Для души и домашнего бизнеса

Всеволод Исидорчук (www.vsevolodisidor4uk.narod.ru)

ВЫРАЩИВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ ИЗУМРУДА

ГИДРОТЕРМАЛЬНЫМ СПОСОБОМ

В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ

Интересные книги с нестандартными идеями домашнего бизнеса

 

 

1. Краткая теория кристаллов (по рассказам А. И. Китайгородского)

Кристаллы… да ведь это красивые редко встречающиеся камни. Они бывают разных цветов, в большинстве своём прозрачны, и, что самое замечательное, они обладают красивой правильной формой. Обычно кристаллы представляют собой многогранники, стороны (грани) их идеально плоские, рёбра строго прямые. Собранные в минералогическом музее, они радуют глаз чудесной игрой света в гранях, удивительной правильностью строения…

Всё сказанное действительно справедливо, но… кристаллы – совсем не музейная редкость. Кристаллы окружают нас повсюду. Твёрдые тела, из которых мы строим дома и делаем станки, вещества, которые мы употребляем в быту, – почти все они относятся к кристаллам.

Если посмотреть на простой камень в микроскоп, то можно увидеть, что почти каждый камень состоит из маленьких кристалликов. Примером тому рисунок 1; это не булыжная мостовая, а сфотографированная с большим увеличением аметистовая раковина в горной породе.

Песок и гранит, поваренная соль и сахар, алмаз и изумруд, медь и железо – всё это кристаллические тела.

В природе находят как мельчайшие кристаллики в форме иголок, таблеток, пирамид, призм, так и огромные кристаллы, размером в человеческий рост (рис. 2). Иногда находят отдельные кристаллики, в других случаях кристаллики срастаются в сложные сплетения, в грозди.

Как же мы отличаем кристалл от не кристалла? Что общего у видимого в микроскоп кристаллического зерна железа и играющего светом алмаза? Мы узнаем, что основным признаком кристалла служит исключительный порядок в расположении составляющих его частиц.

Внешне эта особенность выражается в окаймлении кристаллов плоскими гранями, которые пересекаются по прямым рёбрам. Поэтому легко убедиться в том, что мы имеем дело с кристаллом, если он крупный и одиночный. Микроскоп и рентгеновские лучи помогают нам в исследовании мельчайших кристаллов.

Знание свойств окружающих нас тел немыслимо без ясного представления о кристаллах. Поэтому следует познакомиться с кристаллами поближе. Мы расскажем в этой книжке о том, что такое кристаллы, как они построены, каковы их свойства и где они используются. Мы объясним также, почему знание кристаллов необходимо для понимания свойств твёрдых тел, и расскажем, что общего между куском стали и горным хрусталём.

1.1. Идеально правильные фигуры

На рисунке 3 представлено несколько многогранников. Их очертания очень совершенны, как говорят, идеально правильны.

В чём заключается совершенность изображённых тел, заслужившая для них название идеально правильных?

Рис. 3. Многогранники: а – куб; б – октаэдр; в – два додекаэдра – слева ромбододекаэдр, справа пентагондодекаэдр; г – шестигранная призма; д – сочетание призмы с двумя шестигранными пирамидами.

 Многогранник, показанный на рисунке 3, а, называется кубом; у него 6 граней, 12 рёбер и 8 вершин. На рисунке 3, б показан октаэдр. Слово «окта» по-гречески означает восемь, окончание «эдр» означает грань, название «октаэдр» соответствует русскому слову восьмигранник; у октаэдра 6 вершин и 12 рёбер. На рисунке 3, в изображены два разных двенадцатигранника. Один из них называется ромбододекаэдром (приставка «ромбо» указывает на форму грани, «додека» значит двенадцать.) Все его грани, как видно из рисунка, имеют форму ромба. Подсчитывая число вершин и рёбер у додекаэдра, получим соответственно 14 и 24. Рядом изображён пентагондодекаэдр. У него также двенадцать граней, но грань имеет форму пентагона – пятиугольника («пента» – пять, «гон» – угол).

У перечисленных пока что фигур все грани имеют одну и ту же форму. У куба – это квадраты, у октаэдра – равносторонние треугольники, у додекаэдра – ромбы или пятиугольники.

Эти правильные тела – самые простые. Но существуют и несколько более сложные формы. На рисунке 3, г изображена шестигранная призма. Два основания её – правильные шестиугольники, шесть боковых сторон – прямоугольники. Всего граней 8, рёбер 18 и вершин 12. Рядом (рис. 3, д) показана красивая фигура, состоящая из двух шестигранных пирамид и одной шестигранной призмы. У этого тела 30 рёбер, 14 вершин и 18 граней – 12 граней имеют форму равнобедренного треугольника и 6 прямоугольны.

Мы приводим числа вершин, рёбер и граней, чтобы обратить внимание читателя на одно интересное правило, установленное знаменитым петербургским академиком Леонардом Павловичем Эйлером: число рёбер равно сумме числа граней и вершин, уменьшенной на два. Действительно, имеем для куба 12 = 6 + 8 – 2; для октаэдра 12 = 8 + 6 – 2; для ромбододекаэдра 24 = 12 + 14 – 2; для шестигранной призмы 18 = 8 + 12 – 2; у фигуры на рисунке 3, д 30 = 18 + 14 – 2.

Фигуры, подобные описанным нами, можно выпилить из дерева или изготовить искусственно из какого-либо иного материала. Замечательно, однако, то обстоятельство, что при некоторых предосторожностях  кристаллы вырастают в виде идеальных многогранников. В виде кубиков можно получить каменную соль. Алмаз находят в природе в виде октаэдров, а гранит – в виде ромбододекаэдров. Однако значительно чаще кристаллы принимают форму не простых, а сложных многогранников, имеющих несколько разных «сортов» граней. Например, кристаллы кварца довольно часто встречаются в виде только что описанных тел (рис. 3, д) с гранями двух сортов – прямоугольными и треугольными.

