастворимых веществ нужна громоздкая установка, чтобы вместить достаточное количество раствора.
Другой способ- испарение растворителя. При этом создается небольшое пересыщение раствора, за счет которого и идет кристаллизация. Одним из недостатков этого способа является появление кристаллов- паразитов там, где стенки сосуда граничат с поверхностью испаряющегося раствора. Но этот способ очень прост и потому широко используется.

Подливая по мере испарения новые порции насыщенного раствора, можно вырастить и кристаллы малорастворимых соединений.
Интересен способ, предназначенный для выращивания кристаллов трудно растворимых соединений в том случае, если существуют два хорошо растворимых компонента, дающих в результате реакции интересующее нас вещество. Оба компонента растворяют в отдельных сосудах. Затем при непрерывном размешивании раствор одного из них при помощи бюретки вводится по каплям в раствор второго. Образующегося при реакции пересыщения достаточно для кристаллизации нужного нам вещества.

Мы выбрали самый простой способ- испарение растворителя.

Установка представляла собой сосуд из органического стекла емкостью около 750 мл. В него налито примерно 600мл насыщенного раствора медного купороса. По мере испарения в сосуд подливались новые порции раствора. Поэтому стенки не смачивались раствором, и кристаллы- паразиты на них почти не появлялись.
Первоначально из полукристаллической массы медного купороса мы отделили семь кристалликов более или менее правильной формы. Каждый был опущен на тонкий (0, 15мм) лесе в сосуд с насыщенным раствором медного купороса. По мере роста удалялись неудачные кристаллы, обросшие паразитами и потерявшие типичную для монокристаллов медного купороса форму.
Через две недели осталось только три лучших кристалла, а через месяц- всего один. Он был уже довольно велик, поэтому линейный рост его замедлился из- за большой поверхности кристаллизации. Вместо обычного в таких случаях перемешивания раствора мы решили вращать сам кристалл. Для этого подвесили его на лесе, конец которой укрепили на оси электродвигателя. За 10- 12 секунд работы двигателя леса закручивалась настолько, что после закрепления оси обеспечивала медленное вращение монокристалла в течение получаса. Пожалуй, проще было бы просто перемешивать раствор, вращающийся от микроэлектродвигателя мешалкой. В течение всего времени эксперимента сосуд был прикрыт целлофаном, чтобы в него не попадала пыль.

Снежинки

Фотографии и рисунки снежинок можно найти во многих учебниках физики в главах, в которых рассказывают о симметрии. Но этим и ограничивался до недавнего времени интерес ученых к снежным кристаллам. Серьезное изучение зарождения, роста и структуры снежных кристаллов началось не так давно. Интерес к снежным кристаллам был связан в основном с изучением образования дождя и явлений, происходящих в облаках.
Оказалось, что большая часть дождевых капель начинает свою жизнь как снежные кристаллы, тающие прежде чем они упадут на землю.
Однако только холодные, находящиеся на большой высоте перистые облака состоят из кристалликов льда. В основном же облака представляют собой скопление маленьких водяных капелек, удерживающихся в воздухе так же, как частички дыма.
Долгие годы оставалось загадкой, как эти капельки вырастают до размеров, достаточных для того, чтобы они упали на землю. Осталось загадкой и то, что часто эти капельки «отказывались» замерзать, хотя температура облака была намного ниже нормальной температуры замерзания воды, то есть ниже 0˚С.
Сейчас мы знаем, что переохлажденное облако остается стабильным до тех пор, пока в нем не появиться хотя бы небольшое количество маленьких кристалликов льда, зарождающихся на частичках земной пыли. Молекулы воды, попавшие на кристаллик льда, образуют с ним прочную связь, разорвать которую довольно трудно. Молекулы же воды, которые конденсируются на капле, оторвать сравнительно легко - теплота испарения меньше энергии, необходимой для отрыва молекулы воды от кристаллика льда.

Поэтому если облако состоит из калек воды и кристалликов льда, то кристаллы льда растут гораздо быстрее, чем капли.
Более того, благодаря росту кристалликов льда уменьшается влажность окружающего воздуха. Это приводит к тому, что водяные капли постепенно испаряются и исчезают. В то же время кристаллики льда вырастают до размеров, достаточных для их падения на землю.
Падая, несколько кристалликов могут объединяться, образуя снежинку.
Хотя снежные кристаллы многообразны, их можно классифицировать по трем основным формам:
- шестиугольные призматические столбики,
- тонкие шестиугольные пластины  
- разветвлённые звёзды.

Нетрудно объяснить шестигранную форму кристалликов и снежинок. Изучение кристаллов льда с помощью рентгеновских лучей показало, что молекулы воды в кристалле льда расположены так, что каждая из молекул окружена шестью соседями. Центры этих молекул образуют правильный шестиугольник. Что же касается причин различия форм кристаллов, то до недавнего времени ученые не могли прийти к единому мнению. По некоторым гипотезам форма кристалликов должна в основном определяться степенью пересыщения окружающего воздуха парами воды, а не температурой облака. Но исследования показали, что кристаллы различной формы вырастают при различных температурах.
Высокие перистые облака, температура которых ниже – 30˚С, состоит в основном из снежных кристаллов в форме призматических столбиков длиной около половины миллиметра.

Облака на средних высотах, температура которых изменяется от - 15˚ до - 30˚С, состоят из кристаллов в форме призм и пластин. В низких облаках, температура которых колеблется от - 5˚С до 0˚С, можно встретить кристаллы в виде шестиугольных пластин, коротких призм и поражающих своей красотой звезд, имеющих диаметр порядка нескольких миллиметров. Эти звезды являются основой снежинок. При температуре в несколько градусов ниже нуля кристаллики слипаются, образуя снежинки.

