О.А.ЧЕРНИКОВА,
МОУ СОШ № 13 с УИОП, г. Электросталь, Московская обл.

Ода алмазу

Интегрированный урок, 10-й класс

Блестящее будущее рисуется нам для алмаза, если человек
сумеет овладеть тайнами его получения.

А.Е.Ферсма

Цели урока: углубить знания по физике твёрдого тела; расширить политехнический кругозор; развивать познавательные способности школьников, воспитывать стремление к знаниям, интерес к предмету.

Наглядные пособия: модели кристаллических решёток алмаза и графита; стенд с открытками «Алмазный фонд России»; географическая карта мира; периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева; таблица «Физические свойства алмаза и графита».

Ход занятия

Учитель физики. Алмаз! С этим словом ассоциируется представление о несравненном блеске и непревзойдённой твёрдости. Со вторым свойством связано название минерала, которое происходит или от арабского слова ал-мас – твердейший, или от греч. [адамантос] – несокрушимый. Алмазы издавна использовались в качестве самых изысканных украшений, служили валютой. Прозрачные бесцветные или красиво окрашенные кристаллы алмаза, пригодные для огранки, являются драгоценными камнями первого класса, так же, как сапфир, рубин, изумруд и т.д. Ювелиры разделяют алмазы почти на 1000 сортов в зависимости от прозрачности, тона, густоты окраски и минеральных включений.

Ученица Данина Мария (читает своё стихотворение «Ода алмазу»).

Сверкающее чудо, чистейшее создание
Искрится каждой гранью в браслете на руке.
Ты красотой добился всемирного признания.
А свойствами своими побьёшь рекорды все.
Прочнее старой дружбы и твёрже убеждений,
Сравниться с твоим блеском способна лишь звезда.
Ты будешь неизменно любимцем поколений
И лучшим украшением великолепных дам.

Учитель физики. Кристалл алмаза является хорошим проводником тепла. При трении он электризуется. Некоторые алмазы обладают полупроводниковыми свойствами и относятся к полупроводникам р-типа. Предполагается, что полупроводниковые свойства алмаза обусловлены наличием в них примеси бора. Плотность алмаза 3500 кг/м³, плотность графита 2100 кг/м³. Различие свойств алмаза и графита объясняется различием их кристаллических структур.

В природе не встречаются вещества твёрже алмаза. Алмаз – самое износостойкое вещество. Алмазный резец в 150–200 раз менее подвержен износу, чем резец из сверхтвёрдых сплавов.

Чистые кристаллы алмаза прозрачны не только для света, но и для рентгеновских лучей, что позволяет легко определять алмазы среди сходных по внешнему виду минералов, а также отличать их от всевозможных подделок. Алмаз сильно преломляет и отражает световые лучи, но ещё обладает важным оптическим свойством, обуславливающим исключительную красоту этого камня. Оно заключается в большом различии показателей преломления для лучей разного цвета. Благодаря высокой дисперсии алмаз разлагает белый свет на составляющие его цвета. По этой причине один и тот же камень кажется окрашенным в различные цвета в зависимости от расположения источника света. Высокое светопреломление и дисперсия создают неповторимую игру алмазов – переливы всех цветов радуги внутри камня при медленном его вращении.

Учитель химии. Химическая формула алмаза – С. Алмаз и графит – это две аллотропные модификации углерода. Физические свойства алмаза и графита обуславливаются их строением, основные показаны в таблице:

Особая твёрдость алмаза обусловлена тем, что в его кристаллической решётке каждый атом углерода связан ковалентными связями с четырьмя другими атомами, размещёнными вокруг него на одинаковых расстояниях. Эти связи по всем направлениям одинаково прочные. В графите же атомы располагаются слоями, и расстояние между атомами, расположенными в разных слоях, гораздо больше, чем между атомами в одном слое.

То, что графит и алмаз состоят из атомов одного и того же элемента – углерода, – можно убедиться при сжигании обоих веществ. В результате сгорания образуется только оксид углерода (IV). Доказано также, что при определённых условиях алмаз превращается в графит, а графит – в алмаз. Так, например, если алмаз без доступа воздуха нагревать выше 1000 °С, то он постепенно превращается в графит. Наоборот, если графит в присутствии катализаторов нагревать от 1200 до 1600 °С под давлением 104 МПа, то он превращается в алмаз. Высокая температура приводит к разрыву внутриатомных связей графита, а высокое давление содействует перестройке атомов в кристаллическую решётку алмаза. Так получают искусственные алмазы.

Английский химик С.Шеннант в 1798 г. проделал опыт: сжёг одинаковые количества алмаза и угля и убедился, что образуются совершенно одинаковые объёмы оксида углерода (IV). Этим было доказано, что алмаз является аллотропной модификацией углерода.

Алмаз химически инертен, он не окисляется и не взаимодействует ни с одной из известных кислот и щелочей, причём любой концентрации и даже при их подогревании.

Алмаз не уступает по твёрдости созданному в лабораторных условиях веществу борозону, но менее устойчив к окислению при высоких температурах.

Алмаз – самое твёрдое, но не самое прочное вещество: его легко разбить молотком или сжечь в струе кислорода при температуре выше 720 °С.

Учитель географии. До второй половины XIX в. все алмазы добывались россыпью в долинах как современных, так и давно исчезнувших рек. Благодаря своей твёрдости алмаз может перекатываться водными потоками на большие расстояния, поэтому поиски коренных месторождений в непосредственной близости от россыпей долгое время оставались безрезультатными. Только в 1871 г. в Южной Африке у местечка Кимберли было обнаружено первое коренное месторождение алмазов. Содержащая алмаз горная порода получила название кимберлит. Сегодня на планете известно более 1000 месторождений этой горной породы.