1.2. Кристаллы-близнецы

Рассмотрим внимательно большое количество кристаллов одного и того же вещества. Не все образцы будут представлять собой правильные фигуры. Некоторые кристаллики будут просто обломками, другие будут иметь одну, две грани «ненормально» развитыми. Однако ряд образцов покажется нам достаточно идеальным. Отберём их из общей кучи и зарисуем. Мы увидим тогда, что имеются кристаллы, отличающиеся друг от друга главным образом размером. Если маленький пропорционально увеличить, то он будет в точности повторять большой. Наряду с такими кристалликами мы найдём и другие, чем-то похожие друг на друга, но уже не совпадающие ни при каком пропорциональном изменении размеров (рис. 4).

Рис. 4. Некоторые возможные формы кристаллов кварца.

 У разных образцов кристаллов одного и того же вещества может быть представлено (или, как говорят, могут развиться) различное число граней одного «сорта», а также различное число самих «сортов» граней. И всё же такие кристаллики похожи друг на друга, как близкие родственники, как близнецы. В чём же заключается их сходство? В XVII и XVIII веках многие учёные независимо друг от друга искали эти родственные черты.

Одним из учёных, открывших закон, объясняющий это сходство, – закон постоянства углов в кристаллах – был Михаил Васильевич Ломоносов. Изучая драгоценные камни, он неизменно находил одни и те же углы между их гранями.

Посмотрите на рисунок 4, где изображён ряд кристаллов кварца. Все эти кристаллики – близкие родственники. Их можно сделать и совсем одинаковыми, сошлифовывая грани на различную глубину параллельно самим себе. Легко видеть, что таким способом, например, кристалл II может быть сделан совершенно таким же, как кристалл I. Эта возможность следует из того замечательного обстоятельства, что углы между сходственными гранями образцов одинаковы, например, между гранями А и Б, Б и В и т.д.

 
В этом равенстве углов и заключается «семейное» сходство кристаллов. При сошлифовывании граней параллельно самим себе форма кристалла изменяется, но углы между гранями сохраняют своё значение.

При росте кристалла в зависимости от ряда случайностей одни грани могут попасть в условия более благоприятные, другие в менее удобные для увеличения своих размеров. Кристалл вырастет неправильным, родственные взаимоотношения между выросшими в разных условиях образцами станут незаметными, но углы между сходственными гранями всех кристаллов изучаемого вещества будут всегда одинаковы. Форма кристалла случайна, а углы между гранями отвечают (и мы дальше поймём, почему) его внутренней природе.

Этот очень важный закон природы помогает нам узнавать, с каким веществом мы имеем дело. Два образца могут быть внешне очень непохожими, но если измерение показывает, что углы между гранями одинаковы, то имеются серьёзные основания полагать, что мы имеем дело с одним и тем же веществом. Напротив, отсутствие совпадающих углов между гранями говорит за то, что кристаллы принадлежат разным веществам.

Анализ вещества, построенный на этой идее, был разработан творцом современной кристаллографии – так называется наука о строении и свойствах кристаллов – русским учёным Евграфом Степановичем Фёдоровым.

Е.С. Фёдоров не только указал на возможность определения вещества по форме кристалла, но и составил вместе со своими учениками книгу «Царство кристаллов», плод гигантского труда, длившегося свыше 10 лет. Эта книга содержит в себе основы современной кристаллографии и справочный материал о величинах углов между гранями у огромного количества кристаллов.

Для анализа вещества методом Е.С. Фёдорова требуется иметь маленький кристаллик, размером хоть с песчинку. У этого кристаллика мы измеряем на специальных приборах – гониометрах – углы между гранями. Затем, пользуясь правилами, разработанными Фёдоровым, мы определяем, к какой группе веществ принадлежит исследуемый кристалл, и по совпадению данных измерения с цифрами, приведёнными в «Царстве кристаллов», находим, с каким веществом мы имеем дело. Разумеется, анализ не может быть проведён в том случае, если данное вещество никогда не изучалось и сведений о нём нет в книге.

Анализ методом Е.С. Фёдорова оказал уже не мало услуг промышленности. Например, в 1938 году с помощью определителя кристаллов было обнаружено присутствие в россыпях на Урале важнейшей оловянной руды – касситерита, кристаллы которого были ранее ошибочно отнесены к другому минералу – рутилу (окись титана).

1.3. Что такое симметрия

Смысл этого слова лучше всего мы поймём на примерах.

На рисунке 5, а изображена скульптура; перед ней стоит большое зеркало. В зеркале возникает отражение, в точности повторяющее предмет. Скульптор может изготовить две фигуры и расположить их так же, как фигуру и её отражение в зеркале (рис. 5, б). Эта «двойная» скульптура будет симметричной фигурой – она состоит из двух зеркально равных частей.

Рис. 5. а – скульптура и её изображение в зеркале; б – симметричная скульптура, состоящая из двух частей.

 Действительно, представим себе, что так же, как и на рисунке 5, а, расположено плоское зеркало. Тогда правая часть скульптуры в точности совпадёт с отражением левой её части. Эта симметричная фигура обладает вертикальной плоскостью зеркальной симметрии, которая проходит через середину постамента. Плоскость симметрии – мысленная плоскость, но мы её отчётливо ощущаем, рассматривая симметрично построенное тело.

На рисунках 6 и 7 приведены другие примеры тел, имеющих плоскость симметрии. Плоскостью симметрии обладают тела животных, вертикальную плоскость симметрии можно провести через человека. В животном мире симметрия осуществляется лишь приблизительно, да и вообще идеальной симметрии в жизни не существует. Архитектор может изобразить на чертеже дом, состоящий из двух идеально симметричных половин. Но когда дом будет построен, как бы хорошо его ни делали, всегда можно будет найти разницу в двух соответствующих частях здания: в одном месте есть трещинка, в другом – нет; в одном месте краска положена густо, в другом редко…

Рис. 6. Зеркальную плоскость симметрии имеют тела человека и животных.