Всё это говорит о том, что форма кристаллов определяется в основном температурой, при которой они вырастают.

Это подтвердили и эксперименты по выращиванию кристаллов льда в лаборатории. Кристаллы льда выращивались в специальной камере, в которой строго контролировалась температура и количество водяных паров. В качестве затравки использовалась тонкая нить. Температура в камере в различных участках вдоль нити была разной.

Опыты показали, что именно температура определяет форму кристалла. Количество же водяных паров влияет на скорость роста.

Однако до сих пор остается невыясненной точная природа роста снежных кристаллов.

Морозные узоры

Особенно интересны узоры, которыми покрываются зимой окна квартир, автобусов и трамваев. При резком похолодании температура окон становится ниже температуры воздуха в помещении. На них и оседают молекулы пара, находящиеся во влажном воздухе в комнате, образуя красивые узоры. При этом тоже очень важно, чтобы воздух в комнате был не очень влажным. В противном случае пар сначала сконденсируется на стекле и затем замерзает, образуя слой льда. Узоры не появляются на окне, если открыта форточка. В этом случае температура воздуха в комнате у стекла понижается, став такой же, как и температура самого стекла. В ледяных узорах, можно увидеть большинство форм, которые могут принимать снежные кристаллы.
Наблюдать за ростом снежных кристаллов на окнах вы можете и у себя дома. Однако, к сожалению, узоры на окнах недолговечны, да и трудно менять условия их роста.

Но можно «выращивать» узоры, очень похожие на ледяные, пользуясь не водой, а раствором гипосульфита (он продается в магазинах в отделах фототоваров) или карловарской соли (ее можно купить в аптеке).

Эти узоры долговечны, по внешнему виду не отличаются от ледяных и, выращивая их, можно менять условия роста - скорость подвода или отвода тепла, концентрацию раствора (изменение концентрации раствора соответствует изменению влажности воздуха) и т. д. За ростом кристаллов, образующих узоры, можно следить с помощью микроскопа.

Получить узор можно так.
Сначала приготовьте насыщенный раствор вещества, с которым вы будете работать. Протрите этим раствором стекло и поставьте его под вентилятор. Примерно через 5 минут вода испарится, а на стекле получится узор. Самое трудное здесь - это хорошо смочить стекло. Дело в том, что обычно вода не смачивает поверхность стекла и не растекается по ней, а образует капельки. Тогда вместо узоров получатся пятна, в которых останется просто высохший осадок.
Если не обдувать стекло или налить на него много раствора, то вместо узора вы получите куски кристаллов, они вырастут « снизу» (от поверхности стекла) и будут возвышаться над стеклом. Нам же надо, чтобы кристаллы выросли небольшие и сразу на всей поверхности стекла. Чтобы раствор смачивал стекло, надо поверхность стекла тщательно очистить бензином или спиртом (можно взять и одеколон). Еще лучше пользоваться не водным, а спиртовым раствором соли.

Метод получения ювелирных изделий основан на широко используемом способе получения монокристаллов – кристаллизации из водных растворов.

При охлаждении насыщенного раствора, а также при испарении растворителя и в других условиях, когда создаются пересыщение раствора, растворенное в нем вещество начинает выпадать в осадок. Если в сосуд с раствором (кристаллизатор) поместить маленькие кристаллики исходного вещества (затравки) или какие-нибудь посторонние нерастворимые частички, структура которых близка к структуре кристалликов, то при достаточно медленном снижении температуры мы можем добиться того, чтобы вещество осаждалось преимущественно на затравках.
Получение достаточно крупных (размером в несколько сантиметров и более) однородных искусственных монокристаллов требует сложной аппаратуры с точным автоматическим управлением температурой, перемещением растворов, регулированием химического состава среды и так далее.
Маленькие кристаллики и их сростки (поликристаллы) можно легко получить и, не прибегая к сложным конструкциям и автоматике.
Если в кристаллизатор опустить какой-нибудь предмет, на котором находится большое число затравок, то, используя метод снижения температуры или испарения растворителя, можно обрастить его кристалликами с четко выраженной огранкой. При этом нет никакой необходимости перемешивать раствор или точно регулировать скорость изменения температуры. Кристаллики и без этого вырастают достаточно красиво ограненными.
Чтобы получить большое число затравок на заращиваемом предмете, нужно предварительно обмотать его обычными хлопчатобумажными нитками №10 (не обязательно плотно, виток к витку, можно и с интервалом 1-3 мм), окунуть в раствор, тут же вынуть и как следует просушить при комнатной температуре. Так как нитки пропитываются раствором. То при высыхании на них образуются мельчайшие кристаллики. Которые и будут в дальнейшем служить затравками.
При желании кристаллами можно легко обрастить любой нерастворимый предмет.