На территории России первый выход кимберлита обнаружен в 1954 г., он был назван «Зарницей». Честь его открытия принадлежит ленинградскому геологу Л.А.Попугаевой.

Алмазы из кимберлитов и россыпей ничем не различаются. Средняя масса алмазов в различных месторождениях колеблется от сотых долей до 1 карата (1 карат = 200 мг).

Алмазы вместе с другими тяжёлыми минералами концентрируются в нижней части рыхлых речных отложений. Довольно часто встречаются россыпи, возникающие в процессе сползания выветренного кимберлита на склонах гор. В знойных пустынях, где сильные ветры дуют почти всегда в одном направлении, встречаются так называемые эоловые россыпи. Они образуются при выносе (выдувании) ветром глинистых и лёгких песчаных частиц.

Обогащённые алмазами кимберлиты находятся в южной половине Африки и Средней Сибири. Из общего количества добываемых во всем мире алмазов африканские месторождения дают 98%. Важную роль в добыче алмазов играют Ангола, Намибия, Сьерра-Леоне. Большое количество преимущественно технических камней добывается в Гане. Значительно реже алмазы встречаются в других районах. В качестве примера можно указать месторождение в штате Минас-Жераис (Бразилия), где встречаются камни массой свыше 7–8 карат. Не случайно здесь во времена рабства существовал обычай: отпускать на свободу невольника, нашедшего алмаз более 17,5 карат.

Самый большой из всех известных алмазов, «Кулинан», найден в 1905 г. в Южной Африке. Его масса 621 г, а размер 10 6,5 5 см. В Алмазном фонде России хранится один из самых больших и красивых алмазов в мире – «Орлов» (37,92 г).

Учитель истории. Исключительность свойств алмаза порождала множество легенд, в которых наряду с чистейшим вымыслом встречались и описания некоторых реальных свойств камня. Так, по мнению древних индусов, алмазы образуются из «пяти начал природы»: земли, воды, неба, воздуха и энергии. Многие индийские и арабские легенды об алмазе были повторены в начале нашей эры в работе древнеримского естествоиспытателя Плиния Старшего: «Человек должен носить алмаз с левой стороны, поскольку тогда камень оказывает большее действие. Алмаз передаёт владельцу твёрдость и мужество, сохраняет члены его тела. Он даёт человеку победу над врагами, если дело его правое. Алмаз придаёт и сохраняет остроту ума, предохраняет от разгула, печали и колдовства, от фантазий и злых духов. Никакой дикий зверь не осмелится напасть на человека, который носит алмаз. Алмаз делает человека более серьёзным, вылечивает его от лунатизма».

В китайских легендах, относящихся к IV в. н.э., рассказывается, что в королевстве Фу-Най добывают алмазы, которые могут резать яшму. По своему виду они напоминают плавиковый шпат и растут подобно сталактитам на дне моря, на глубине в сотни метров. Пловцы ныряют за ними утром и выплывают только к концу дня. При ударе по алмазу молотком алмаз остаётся неповреждённым, а молоток раскалывается. Однако если удар нанести бараньим рогом, то алмаз разламывается, как лёд.

Плиний Старший, а вслед за ним и другие учёные древности, утверждает, что алмаз родится только в золоте и вместе с золотом. Кое-где в мире действительно имеются россыпи, в которых присутствуют и алмаз, и золото. В коренных месторождениях, однако, алмазы с золотом никогда не встречаются вместе, поскольку связаны с совершенно различными по составу и строению горными породами.

Крупные алмазные камни встречаются в природе крайне редко. Их находка становится событием, им присваиваются даже собственные имена, в мире они все наперечёт.

Учитель биологии. В известной сказке о путешествии Синдбада-морехода рассказывается о хитроумном способе добычи алмазов. Где-то в далёкой стране будто бы есть необычно глубокое ущелье, дно которого усеяно алмазами. Доступ к сокровищам преграждают несметные полчища огромных змей. Однако люди нашли способ извлекать драгоценные камни и оттуда. Для этого с окружающих гор они сбрасывают в ущелье большие куски мяса. Алмазы прилипают к мясу, а огромные орлы уносят их в свои гнёзда. Смелые и ловкие искатели добираются до орлиных гнёзд и собирают сверкающие кристаллы... В этой сказке есть два момента, которые увязываются с фактическими данными. Одним из них является способность алмаза прилипать к жирам, а второй – «посредническая» роль птиц.

Существуют многочисленные и достоверные данные, относящиеся к XIX в. В раннем периоде истории алмазных разработок в Южной Африке считалось выгодным разводить домашнюю птицу. Птицы рылись в отвалах горных выработок и, завидев блестящие зёрна, проглатывали их. Зоб каждой зарезанной птицы тщательно осматривали, надеясь найти драгоценный кристалл. Надежды эти нередко оправдывались. Так, например, документально засвидетельствовано, что в зобу одного голубя, убитого на территории алмазного рудника, были обнаружены 23 алмаза массой 5,5 карата.

В русских газетах второй половины XIX в. сообщалось об уральской курице, которая снесла алмаз.

Учитель литературы. Запишите творческое домашнее задание: вспомните пословицы и поговорки на тему «Алмаз – труженик»; составьте кроссворд с ключевым словом «алмаз».

(Пример выполнения: · Мал карат, да трудиться рад · Малы караты, да трудом богаты · Лентяй когда-то был алмаз, теперь он трудится на нас · В соревнованиях первым будешь, если про алмаз не позабудешь · Алмазу дело поручишь – большую прибыль получишь · Алмаз в работу запряжёшь – свои силы сбережёшь.)

Ольга Алексеевна Черникова – учитель физики и астрономии высшей квалификационной категории, классный руководитель 8М класса, лауреат конкурса «Лучшие учителя России-2006»