 

Рис. 7. Здание Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова обладает вертикальной плоскостью симметрии.

 Наиболее точная симметрия осуществляется в мире кристаллов, но и здесь она не идеальная: наличие невидимых глазом трещинок, царапин всегда делает равные грани слегка отличными друг от друга.

 

На рисунке 8 изображена детская бумажная вертушка. Она тоже симметрична, но плоскость симметрии через неё провести нельзя. В чём же тогда заключается симметрия этой фигурки? Прежде всего, спросим себя о симметричных её частях. Сколько их? Очевидно, четыре. В чём заключается правильность взаимного расположения этих одинаковых частей? Это также нетрудно заметить. Повернём вертушку на прямой угол, то есть на 1/4 окружности; тогда крыло 1 встанет на то место, где было крыло 2; крыло 2 – на место 3; 3 – на место 4 и 4 – на место 1. Новое положение неотличимо от предыдущего. Про такую фигурку мы скажем так: она обладает осью симметрии и притом осью симметрии 4-го порядка.

Рис. 8. Бумажная вертушка обладает осью симметрии 4-го порядка.

 Итак, ось симметрии – это такая прямая линия, поворотом около которой на долю оборота можно перевести тело в положение, неотличимое от исходного. Порядок оси (в нашем случае 4-й) указывает, что такое совмещение происходит при повороте на 1/4 окружности. Следовательно, четырьмя последовательными поворотами мы возвращаемся в исходное положение.

Оси симметрии различных порядков приблизительно осуществляются у цветов. Цветок на рисунке 9, а обладает осью симметрии 2-го порядка – при повороте на 1/2 окружности цветок совмещается сам с собой. При наличии оси 6-го порядка (рис. 9, б) совмещение происходит при повороте на 1/6 долю полного оборота. Цветы яблони, груши и многие другие имеют ось симметрии 5-го порядка. Помимо вертикальной оси симметрии у цветка на рисунке 9, а есть ещё две вертикальные плоскости симметрии, а на рисунке 9, б – 6 плоскостей симметрии. Сообразите сами, как они проходят.

Рис. 9. Оси симметрии 2-го и 6-го порядков у цветов.

На рисунке 10 приведены примеры более сложных случаев симметрии, встречающихся в природе. Организм на рисунке 10, а обладает осью симметрии 4-го порядка, перпендикулярной плоскости рисунка, четырьмя осями симметрии 2-го порядка, лежащими в этой плоскости, и рядом плоскостей симметрии.

Рис. 10. Примеры более сложной симметрии, осуществляемой природой.

Снежинка на рисунке 10, б имеет ось симметрии 3-го порядка, три оси 2-го порядка и ряд плоскостей симметрии. Возможно очень большое число фигур, различающихся своей симметрией. (Заметим, что подчас совершенно непохожие тела, например человек и бабочка, имеют сходную симметрию.).

  Фигура 10, а обладает ещё так называемым центром симметрии, совпадающим с центром организма. Центр симметрии характеризуется тем, что в каком бы направлении мы ни провели через него прямую линию, всегда точки на этой прямой, равноотстоящие от центра, будут принадлежать сходным частям тела.
Встречаемся ли мы с симметрией любого типа в царстве кристаллов? Опыт показывает, что нет.

В кристаллах мы встречаемся лишь с осями симметрии 2, 3, 4 и 6-го порядков. И это не случайно. Кристаллографы доказали, что это следует из решетчатого строения (см. ниже) кристалла. Поэтому число различных видов или, как говорят, классов симметрии кристаллов относительно невелико – оно равно 32.

1.4. Внешняя красота – признак внутренней правильности

Почему так красива, правильна форма кристалла? Грани его блестящие и ровные и выглядят так, как будто бы над кристаллом поработал искусный шлифовальщик. Отдельные части кристалла повторяют друг друга, образуя красивую симметричную фигуру.

Эта исключительная правильность кристаллов была знакома уже людям древности. Но представления древних учёных о кристаллах мало отличались от сказок и легенд, сочинённых поэтами, воображение которых было пленено красотой кристаллов. Верили, что хрусталь образуется изо льда, а алмаз – из хрусталя. Кристаллы наделялись множеством таинственных свойств: исцелять от болезней, предохранять от яда, влиять на судьбу человека…

Лишь в XVII–XVIII веках появились первые научные взгляды на природу кристаллов. Представление о них даёт рисунок 11, заимствованный из книги XVIII века. По мнению её автора, кристалл построен из мельчайших «кирпичиков», плотно приложенных друг к другу. Эта мысль довольно естественна. Разобьём сильным ударом кристалл кальцита (углекислый кальций). Он разлетится на кусочки разной величины. Рассматривая их внимательно, мы обнаружим, что эти куски имеют правильную форму, вполне подобную форме большого кристалла – их родителя. Наверно, рассуждал учёный, и дальнейшее дробление кристалла будет происходить таким же образом, пока мы не дойдём до мельчайшего, невидимого глазом кирпичика, представляющего кристалл данного вещества. Эти кирпичики так малы, что построенные из них ступенчатые «лестницы» – грани кристалла кажутся нам безукоризненно гладкими. Ну, а дальше, что же представляет собой этот «последний» кирпич? На такой вопрос учёный того времени ответить не мог.

Рис. 11. Справа кристалл, слева его строение, по мысли учёных XVIII века.

Эта «кирпичная» теория строения кристалла принесла науке большую пользу. Она объяснила происхождение прямых рёбер и граней кристалла: при росте кристалла одни кирпичики подстраиваются к другим, и грань растёт, как стена дома, выкладываемая руками невидимого каменщика. С точки зрения «кирпичной» теории понятно, что правильная форма кристалла есть проявление его внутренних свойств. Из большого кристалла, скажем каменной соли, можно выточить шар. Грани и рёбра кристалла исчезли, но на самом деле они существуют, хотя и в скрытом виде. Начнём медленно растворять шар из каменной соли. Мы увидим, как по мере растворения из шара образуется… куб, то есть та форма, которая свойственна кристаллу данного вещества.