Попробуйте, например, изготовить веточку. Для этого необходимо из медной или алюминиевой проволоки диаметром 1-2мм или из какого-нибудь синтетического материала изготовить ее каркас. Провод необходимо обмотать нитками. Для изготовления «заснеженной» елочки, можно также сделать ее каркас из проволоки, но гораздо лучше использовать купленную в магазине разборную, синтетическую. У синтетической елочки обматывать нитками нужно только ствол и ветки, а иглы не надо.
Количество раствора в кристаллизаторе и его начальную температуру выбирают с учётом размеров каркаса и массы вещества, которую нужно на нем осадить. На маленькую елочку достаточно осадить 100-200г вещества. Масса осадка в данном растворе существенным образом зависит от растворимости выбранного вещества. Мы рекомендуем использовать алюмо-калиевые квасцы (скорее всего, они есть в стандартном школьном наборе химических реактивов в вашем химическом кабинете в школе; их можно также купить в аптеке). Их растворимость при 20°С около 6%, при 50°С – приблизительно 19%. Это означает, что в 1000г насыщенного раствора квасцов при температуре 20°С на 940г воды приходиться 60г квасцов, а при 50°С – на 810г воды 190г квасцов. Следовательно, при остывании 1000г насыщенного раствора от 50°С до 20°С в осадок выпадает 130г квасцов. Из сказанного ясно, что для заращивания елочки кристаллами квасцов вполне достаточно 1,5-2кг раствора. Не следует брать раствор с очень высокой температурой, так как в этом случае изделие после сушки будет покрыто мелкой кристаллической пылью, что существенно ухудшит его внешний вид. В качестве кристаллизатора можно взять любой стеклянный сосуд с прозрачными стенками.
Горячий раствор отфильтровывается через ватку. Чтобы синтетическая елочка не всплыла, в ее круглое основание с помощью пластилина надо вмонтировать металлический грузик, например, железную гайку или кусочек свинца. К вершине привязывается нитка, за которую изделие вынимается из кристаллизатора. Уровень раствора в кристаллизаторе должен быть по крайне мере на несколько миллиметров выше каркаса. Сверху кристаллизатор закройте крышкой из картона или полиэтиленовой пленкой. Выпадение осадка протекает сравнительно медленно, поэтому каркас необходимо держать в растворе 10-30 часов.

Природные кристаллы не всегда достаточно крупны, часто они не однородны, в них имеются нежелательные примеси.

При искусственном выращивании можно получить кристаллы крупнее, однороднее и чище, чем встречаются в природе.

Полностью материал лежит здесь:
http://2balla.ru/index.php?option=com_ewriting&Itemid=&mosmsg=%CD%E5%EA%EE%F0%E5...
Наверх
 

Если ничто другое не помогает, прочтите, наконец, инструкцию.
 
IP записан
 
Атаринке
уровень 5
*****
Вне Форума


Обстоятельства - это я.

Сообщений: 548
Re: Искусственные камни
Ответ #1 - 27.08.06 :: 22:26:46
 
СИНТЕЗ ДРАГОЦЕННЫХ КАМНЕЙ


РУБИН И САПФИР

Оба камня - это окись алюминия. То есть - глинозём. Его кристаллическая форма называется корундом. Только красный корунд называется рубином. Все остальные (бесцветные, синие, голубые, жёлтые, оранжевые, розовые) - сапфиры. И тот и другой камни получают путём нагревания порошка глинозёма в специальной герметичной печи. 
Чтобы цвет кристалла получился красным - в глинозём добавляется хром (2,5%).
Для получения кристалла корунда используется вертикальная горелка  с подачей порошка глинозёма в пламя через поток кислорода. Порошок должен встряхиваться в потоке газа. И не должно быть утечки кислорода.
Пламя имеет холодную и горячую зоны. В холодной части пламени находится керамический штифт, на котором собираются капли жидкого глинозёма, образующиеся при плавлении порошка. Сам порошок просыпается через горячую зону пламени. Пламя окружается керамическим барьером, играющим роль изолятора и защищающим растущий кристалл от "сквозняков". 
В начальной стадии роста кристалла порошок, попадая на штифт, затвердевает и образует конус из материала относительно невысокой плотности. В дальнейшем конус перемещают в горячую зону пламени где его вершина начинает плавиться. В этот момент образуется несколько кристаллов, но один из них ориентирован в направлении наибольшей скорости роста. Он подавляет рост остальных кристаллов и служит затравкой для развивающегося большого кристалла. На ранней стадии роста чрезвычайно важно мастерство оператора, поскольку во время селекции кристаллов может понадобиться регулировка температуры пламени или скорости подачи порошка. После того как в центральной части начнется преобладающий рост одного кристалла, чтобы увеличить его диаметр  повышают скорость подачи питающего порошка и постепенно увеличивают температуру пламени регулировкой скорости потока кислорода (воздуха). Верхняя поверхность кристалла становится округлой, и на нее подают свежие порции глинозема в виде падающих капель расплава. Далее подставку со штифтом опускают со скоростью, соответствующей скорости роста кристалла.
Наиболее важным условием для выращивания кристаллов высокого качества является равномерная подача порошка, поэтому большие усилия тратятся на приготовление питающего материала с тем, чтобы он обладал хорошей сыпучестью. Если порошок слишком грубый - то внедрение крупных холодных частичек приводит к тому, что вещество утрачивает структуру монокристалла.
Если порошок слишком мелкий - то глинозём просто испарится в пламени.
Глинозём получали из аммониевых квасцов. Порошок нагревался до  разложения квасцов и образования окислов, которые измельчались и просеивались через проволочное сито для селекции частиц необходимого размера. 
В течение двух часов такой обработки можно получить рубин в 12-15 карат (2,5 - 3 грамма) и диаметром до 5-6 мм.

ИЗУМРУД

Относится к семейству берилла (туда же - аквамарин и гелиодор). Химически - алюмосиликат бериллия.
Для цвета нужны: опять же - хром, плюс ванадий и железо.
Соотношение этих трёх элементов определяет цвет кристалла.
Для примера - Колумбийский изумруд (классический зелёный) содержит 0,14% хрома, 0,12% железа и 0,05% ванадия.

Методы получения изумрудов

1. Расплав-реакционный.