1.5. Поговорим об обоях

Теперь мы хотим дать читателю современные представления о природе кристалла. Для этого сначала нам придётся поговорить… об обоях. Посмотрите на рисунок 12. На нём изображена девочка, играющая в мяч. И не одна девочка, а много совершенно одинаковых фигурок. Найдём на этом рисунке обоев тот наименьший кусок, который надо нарисовать художнику, иначе говоря, тот кусок, простым перекладыванием которого можно составить все обои. Чтобы выделить такой кусок, проведём из любой точки рисунка, например из центра мячика, две линии, соединяющие выбранный мячик с двумя соседними. На этих линиях можно построить, как это видно на нашем рисунке, параллелограмм. Совершенно ясно, что перекладываниям этого кусочка в направлении основных исходных линий мы можем составить весь рисунок обоев.

Рис. 12. Рисунок этих простеньких обоев помогает нам понять решетчатое строение кристаллов.

 Этот наименьший кусок может быть выбран по-разному: из рисунка сразу видно, что можно выбрать несколько разных параллелограммов, каждый из которых содержит одну фигурку. Подчеркнём, что для нас в данном случае безразлично, будет ли эта фигурка внутри выделенного куска целой или разделённой на части линиями, ограничивающими этот кусок.

Было бы неверным полагать, что, изготовив повторяющуюся на обоях фигурку, художник может считать свою задачу оконченной. Это было бы так лишь в том случае, если составление обоев можно было бы провести единственным способом – прикладыванием к данному кусочку, содержащему одну фигурку, другого такого же, параллельно сдвинутого. Однако кроме этого простейшего способа есть ещё шестнадцать способов заполнения обоев закономерно повторяющимся рисунком, то есть, всего существует 17 типов взаимных расположений фигурок на плоскости. Они показаны на рисунке 13

Рис. 13. 17 типов симметрии плоского узора; элементарные ячейки выделены.

 В качестве повторяющегося рисунка здесь выбрана более простая, но, так же как и на рисунке 12, лишённая собственной симметрии фигурка. Однако составленные из неё узоры симметричны, и их различие определяется различием симметрии расположения фигурок.

Мы видим, что, например, в первых трёх случаях рисунок не обладает зеркальной плоскостью симметрии – нельзя поставить вертикальное зеркало так, чтобы одна часть рисунка была «отражением» другой части. Напротив, в случаях 4 и 5 имеются плоскости симметрии. В случаях 8 и 9 можно «установить» два взаимно перпендикулярных зеркала. В случае 10 имеются оси 4-го порядка, перпендикулярные чертежу, в случае 11 – оси 3-го порядка. В случаях 13 и 15 имеются оси 6-го порядка и т.д.

Плоскости и оси симметрии наших рисунков выступают не по одиночке, а параллельными семействами. Если мы нашли одну точку, через которую можно провести ось (или плоскость) симметрии, то найдём быстро и соседнюю, и далее на таком же расстоянии третью и четвёртую и т.д. точки, через которые проходят такие же оси (или плоскости) симметрии.

Выберем теперь на этих узорах такой наименьший кусок, перемещая который параллельно самому себе на расстояния, равные длинам его сторон, мы сможем воспроизвести всю картину обоев. Мы столкнёмся при этом с несколькими интересными обстоятельствами.

Во-первых, этот наименьший кусок, или, как его принято называть, элементарная ячейка может оказаться параллелограммом (например, случай 1 на рисунке 13), прямоугольником (случаи 3, 4 и др.), ромбом с углом 60° или же квадратом.

Во-вторых, на элементарную ячейку в разных случаях приходится различное число фигурок. Это число равно 1 для случая 1, 4 для случая 8, 6 для случая 17 и т.д.

Принято выбирать элементарные ячейки так, чтобы они были наименьшими, но отражали бы симметрию, присущую узору в целом. Так, в случае 9 можно выбрать прямоугольную ячейку, на которую приходится 8 фигурок, и вдвое меньшую косоугольную. Рисунок указывает на высокую симметрию взаимного расположения фигурок – наличие взаимно перпендикулярных плоскостей симметрии. Косоугольная элементарная ячейка делала бы не очевидной эту высокую симметрию. Поэтому здесь и в других подобных случаях в качестве элементарной ячейки выбирается прямоугольник.

Однако некоторая свобода выбора в расположении элементарной ячейки всегда имеется. Так, совершенно безразлично, поместим ли мы углы ячейки в местах «головок» или «хвостиков» фигурок или же где-либо на белом поле между ними. В случаях 14 или 15 выбор ячейки несколько лучше подчёркивает симметрию обоев, чем, скажем, в случае 8, но сути дела это не меняет, и мы можем, если желаем, произвольно переместить углы ячейки в случае 8, оставляя, конечно, размеры ячейки теми же и стороны её параллельными самим себе.

Способы заполнения элементарной ячейки отдельными фигурками во всех случаях различны. Этим прежде всего и отличаются друг от друга изображённые 17 случаев. Таким образом, художник, выполнивший повторяющийся рисунок обоев, должен указать, кроме того, каким из 17 способов надо построить обои из его рисунка. Например, для случая 8 надо выполненный рисунок расположить в заштрихованной части (одной четверти) элементарной ячейки и отразить его в двух «зеркалах» (рис. 14).

17 типов симметрии плоского узора не исчерпывают, конечно, всего разнообразия узоров, составляемых из одной и той же фигурки: художник должен указать ещё одно обстоятельство, – как расположить фигурку по отношению к граничным линиям ячейки. На рисунке 14 показаны два узора обоев с той же исходной фигуркой, но различно расположенной по отношению к зеркалам. Оба эти узора относятся к случаю 8.

Рис. 14. Два разных расположения фигурок при одинаковом типе симметрии узора.

 Мы не станем приводить правила построения обоев во всех остальных случаях.

Какое же отношение имеют обои к кристаллу?

Каждое тело, в том числе и кристалл, состоит из атомов. Простые вещества состоят из одинаковых атомов, сложные – из атомов двух или нескольких сортов. Предположим, что мы могли бы в сверхмощный микроскоп рассмотреть поверхность кристалла поваренной соли и увидеть центры атомов. Рисунок 15 показывает, что атомы расположены вдоль грани кристалла, как узор обоев.

Рис. 15. Схема расположения атомов натрия (I) и хлора (II) на грани куба кристалла каменной соли.

 Теперь мы готовы к тому, чтобы понять, как построен кристалл. Кристалл представляет собой «пространственные обои». Пространственные, то есть объёмные, а не плоские элементарные ячейки – это «кирпичи», прикладыванием которых друг к другу в пространстве строится кристалл.

Сколько же способов построения «пространственных обоев» из элементарных кусков? Эта сложная математическая задача была также решена Е.С. Фёдоровым. Он доказал, что должны существовать 230 способов построения кристалла или, как сейчас говорим, 230 фёдоровских групп. Открытие Е.С. Фёдорова принадлежит к величайшим достижениям русской науки. Начатые примерно через 20 лет после вывода Фёдорова опытные проверки его теории – они стали возможными лишь после открытия рентгеновского структурного анализа – привели к блестящему её подтверждению. Не было найдено ни одного кристалла, который не принадлежал бы к той или иной фёдоровской группе.

Все современные данные о внутреннем строении кристаллов получены при помощи рентгеновского структурного анализа, открытого в 1912 году.

Маленький, размером 0,5–1 мм, кристаллик ставится на пути узкого рентгеновского луча. За кристаллом помещается фотопластинка. Наряду с прошедшим сквозь кристалл лучом возникает ряд отклонённых лучей. Мы не будем здесь останавливаться на причине их возникновения. Явление это носит название дифракции.

Проявленная фотопластинка обнаруживает много пятен, по расположению и интенсивности которых можно судить о структуре кристалла. Примерный вид такого снимка – рентгенограммы топаза – приведён на рисунке 16 (в действительности пятна обычно несколько размыты и различаются не столько по величине, сколько по яркости); справа внизу указаны размеры кристаллика. Расшифровка рентгенограмм представляет собой сложную задачу.

Рис. 16. Рентгенограмма кристалла топаза.

 Огромное значение для развития рентгеноструктурного анализа имели труды известного русского кристаллографа Г.В. Вульфа. За время, протекшее после открытия рентгеноструктурного анализа, этим методом было изучено строение многих тысяч кристаллов.

2. Базовая информация об изумрудах.

Изумруд — разновидность минерала берилла.

Зеленый цвет изумруда обусловлен наличием в нем примеси хрома Cr. Типичные изумруды содержат 0,14% хрома Cr, 0,12% железа Fe и 0,05% ванадия V. Химическая формула:

Be3Al2(SiO3)6 Цветлучшие прозрачные кристаллы изумруда имеют темно-зеленый цвет, цвет листьев свеклы, и форму удлиненных шестигранных призм Твердость7,5-8.

Изумруд — это прозрачная разновидность берилла зеленых тонов, иногда с просинью. Его темно-зеленые разновидности ценят выше алмаза. Греки называли его «Камнем сияния». На Руси изумруд считали камнем мудрости, хладнокровия и надежды.

Изумруд славился своим свойством противоядия в смеси с молоком буйволицы; носящему его сообщал дар предвидения, избавлял от тоски и ипохондрии. Считали, что пристальный взгляд на изумруд рождает силу и одушевление. Тот, кто носит изумруд, освобождается от тоски и бессонницы, не видит снов, смущающих дух. Носить изумруд следует на мизинце.

Название "изумруд" относится к зеленой разновидности беррила "аквамарин" - к разновидности цвета морской волны. Другое название изумруда — зеленый лед.

Слово "изумруд" (английское emerald) происходит от персидского слова, которое через такие измененные формы латинского smaragdus, как esmeraude, emeraude и esmeralde, дошло до наших времен.

Современная форма слова emerald (изумруд) появилась в английском языке лишь в XVI в. Ранее оно, по-видимому, всегда использовалось для обозначения минералов, имеющих зеленый цвет, однако первоначально им называли не прозрачные минералы, а, возможно, непрозрачные, но ярко окрашенные, такие, как хризоколла, и это название не прилагалось к зеленым бериллам до тех пор, пока такие камни не были найдены в Верхнем Египте.

Основные месторождения: Россия, Австралия, Намибия, Норвегия, Африка, Пакистан.

Физические свойства:
а) Цвет изумруда обычно обусловлен незначительной примесью хрома. Много лет назад Гольдшмидт обнаружил, что в зеленых норвежских бериллах содержится больше ванадия, чем хрома, и на основании этого факта пришел к выводу, что трехвалентный ванадий может играть в берилле ту же роль, что и хром. С тех пор ванадий был обнаружен в изумрудах из многих месторождений, а в зеленом берилле из Салининхи в бразильском штате Баия ванадий сопровождается заметным количеством железа и лишь следами хрома,
б) Плотность колумбийских и сибирских изумрудов колеблется от 2,68 до 2,74, но в среднем равна 2,712. Бразильские бледные изумруды менее плотные, плотность их колеблется от 2,67 до 2,70, а южноафриканские изумруды более плотные, плотность их изменяется от 2,72 до 2,77, но в большинстве случаев значение плотности близко к 2,75. Эти высокие значения плотности могут быть обусловлены присутствием щелочных металлов - цезия и рубидия,
в) Изумруд - легко отличим от всех других близких по окраске камней благодаря чистоте и прозрачности холодно – зеленого цвета. Считают, что развитие этого камня продолжается еще и сегодня, т.к. он не достиг своей полной крепости.