Он отличается от обычных методов выращивания кристаллов, когда их растят при медленном охлаждении растворов или когда испаряют растворитель. 
Здесь используется реакционное взаимодействие между составляющими кристалла. 
Два главных компонента изумруда, окиси бериллия (ВеО) и алюминия (Al2O3, растворяют в плавне (растворителе), молибдате лития, а третья составляющая, кремнезем (SiO2) плавает на поверхности раствора. Для того чтобы быть уверенным, что кремнезем плавает, а не погружается, необходимо тщательно регулировать состав плавня, чтобы его плотность была близка к 2,9, т. е. -  меньше, чем у изумруда, но больше, чем у кремнезема. 
Поскольку изумруд относительно легкий минерал, потребовались дополнительные меры предосторожности. Выше того места, где кристаллизовался изумруд, помещали сетчатый платиновый экран для предотвращения всплывания кристаллов, так как в области обогащения расплава кремнеземом растут кристаллы очень низкого качества.
Процесс формирования изумруда включает химическую реакцию между кремнеземом и растворенными в молибдатовом плавне окисью бериллия, окисью алюминия и небольшим количеством окиси хрома. 
Для протекания этой реакции необходимо, чтобы кремнезем сначала растворился в плавне, а затем переместился в ту область, где концентрация всех реагентов достаточна для кристаллизации изумруда. Основание тигля должно быть несколько холоднее, чем остальная часть раствора, если кристаллизация изумруда происходит в этой части. 
После того как начнут расти первые кристаллы, зарождение новых в других частях тигля маловероятно, так как кремнезем в область кристаллизации поступает с достаточно медленной скоростью и полностью расходуется на химическую реакцию, приводящую к росту уже зародившихся кристаллов изумруда. Поэтому успех этого метода определяется поддерживанием очень медленной миграции кремнезема через раствор. 

Используемый процесс характеризуется очень медленным ростом кристаллов, и для выращивания хороших изумрудов требуется время до одного года. В течение этого периода необходимо добавлять в раствор кремнезем, чтобы компенсировать его расход во время роста кристаллов. Полученные кристаллы имели размер до 2 см в поперечнике, но, поскольку они содержали включения, вес ограненных камней составлял около 1 карата. 

2. Гидротермальный метод.

В этом методе для растворения изумруда используется не молибдат лития или другая расплавленная соль, а обыкновенная вода при высоких давлениях и температурах. 
Растворимость изумруда в воде при комнатной температуре или даже при температуре кипения очень низка, но быстро растет с увеличением ее до 300 или 400°С. Конечно, при таких температурах вода чрезвычайно быстро испаряется, поэтому для гидротермального метода необходимо использовать достаточно прочные сосуды, способные выдерживать высокие давления, создаваемые водяным паром при нагреве до высоких температур, превышающие атмосферное примерно в 1000 раз. 
В природе кристаллы изумруда растут в гидротермальных условиях, или, что более вероятно, этот процесс может считаться промежуточным между гидротермальным и раствор-расплавным, поскольку растворяющая способность воды может меняться из-за присутствия в ней различных минеральных солей. В глубоких горизонтах земной коры такая жидкость с растворенным в ней изумрудом имеет высокую температуру, но при перемещении ее на менее глубокие уровни, для которых характерны более низкие температуры и давления, из нее кристаллизуется изумруд. Вероятно, кристаллы росли в трещинах, и процесс их образования протекал очень медленно в течение длительно го периода. Структура поверхности природных кристаллов указывает на то, что они росли значительно медленней, чем синтетические кристаллы. Природные кристаллы растут в водной среде, поэтому они содержат включения воды, которую можно обнаружить аналитическими приборами, такими, как инфракрасный спектрометр. 

КВАРЦ И ОПАЛ

Относятся к семейству кремнезёма.
Сюда же - горный хрусталь, фиолетовый аметист, желтый или коричневый цитрин, дымчатый кварц, розовый кварц и коричневая разновидность кварца с включениями асбеста - тигровый глаз. 
Все эти разновидности кварца представляют собой кристаллическую форму кремнезема, или двуокиси кремния (SiO2), с различными типами примесей, определяющими характер окраски.
 
Хотя слово "кварц" относится только к монокристальным формам, кремнезем также встречается в виде агрегатов микрокристаллов. В отличие от прозрачных кристаллов такие материалы полупрозрачные. В число последних входит ряд недорогих камней, таких, как агат, сердолик, гелиотроп, моховой агат и оникс.   
Однако наиболее высокоценимый драгоценный камень семейства кремнезема - благородный опал. 

Кварц.

Если к воде добавить щелочи то при температуре около 400° С растворимость кварца становится довольно высокой. 

Обычно кварц выращивают гидротермальным методом с использованием температурного градиента, когда затравочные пластины, вырезанные из кристаллов, расположены в верхней холодной части раствора, а мелкие частицы кварцевой "пищи" - в нижней горячей секции. Обычно в той части, где расположены затравки, температура 360°С, а в питающей области - 400°С. 
Количество раствора тщательно регулируется с тем, чтобы при температуре и давлении, необходимых для выращивания кристаллов, он полностью заполнял полость сосуда. При высокой температуре мелкие частицы кварца растворяются и кремнезем переносится в область, где растут кристаллы. Затравочные пластины вырезаются перпендикулярно оси кристалла кварца, вдоль которой скорость роста наибольшая. Кристаллы могут расти со скоростью около 1 мм/сут. В конечном итоге кристалл увенчивается двойной пирамидой, однако выращивание заканчивают раньше, поскольку грани пирамиды растут очень медленно. Когда рост прекращают, поверхность кристалла имеет характерный вид булыжной мостовой, что делает возможным легко узнавать такие кристаллы до их огранки. 
Неровная поверхность кристалла связана с дефектами внутренней структуры кристалла, что позволяет идентифицировать синтетические кристаллы кварца даже после огранки, правда для уверенного обнаружения этих дефектов структуры могут понадобиться довольно сложные приборы.

Сосуд высокого давления, используемый для гидротермального выращивания кварца, изготавливают из прочных стальных сплавов, так как он должен выдерживать давления примерно от 1000 до 2000 атм при температуре 400°С. Он также должен быть стойким к химическому воздействию раствора и может быть "усилен" благородными металлами, такими, как золото, серебро или платина. Сосуды высокого давления (автоклавы) могут иметь внутренний диаметр до 30 см или более, и в них в настоящее время выращивают кристаллы весом более десятка килограммов, необходимые для промышленных целей. 
Только в редких случаях кристаллы синтетического кварца используют в качестве драгоценных камней, так как природный горный хрусталь сравнительно недорог.
Вплоть до последнего десятилетия производство окрашенных кристаллов кварца испытывало трудности, связанные с тем, что соли многих металлов нерастворимы в щелочных растворах, а растущие кристаллы характеризуются сильной тенденцией "отторгать" примеси, которые в течение процесса роста остаются в растворе. Железо входит в состав кристаллов, когда для растворения кварца вместо натриевых соединений в воде растворяют калийсодержащие соединения. В этом случае кварц приобретает зеленую или коричневую окраску. Эти цвета не особенно привлекательны, и их нельзя изменить на более желательный фиолетовый цвет аметиста.
Цветные разновидности синтетического кварца привлекают гранильщиков, так как из них можно делать изделия очень приятного вида. В настоящее время охотно используется только голубая или сине-зеленая синтетические разновидности кварца. 

Опал

Опалы отличаются от большинства разновидностей кварца двумя особенностями: они некристаллические и характеризуются существенной концентрацией воды, химически связанной с кремнеземом. 

Примерно десять лет назад господствовало мнение о невозможности синтеза опала. Считалось, что для образования природных опалов требуется длительное время, может быть до 100000 лет, и, казалось, нет путей ускорить этот процесс до такой степени, чтобы он был приемлем для лаборатории или завода. 
Сначала удалось объяснить происхождение необычных и ярких цветов, наблюдаемых у наиболее красивых разновидностей опала.
Окраска опалов связана с наличием небольших зерен минерала диаметром от менее одного до нескольких миллиметров. Каждое зерно имеет свой характерный цвет, который может быть тем же самым, что и цвет соседнего зерна, но чаще отличается. Хорошо известно, что по внешнему виду любые два опала чрезвычайно непохожи друг на друга, и их различие может быть результатом как характера распределения зерен различного размера, так и цвета зерен.
Относительно опала было высказано предположение, что он состоит из мелких сфер кремнезема, которые образуют пленки внутри тела аморфного (стеклообразного) гидратированного кремнезема.
Детальное изучение структуры благородного опала показало что, благородный опал состоит из прозрачных сферических частичек аморфного кремнезема примерно одинакового размера, которые плотно упакованы в правильном порядке. Сферы (шарики) контактируют между собой, а промежутки между ними заполнены воздухом, водяным паром или водой. 

Электронно-микроскопическое изучение показало, что сферические частички опала образованы концентрическими оболочками, сложенными из еще более мелких частичек кремнезема размером 0,02-0,05 мкм. Эти мельчайшие частички возникают при медленном испарении воды и увеличении концентрации кремнезема в гидротермальном растворе. 

Таким образом, опалы в природе образуются в условиях, когда возникают маленькие шарики кремнезема, но они не разрастаются до больших размеров. Необходимо, чтобы раствор чистого кремнезема оставался в полостях внутри породы, а испарение воды происходило медленно, вероятно в течение нескольких тысяч лет. 

Постепенное накопление знаний о структуре опала и развитие теории о его образовании в природе сделали реальным синтез в лаборатории этого "невозможного" минерала. Методика приготовления мелких сферических частиц строго выдержанного размера уже была известна. В этом отношении человек имеет некоторое преимущество перед природой, так как природные растворы кремнезема вследствие кол##аний температуры в процессе осаждения образуют частицы, размеры которых колеблются в широких пределах.

Технология
Раствор натриевого силиката деионизировался нагреванием с ионообменными смолами при температуре 100°С в течение от 30 до 100 ч. Этот процесс содействует осаждению коллоидного кремнезема, который затем образует шарики размеров, характерных для благородного опала. Более крупные шарики, которые могут сформироваться в это время, периодически удаляются путем перемешивания жидкости и использования центрифуги. Полученную суспензию выдерживают в высоком цилиндре в течение нескольких недель для осаждения частиц. После того как шарики распределятся по слоям и наиболее крупные частички опустятся на дно, с помощью пипетки извлекают слой, содержащий шарики нужного диаметра, без нарушения выше- и нижележащих слоев.
Приготовленные таким образом шарики представляют собой гидратированный кремнезем, но содержание в них молекул воды, связанной с кремнеземом, по сравнению с опалом слишком высокое. Поэтому шарики должны быть частично дегидратированы продолжительным нагреванием при температуре 100° С или, если нужно, чтобы процесс протекал быстрее, при 600°С . 
Такая обработка содействует скреплению частиц друг с другом. 

При добавлении к раствору соляной кислоты образуются твердые частички, спектр цветов которых изменяется от красного, оранжевого, желтого и зеленого до синего и фиолетового. 
Это лабораторное воспроизведении игры цветов, характерное для опала. Шарики кремнезема осаждали с тем, чтобы получить "конгломерат", который затем отжигали при 900°С. в результате чего шарики скреплялись друг с другом, образуя жесткое, твердое тело. В полученном материале наблюдались цветовые эффекты, но только тогда, когда он пропитывался жидкостью, такой, как вода или бутиловый спирт.
В последствии довольно медленный процесс с использованием натриевого силиката был заменен методом с применением органических соединений кремния, главным образом тетраэтилортосиликата, из которого приготавливают суспензию в смеси воды и спирта. 
При добавлении аммиака к предварительно перемешанному (взбалтыванием) раствору в результате химической реакции образуются шарики кремнезема одинакового диаметра. Наиболее трудная задача-найти способ уплотнить шарики для того, чтобы уменьшить объем пустот между ними и таким образом улучшить прозрачность. 