Изумруд наряду с алмазом и рубином является одним из наиболее дорогих драгоценных камней. Так как материал чистого изумрудно-зеленого цвета обычно имеет много изъянов, то ограненные камни хорошей окраски и без дефектов весом более 5-6 каратов ценятся особенно высоко и недоступны для большинства. Бледные изумруды ценятся невысоко.

Изумруд магматического происхождения.

Распространение в земной коре. Главные копи находятся в Джебель-Зубара и в Джебель-Сикайт в северной части области Этбаи; они удалены друг от друга приблизительно на 16 км и отстоят на 24 км от берега Красного моря. Копи лежат в пределах горного хребта, который тянется на значительное расстояние параллельно западному берегу Красного моря и возвышается на 550 м над уровнем моря.

Здесь имеются многочисленные следы значительных по масштабам, но примитивных по технике разработок, которые велись в отдаленном прошлом. Как изумруды, так и бериллы приурочены к слюдяным и тальковым сланцам. Изумруды не очень хорошего качества; они непрозрачны из-за многочисленных трещинок и имеют, довольно, светлую окраску.

Изумруды, значительно лучшего качества, чем камни из Египта, были найдены в темных слюдяных сланцах вместе с другими минералами бериллия - хризобериллом и фенакитом. Также с топазом и турмалином на восточном склоне Уральских гор близ реки Токовая, приблизительно в 80 км к востоку от Свердловска- города, история которого тесно связана с добычей и огранкой драгоценных камней.

Месторождение случайно нашел крестьянин в 1830 г., заметив несколько зеленых камней среди корней поваленного дерева. Два года спустя начались систематические разработки и копи действовали на протяжении двадцати лет, после чего были закрыты.

Благодаря повышению цен на изумруды копи вновь начали действовать в начале текущего столетия и с тех пор разрабатывались с перерывами до настоящего времени.

Ни один из изумрудов из Египта или из России не может сравниться по совершенству окраски с прекрасными камнями, происходящими из Южной Америки. Во времена жестокого завоевания Перу испанцами, беспощадно грабившими страну и вывозившими все сокровища, которые можно было вывезти, огромное число изумрудов - некоторые из них достигали почти неправдоподобных размеров - наводнило Испанию и в конце концов часть из них попала в другие страны Европы. Современные копи расположены близ деревни Мусо, приблизительно в 120 км к северо-западу от Боготы, столицы Колумбии.

Лечебные свойства
Считается, что изумруд стабилизирует артериальное давление, снимает головные и суставные боли, лечит заболевания желудка, воспаления мочевого пузыря, обладает антибактериальным свойством (если его положить в стакан с сырой водой, ее можно пить без кипячения). В древности считали, что камень помогает избавиться от куриной слепоты, бельма на глазу, эпилепсии. Современные литотерапевты утверждают, что владельцу изумруда не грозят ночные кошмары, бессонница, беспричинные страхи и повышенная утомляемость.

Изумруд - драгоценный камень 1-го класса. Происходит от персидского слова "зуммуруд". В древней Руси известен под названием смарагд или измарагд. От греческого "смарагдос" - драгоценный камень.
Английское emerald прошло через такие измененные формы латинского, как smaragdus, esmeraude, emeraude и esmeralde. Современная форма слова emerald (изумруд) появилась в английском языке лишь в XVI в.
Ранее слово использовалось для обозначения непрозрачных, ярко окрашенных минералов зеленого цвета, например, таких, как хризоколла. За зелеными бериллами название закрепилось, после того как такие камни были найдены в Верхнем Египте.
Ювелирные изделия с изумрудами считаются самыми дорогими украшениями. Материал чистого изумрудно-зеленого цвета обычно имеет много изъянов. Поэтому бездефектные, ограненные кристаллы массой свыше 5 карат ценятся выше равновеликих алмазов.
Изумруды обычно подвергают ступенчатой огранке, за исключением камней, предназначенных для колец; в этом случае огранка их часто бывает бриллиантовой.
Изумрудные копи существовали в Аравийской пустыне еще в 2000 г. до н.э.
Природные изумруды высокого качества очень редки и поэтому оцениваются из расчета около 10 000 фунтов стерлингов за карат (0,2 г) и даже дороже. Изумруды из Египта и России не могут сравниться по совершенству окраски с камнями, происходящими из Южной Америки. Лучшие изумруды в мире с 1964 г. добывают в провинции Мюзо в Колумбии.

Семейство берилла

Изумруд является редким минералом из-за своего геохимически аномального состава. Принадлежит семейству берилла (алюмосиликат бериллия). От других разновидностей берилла отличается несколько пониженной твердостью - обычно 7,5 и примесью хрома, которая придает минералу зеленый цвет. Типичные изумруды содержат 0,14% хрома Cr, 0,12% железа Fe и 0,05% ванадия V. Химическая формула: Be3Al2(SiO3)6
Плотность колумбийских и сибирских изумрудов колеблется от 2,68 до 2,74. Бразильские бледные изумруды менее плотные (от 2,67 до 2,70), южноафриканские изумруды более плотные (от 2,72 до 2,77). Высокие значения плотности могут быть обусловлены присутствием щелочных металлов - цезия и рубидия.
Лучшие прозрачные кристаллы изумруда имеют темно-зеленый цвет, цвет листьев свеклы, и форму удлиненных шестигранных призм.