Предпочтительнее уплотнять шарики нагреванием при температурах между 500 и 800°С. Кристаллический кремнезем образуется при температурах выше 800°С, а опалы хорошей прочности и твердости получают нагреванием при более низких температурах.


АЛЕКСАНДРИТ

Александрит представляет собой разновидность минерала хризоберилла, двойной окиси бериллия и алюминия, химическая формула которого ВеАl2O4 Следовательно, хризоберилл родствен бериллу (Ве3Аl2Si6О8) и особенно шпинели (MgAlO4). 

Твердость хризоберилла 8,5, поэтому он является одним из самых твердых минералов. 
Александрит- наиболее редкая разновидность этого минерала, для которой характерно замещение некоторого количества алюминия хромом. 

Необычное явление изменения цвета, известное как александритовый эффект, до сих пор полностью не объяснено. При дневном освещении александрит обычно имеет серо-зеленый или даже насыщенный зеленый цвет, что зависит от содержания хрома, которое различно у минералов из разных месторождений. Зеленый цвет может иметь слабый красноватый оттенок в зависимости от того, как на камень падает свет. Однако если александрит поместить под искусственный свет, особенно идущий от флуоресцентной лампы, камень кажется красным. Иногда изменение цвета можно наблюдать и при вращении камня, когда свет проходит сквозь него в различных направлениях.
Александритовый эффект связан с необычной ролью, которую играют ионы хрома в кристаллической решетке минерала. 

Кристаллы хризоберилла и александрита выращивались из раствора в расплаве. 
Кристаллы получали при медленном охлаждении раствора в литий-молибдатовом плавне, но их величина была не более 3 мм и они не отличались хорошей кристаллографической Формой. 

Позже, используя очень медленную скорость охлаждения (0,5 °С в час), вырастили кристаллы размером до 4,4 см в поперечнике из Ложного плавня, состоящего из окиси свинца, фторида свинца, кремнезема и окиси бора. 

Сообщалось, что александрит был также выращен методом плавлением в пламени, однако не приводилось описания качества и вида кристаллов, полученных этим методом. 

Для успешных экспериментов необходимо определить оптимальные концентрации хрома, который нужно добавлять к хризобериллу для получения лучшего цвета. Установлено, что необходимо добавлять не только хром, но и железо, причем отношение железа к хрому подбирается в соответствии с размером получаемого камня.
Обычный метод производства александрита включает в себя медленное охлаждение раствора ВеО и Аl2О3 в плавне Li2O+MoO3 от 1200 °С со скоростью 1 °С/ч. 
Окись бериллия и глинозем составляют около 4% массы расплава, а окись железа (Fe2О3) и окись хрома (Сг2Оз)-около 1%. Фактически содержание железа варьирует от 0,7 до 2,8%, а хрома-от 0,001 до 0,5%. В качестве затравочных кристаллов используются природные или синтетические хризобериллы, которые помещают в платиновую рамку и опускают в расплав перед началом охлаждения. 
Используют 236 затравок, размещая их в два горизонтальных ряда по 118 штук. Рост продолжается от 7 до 9 недель, затем кристаллы разрезаются для отделения александрита от затравки. 

АЛМАЗ

Алмаз является одной из форм углерода, другая форма которого-графит. 
Громадная разница в свойствах графита и алмаза обусловлена различным пространственным расположением атомов углерода в этих двух минералах. 

После этого открытия ученые постепенно пришли к мысли, что алмаз такая форма углерода, которая образуется при высоких давлениях, т. е. для того, чтобы превратить дешевый графит в самый твердый и наиболее очаровательный продукт природы, необходимо атомы углерода теснее прижать друг к другу. 

Человеком, которому посчастливилось первому осуществить синтез алмаза, был Трейси Холл. 

Холл пришел в лабораторию "Дженерал электрик" в 1948 г. и с 1951 г. стал членом небольшой исследовательской группы, занимающейся "Проектом сверхдавления", как были закодированы работы по синтезу алмаза. 
Хотя Холл был химиком, он понял, что главное препятствие на пути успешного Решения проблемы синтеза алмаза - отсутствие оборудования высокого давления, и разработал эскизный проект системы.
Свой первый аппарат Холл создавал на основе неофициальной договоренности с друзьями из механической мастерской. 

Таким же образом были изготовлены самые важные детали аппарата из карбида вольфрама. Применение твердого сплава позволило создать давление в 120000 атм при 1800 °С и выдерживать эти параметры несколько минут. 
Холл позднее писал: "Руки мои тряслись. учащенно билось сердце, я ощутил слабость в коленях и вынужден был сесть. Мои глаза поймали сверкнувший свет от дюжин мелких треугольных граней октаэдрических кристаллов... и я понял, что наконец-то алмазы сделаны человеком". Этот эксперимент был выполнен при давлении 70000 атм и температуре 1600°С с использованием графита и троилита (FeS). Алмазы прилипли к танталовому диску. который используется для подводки электрического тока при нагреве образца. Тантал, кроме того, восстанавливал FeS до металлического железа, так как присутствие одной серы не может вызвать превращения графита в алмаз.