Знаменитые изумруды

В древние времена изумруды добывались, преимущественно, в Египте. Изумруд был любимым камнем Клеопатры. Считается, что изумруды обожала царица Савская. Среди своих сокровищ царь Соломон особо выделял изумруд, наделяя его необычными свойствами. У римского императора Клавдия Друза Нерона был большой изумруд, которым он пользовался как моноклем, следя за боями гладиаторов, и через который он наблюдал пожар подожженного им Рима.
Существует библейская легенда, согласно которой Сатана при его низвержении в ад потерял из своей короны один изумруд. Этот изумруд превратился в чашу, подаренную царицей Савской царю Соломону. Чашей пользовался Христос в последнюю Святую Вечерю. Иосиф Аримафейский собрал в эту чашу по каплям кровь Христа, распятого на кресте, и стал основателем ордена Святого Грааля...
В России первый изумруд нашел крестьянин Кожевников в корнях поваленного бурей дерева у речки Токовой на Среднем Урале.
Наиболее крупный кристалл изумруда найден на руднике "Чивор" в 1920 г.; он носит название "Патриция", весит 632 карата и демонстрируется в Американском музее естественной истории в Нью-Йорке. В хранилище Гохрана (главной российской организации, которая покупает и хранит драгоценные металлы и камни) есть изумруд "Шахтерская слава", весящий 6 килограммов 431 грамм.
К наиболее выдающимся относят пять отборных камней - "испанские" или "перуанские" изумруды, которые Фернандо Кортес подарил своей невесте, племяннице герцога Бехарского, и тем самым смертельно обидел королеву Испании Изабеллу, мечтавшую заполучить их. Эти камни были утеряны в 1541 году. Все пять камней имели различную и причудливую форму. Один из них представлял собой колокол с прекрасной жемчужиной. Второй имел форму розы, а третий - рога. Четвертому была придана форма рыбы с глазами из золота. Пятый - наиболее ценный и наиболее замечательный - имел форму кубка с ножкой из золота; край чаши также был сделан из золота.
У одного из племен перуанских индейцев был большой изумруд в виде страусова яйца под именем "Богини Изумрудной". Этот камень жрецы показывали простым людям только в торжественные дни. Индейцы приносили камню в дар мелкие изумруды - как бы "дочерей" своей богини. Испанцы, завладев Перу, нашли только мелкие камни, а "Богини Изумрудной", несмотря на все усилия, не обнаружили.
Сегодня один из самых известных изумрудов мира - "Изумруд герцога Девонширского" хранится в Британском музее естественной истории в Лондоне.

Мистические свойства

По старинным русским поверьям изумруд - камень мудрости, хладнокровия и надежды. Это один из камней, связанных с Высшим духом. Считается, что он приносит счастье только чистому, но безграмотному человеку. А вот людям образованным особой радости не подарит. Этот камень не выносит неискренности. Лжецам он приносит не только несчастья, но и болезни.
Камень магов, священников, медиумов и спиритов. Изумруд также считают талисманом матерей и мореплавателей. Изумруд ограждает юношей и девушек от разврата, защищает целомудрие юных.
Древние египтяне называли его камнем Изиды и верили, что он еще не полностью раскрыл свои возможности и резервы. Ему приписывалась связь с подсознанием, способность превращать сны в явь, проникать в мир духов, читать мысли, видеть прошлое и предсказывать будущее. В Грузии говорили, что в гранях изумруда отражаются все тайны настоящего и будущего.

Астрология

В качестве подарка камень будет нести в себе успех, чистоту и верность. Астрологи советуют носить украшения с изумрудами людям, которые родились под знаками Льва и Рака. Это камень Луны.

Лечебные свойства

По арабским поверьям, изумруд считался целебным камнем. Он помогал при ослабленном зрении, являлся средством от укусов ядовитых животных (по представлениям арабов это самое лучшее противоядие).
Армянские рукописи XVI в. содержали запись: "Если перед змеею подержать изумруд, то из глаз ее польется вода, и она ослепнет". Это суеверие долго держалось, хотя ученый из Хорезма Аль-Бируни (X в.) не без юмора заметил: "На глаза змеи изумруд не производит никакого влияния, если не усиливает ее зрение".
Оправленный в золото, этот камень бережет от всякой заразы и бессонницы, отгоняет дурные сны. Изумруд также укрепляет память и сердце, снимает усталость, спасает от злых духов.
Считалось, что изумруд очищает глаз от бельма, помогает больному эпилепсией, избавляет от истерии (кулон на шее). Для укрепления памяти и обострения зрения, маги рекомендуют носить камень на шее. Однако были и свои минусы: "женщина, которая его носит на руке, будет иметь мало сыновей и дочерей."

 

Предшествующие методы выращивания изумрудов

Изумруд, без сомнения, наиболее привлекательный драгоценный камень зеленого цвета. Он также как аквамарин и гелиодор, относится к семейству берилла - алюмосиликата бериллия с формулой Be3Al2Si6O18. Зеленый цвет изумруда обусловлен наличием хрома, который, вероятно замещает часть алюминия в приведенной выше формуле. Интересно, что тот же хром придает рубину характерный красный цвет. Природные изумруды содержат также железо и ванадий, и соотношение этих трех главных элементов-примесей определяет оттенки окраски минерала: от бледно-зеленого через густой сине-зеленый до темно-зеленого цвета. Некоторые бериллы почти не содержат хрома, тем не менее имеют бледно зеленый цвет. Типичный изумруд из Колумбии, где добывают самые лучшие камни, содержит 0,14% хрома, 0,12% железа и 0,05% ванадия. Наиболее ценные камни имеют яркую травянисто-зеленую окраску со слегка голубоватым, а не желтоватым оттенком. Природные изумруды высокого качества очень редки, поэтому крупные и наиболее красивые камни, оцениваются дороже чем рубины и алмазы.

 Первый успешный синтез кристаллов изумруда осуществили в 1888г. Отфель и Перре, которые растворили в платиновом тигле 18,75г составляющих берилла с 0,6 г окиси хрома в 92 г молибдата лития. Сначала плавили молибдат в печи при тускло-красном калении, затем постепенно, за 24 часа повысили температуру до 800 С и поддерживали ее в течение 5суток. В результате этой процедуры получили около 15 г мелких кристаллов. Увеличение времени плавления в последующих работах до 14 суток привело к образованию кристаллов размером 1 мм в диаметре.