Главная трудность при создании аппаратов высоких давлений и температур заключается в том, что стали и другие конструкционные материалы быстро теряют свою прочность при нагреве. Эту проблему можно решить путем нагрева только внутреннего рабочего объема и соответствующей термоизоляции для предотвращения чрезмерного нагрева.

Для решения проблемы с успехом использовали встречающийся в природе минерал пирофиллит, материал мягкий, достаточно хорошо передающий давление и в то же время обладающий высокой температурой плавления. В полость аппарата помещали ячейку из пирофиллита с вмонтированной электропечью в виде графитовой трубки, с помощью которой достигалась необходимая температура. 

В этих экспериментах использовался катализатор, в частности железо, что и предопределило успешное решение поставленной задачи. В настоящее время известно, что катализатор играет роль растворителя, в котором графит сначала растворяется, а затем кристаллизуется в виде алмаза. Без металлического растворителя скорость превращения графита в алмаз очень мала.   
Типичная шихта в реакционной камере представляет собой смесь 5 частей графита, 1 части железа, 1/3 части марганца и 1/3 части пятиокиси ванадия. Эту смесь запечатывали и нагревали до 1700°С ПОД давлением 95 000 атм в течение 2 мин, затем охлаждали до 1500 °С За 8 мин. 
Сейчас в качестве растворителя чаще всего используют смесь никеля и железа, позволяющую осуществить синтез алмаза при менее жестких условиях. 

Ювелирные алмазы.

Не следует думать, что производство синтетических алмазов в столь огромных объемах упрощает задачу получения алмазов таких размеров и такого качества, которые позволяют отнести их к драгоценным камням. 
Главное препятствие попыткам получить крупные кристаллы - маленький объем, в котором можно поддерживать экстремальные условия давления и температуры. К тому же для выращивания больших кристаллов требуется длительное время. 
В 1967 г., наконец, добились успеха в выращивании алмаза на затравке. Оказалось, что затравочный кристалл необходим для предотвращения кристаллизации графита даже тогда, когда условия опыта соответствуют области кристаллизации алмаза. Наиболее трудная проблема при выращивании крупных кристаллов алмаза высокого качества заключается в необходимости поддержания таких условий в области его стабильности, при которых скорость кристаллизации будет невелика. 

В используемой методике затравочный кристалл помещался в холодную часть раствора при температуре около 1420" С, а мелкие кристаллы располагали в нижней части при температуре 1450 °С. Интервал давлений составлял от 55 000 до 60000атм. 
Однако лучше, если затравочный кристалл помещают в нижней части, потому что некоторые образующиеся вне затравки мелкие кристаллы всплывают в горячую зону и там растворяются, а не растут вокруг затравки.
В некоторых опытах питающий алмазный материал перекристаллизовывался в графит, и такие эксперименты рассматривались как дорогостоящая авария! 
Однако исследователи столкнулись и с более серьезной проблемой: максимальная скорость, с которой кристаллы могут стабильно расти, должна уменьшаться по мере того, как кристалл становится крупнее. 
Установлено, что для кристалла диаметром 1мм наиболее высокая скорость стабильного роста составляет 0,2 мм в час. Когда же размер кристалла достигает 5 мм. стабильный рост может происходить только со скоростью 0,04 мм в час, поэтому для выращивания кристалла такого размера требуется несколько дней. Эта проблема станет еще более серьезной, если пытаться выращивать алмазы большего размера. В настоящее время самый крупный синтетический алмаз имеет 6 мм в диаметре и весит I карат (0,2 г). 
Поскольку для выращивания крупных кристаллов более благоприятны низкие скорости роста, а поддержание высоких температур и давлений в течение длительного времени требует значительных затрат, крупные синтетические алмазы существенно дороже природных кристаллов сопоставимых размеров. 

Прямое превращение графита в алмаз.

Для прямого перехода графита в алмаз необходимы еще более экстремальные условия по сравнению с методикой, использующей металл-растворитель. Это связано с большой устойчивостью графита, обусловленной очень прочными связями его атомов. 

Для создания давления использовалось взрывчатое вещество большой мощности, с помощью которого в течение примерно миллионной доли секунды (одной микросекунды) поддерживалась температура около 1200° С и давление порядка 300000 атм. В этих условиях в образце графита после опыта обнаруживалось некоторое количество алмаза, правда в виде очень мелких частичек. Полученные кристаллиты по размерам =10 нм, (или одна стотысячная доля миллиметра).

В 1963 г. удалось осуществить прямое превращение графита в алмаз при статическом давлении, превышающем 130000 атм. Такие давления были получены на модифицированной установке. Для создания таких давлений потребовалось увеличение прочности силовых деталей установки. Эксперименты включали искровой нагрев бруска графита до температур выше 2000° С. Нагревание осуществлялось импульсами электрического тока, а температура, необходимая для образования алмаза, сохранялась в течение нескольких миллисекунд (тысячных долей секунды).
Обе серии экспериментов дали необходимые параметры для построения фазовой диаграммы углерода, графически показывающей области температур и давлений, при которых стабильны алмаз, графит и расплав.

Рост в метастабильных условиях.

В последние годы пристальное внимание привлекли предложения по получению алмазов в условиях, при которых стабилен графит, а алмаз метастабилен (метастабильность алмаза означает, что он может в данных условиях оставаться неизменным неограниченное время без обратного перехода в графит). Для превращения графита в алмаз необходимо, чтобы атомы углерода были возбуждены до состояния, характеризующегося высокой энергией. Обычно это достигается приложением высоких давлений и температур. Альтернативная идея основана на том, что если удастся получить атомы углерода с высоким энергетическим уровнем, то при переходе в твердое состояние вероятнее образование метастабильного алмаза, чем стабильного графита. Этому способствует применение затравочных кристаллов алмаза, которые помогают атомам углерода располагаться в порядке, соответствующем алмазной, а не графитовой структуре.
Вероятно, наиболее перспективный метод связан с разложением углерод содержащих газов при достаточно низких давлениях. Обволакивая мелкие кристаллы алмаза, газ разлагается, и атомы углерода осаждаются на поверхность затравочных кристаллов.

Потребовалось достаточно много времени, прежде чем научная общественность поверила в возможность получения алмаза этим методом, однако сейчас обоснованность этого процесса более чем достаточна.
Для получения алмаза следующие условия: температура в интервале 600-1600°С, общее давление газа - одна атмосфера-концентрация метана в газовой смеси от 0,015 до 7%. Затравки имели размер всего лишь 0,1 мкм (десятитысячная доля миллиметра) в диаметре, что обеспечивало большую поверхность для осаждения алмазов. К сожалению, помимо алмаза в газовой фазе образовывались также скопления графита, которые осаждались вместе с алмазом на поверхности затравочных кристаллов. 
Если время от времени не останавливать процесс для удаления графита, его концентрация настолько возрастает, что препятствует осаждению алмаза. 
Для этого в методе предусматривалось периодическое извлечение алмазов, которые затем помещались в сосуд высокого давления (от 50 до 200 атм) с водородом и прокаливались при температуре 1000°С. Водород вступает в реакцию с графитом намного быстрее, чем с алмазом, поэтому такая процедура очищает поверхность затравочных кристаллов для последующего роста. 

Другие учёные пришли к выводу, что новообразования графита выгоднее окислять кислородом воздуха при атмосферном давлении. Преимущество этого способа в том, что процесс синтеза и удаление графита осуществляются в одном и том же реакторе, который в окислительную стадию процесса заполняется воздухом. Типичные условия, используемые в настоящее время для выращивания алмаза, характеризуются температурой 1020°С и давлением метана 0,07 мм рт. 

Наибольшие скорости роста составляют примерно 0,1 мкм в час, что обеспечивает образование во всем объеме реактора около одного карата алмаза в час. Вибрация затравок способствует увеличению поверхности соприкосновения кристаллов с метаном и ведет к улучшению свойств наращиваемого слоя. Еще большие скорости достигаются при облучении поверхности алмазов светом газонаполненной ксеноновой лампы высокого напряжения. Лампа работает в пульсирующем режиме, способствуя быстрому росту алмаза и в значительной степени предотвращая зарождения кристаллитов графита. Сообщалось, что в таких условиях скорости роста достигают нескольких микрометров в час. 
Иногда при использовании этого метода начинают расти алмазные "усы" - тонкие нити, выступающие из разных мест поверхности затравочного кристалла. Причины такой странной формы роста пока не ясны.

Другие условия роста: температура 1000°С, давление метана (в смеси с водородом) 0,2 мм рт. ст. Прирост веса составляет обычно 6% за 20 ч, что соответствует линейной скорости роста только 0,001 мкм/сут. Более высокие скорости наблюдаются в начальный период процесса, что, вероятно, связано с напряжениями, обусловленными небольшими различиями расстояний между атомами углерода в пленке и кристалле-подложке. 

Интересное с геммологической точки зрения сообщение содержится в недавно вышедшей статье, в которой указывается, что алмазы в течение нескольких циклов наращивания - очищения изменяют почти белую окраску на светло-голубую. В настоящее время еще не удается получить крупные кристаллы алмаза наращиванием на затравки в газовой фазе, так же как нет доказательств того, что "алмазные слои" могут равномерно нарастать на относительно большие камни. Тем не менее вполне возможно, что усовершенствование метода позволит покрывать ограненные алмазы слоем высококачественного материала, может быть даже с определенными присадками, например с бором, чтобы получить новые цветовые эффекты.

Полностью материал лежит здесь:

http://www.texnolog.net/technologys/diamonds_1.htm
Наверх
 

Если ничто другое не помогает, прочтите, наконец, инструкцию.
 
IP записан
 
Лyин
уровень 5
*****
Вне Форума


В тихом омуте черти водятся

Сообщений: 1059
Re: Искусственные камни
Ответ #2 - 28.01.08 :: 12:17:52
 
Главная часть ''Стокгольмского папируса'' посвящена изготовлению жемчуга (перлов) и других поддельных драгоценных камней, главным образом путем добавок к стеклообразной основе различных окрашивающих веществ. Жемчуг приготовляли из смеси растертой слюды, воска и ртути. Из этой смеси на коровьем молоке с примесью траганта и яичного белка замешивали тесто, из которого формовали шарики подходящей величины. Последние в сыром виде просверливали, затем нагревали и полировали. При этом, по утверждению предписания, получался жемчуг, ''еще более красивый, чем настоящий''.

Для изготовления поддельных драгоценных камней в качестве стеклянной основы применялся так называемый ''табазис'', представлявший собою, по мнению Е. Липпмапа, стекловидный нарост, образующийся между стеблями бамбука. Он вывозился из Индии. Сплавлением этого кремнистого вещества с разнообразными окрашивающими добавками и приготовлялись камни, полировавшиеся перед поступлением в продажу. В ''Стокгольмском папирусе'' описывается приготовление таким путем изумруда, рубина, граната, аметиста, берилла, хризолита и некоторых других.

Все отсюда же:
http://grokhovs.chat.ru/chemhist.html
Наверх
 

Я от дедушки ушел, я от бабушки ушел, и от тебя, Волк, уйду... А, ну его в болото.
 
IP записан
 

*** Форум литературно-художественного портала "Венец" Тэссы Найри ***