Главная трудность в том, что в тигле зарождается и растет большое число кристаллов. Для того чтобы технология была рациональной с коммерческой точки зрения, необходимо было найти возможность управлять процессом зародыше-образования, чтобы вместо множества мелких кристаллов росло несколько крупных.

Эту проблему решил X. Эспиг, который использовал метод, именуемый ныне расплав-реакционным. Он отличается от методов, когда кристаллы растят при медленном охлаждении растворов или когда испаряют растворитель, тем, что в нем используется реакционное взаимодействие между составляющими кристалла. В методе Эспига 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 диффундировал 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. В альтернативном варианте окиси бериллия и алюминия помещают на дно тигля, а кремнезем также плавает в верхней части раствора. В этом случае изумруд растет в средней зоне. куда можно поместить и подвешенные затравочные кристаллы.

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. Эспиг сообщал, что добавки только одного хрома не обеспечивают хорошей окраски изумруда, но не указал, добавляет ли он для улучшения цвета окислы ванадия и (или) железа.

 

Гидротермальный метод.

Первые гидротермально выращенные кристаллы изумруда были получены И. Лехлейтнером в Инсбруке и появились на зарубежных ювелирных рынках около 1960 г. В качестве затравок использовались ограненные кристаллы природного берилла; на них наращивался тонкий слой синтетического изумруда, который затем слегка полировался. Названные "эмеритой" (emerita) или "симеральдом" (simerald) такие камни имели недостаточно яркую окраску, а погружение их в иммерсионную жидкость делало видимым изумрудное покрытие. Были получены также многослойные кристаллы, состоящие из бесцветного берилла и зеленого изумруда, но и они не нашли большого спроса. Подлинно гидротермальные, изумруды были выращены Э. Фланиген с сотрудниками (фирма Линде Дивижн, Юнион Кэ-байд Корпорэйшн, США) в 1965 г. и производились вплоть до 1970 г.
Рост кристаллов проводился методом температурного перепада (10-25°С) в стальных футерованных золотом сосудах высокого давления при температуре 500 - 600°С и давлении 60-120 МПа (заполнение 62%). В качестве дополнительных красящих добавок брали железо, никель, ванадий.

Было также показано, что изумруд можно получить в кислых гидротермальных растворах при умеренной активности щелочных катионов в широком интервале температур от 400 до 700°C. Выращенные кристаллы обладают визуально неотличимым от природных изумрудов цветом, размер их достаточен для изготовления ограненных камней. Среди других методов выращивания изумруда следует упомянуть метод Вернейля, не нашедший широкого применения. Питающий материал приготавливали из тщательно измельченной смеси окислов BeO, AI2O3, SiO2 и Сг2О3, спеченной в течение 5 сут при температуре 1050°С, затем вновь измельченной и перемешанной. Была получена покрытая пленкой муллита буля изумруда без кристаллографических очертаний размером около 1 см .

В гидротермальном 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.

 Размер выращиваемых кристаллов ограничен внутренними габаритами сосуда высокого давления, так как, применяя этот метод, нельзя добавить питающий материал без охлаждения раствора и сброса давления. Однако те же затравки можно помещать в новый раствор три или четыре раза. Более высокие скорости роста при использовании гидротермального синтеза возможны в основном благодаря тому, что затравочные пластины вырезаются таким образом, что кристаллографическая плоскость, для которой характерен наиболее быстрый рост, имеет наибольшую площадь по сравнению с другими плоскостями, которые развиваются в конечном итоге.
Синтетический изумруд до сих пор один из сравнительно немногих искусственных драгоценных камней, который признан торговцами Драгоценностями и который стоит рядом с природным материалом.

И непосредственно о процессе выращивания…

Для гидротермального выращивания кристаллов изумруда можно использовать любой подходящий по техническим характеристикам автоклав высокого давления. Автоклав должен выдерживать внутреннее давление до 1200 атмосфер и температуру до 500 градусов Цельсия. Реально процесс синтеза кристаллов будет идти при давлении 1000 атмосфер и температуре 400 град. Самостоятельно изготовить такой автоклав можно, но для этого сначала потребуется стать специалистом по расчету сосудов высокого давления, а , во-вторых, все равно придется корпус автоклава, измеритель давления (манометр), измеритель температуры – термометр, защитную мембрану (специальная точно рассчитанная металлическая мембрана, которая нарушает свою герметичность в случае критического повышения давления в автоклаве) заказывать на стороне, что тоже будет стоить недешево. Кроме этого, при таких больших давлениях возникают немалые трудности при обеспечении герметичности (и прочности!) в местах крепления манометра и термометра. Так что, лучше всего пользоваться готовым автоклавом высокого давления, грамотно спроектированным и изготовленным промышленным способом. Лично я купил такой небольшой лабораторный автоклав по объявлению в газете. Автоклав пылился в гараже у одного бывшего рабочего одного из бывших еще советских времен НИИ. Этот аппарат при развале НИИ был успешно «приватизирован» и отправлен на вечное хранение (до лучших времен) в гараж, поскольку новый владелец не очень представлял, куда можно применить мудреный прибор. Я выкупил аппарат у хозяина всего за 8 тыс. рублей, нашел специалиста из бывших инженеров по сосудам высокого давления, определили что в автоклаве надо поменять. Оказалось, что не так много. «Абгрейд» прибора мне обошелся еще примерно в 4 тысячи (вместе с гонораром за консультацию).

После этого можно было приступать к экспериментам...

В прочем, что я делал дальше, я подробно описал в своей книге, посвященной технологии выращивания изумрудов.

Книга размещена на сайте моего партнера Бабина Михаила (www.babinm.narod.ru/)

Возврат к основной странице

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

Hosted by uCoz