Деякі дорогоцінні камені, що відрізняються великою твердістю, такі, наприклад, як алмази і рубіни, знайшли широке застосування в різних областях техніки. Тверді камені застосовуються в якості абразивних матеріалів (шліфувальні порошки, кола * і т. П.) І в якості матеріалу для виготовлення фільєр ** і різного роду опор для обертових осей у особливо точних приладів і механізмів.

* ()

** ()

Що ж являє собою твердість? І чому це якість дорогоцінного каміння дуже цінується в техніці?

До теперішнього часу немає певного, загальноприйнятого уявлення про фізико-хімічної сутності поняття "твердість". У мінералогії під твердістю мають на увазі ступінь опору, яке здатний надати даний мінерал якого-небудь зовнішнього механічного впливу. Для визначення твердості існують кілька методів вимірювання, які дають лише відносне порівняння твердості різних матеріалів в залежності від того, як вони здатні чинити опір удару, стирання, дряпання, втискування і т. Д.

Велике розмаїття методів випробування на твердість само собою свідчить про те, що до теперішнього часу немає раціонального методу вимірювання твердості, тим більше що визначення твердості одного і того ж предмета, зроблені за різними методами, дають різні результати. Найбільш поширеним методом визначення твердості є метод Фрідріха Мооса, який розробив шкалу твердості по мірі дряпання деяких мінералів алмазом і один одним.

Відповідно до цієї шкалою, десять випробуваних мінералів розташувалися наступним чином (див. Табл. 1).

У цій шкалі кожен наступний мінерал дряпає попередній. Таким чином, твердість досліджуваного мінералу випробовується шляхом визначення, який з мінералів шкали Мооса він дряпає останнім. Якщо випробуваний мінерал дряпається корундом, а сам дряпає топаз, то твердість досліджуваного мінералу буде перебувати між ними.

Більш точне визначення твердості, засноване на цьому принципі, здійснюється на спеціальних приладах - склерометри. У цих приладах визначення твердості проводиться в суворо визначених, стандартних умовах. Твердість визначається за величиною подряпини, нанесеної алмазним вістрям або голкою, виготовленої зі спеціальної сталі. Вивчення твердості методом дряпання показало, що величина твердості кристалічних тіл залежить від напрямку, в якому була проведена подряпина; по площинах спайності, наприклад, твердість завжди менше, ніж в перпендикулярних до них напрямках.

У другій графі в таблиці 1 наводиться порівняльна твердість, яка встановлюється в залежності від часу, необхідного для стирання шару випробуваного матеріалу певної товщини будь-яким стандартним методом. Як видно з цієї таблиці, розрив у ступені твердості між останніми двома мінералами дуже велика: алмаз в 140 разів перевищує твердість корунду. Такого розриву в твердості немає між іншими сусідніми мінералами тієї ж таблиці. Отже, між дев'ятим і десятим місцем у представленій таблиці твердості лежить ціла невідома область, куди можна віднести досить велику кількість речовин, твердість яких має проміжне значення між корундом і алмазом.

В результаті вивчення природи твердості речовин з'ясувалося, що для деяких кристалічних тіл (з іонним зв'язком між атомами і однотипної структурою) твердість зростає зі зменшенням відстані між атомами і збільшенням їх заряду. Звідси стає зрозумілою причина виняткової твердості алмазу. Спеціальні дослідження, зроблені в цьому напрямку, показали, що якщо розглядати твердість як опір зміні поверхневого шару твердого тіла механічного впливу, то вона повинна залежати як від відстані між частинками (іонами), так і від величини їх електричних зарядів *.

* ()

Відомо, що сила взаємодії між двома електричними зарядами прямо пропорційна величині взаємодіючих зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані між ними.

На підставі цих міркувань було виведено рівняння, що враховує твердість залежно від відстані між іонами, величини їх зарядів і типу кристалічних утворень (структур) твердого тіла. З точки зору такого уявлення надзвичайна твердість алмазу пояснюється тим, що алмаз складається, ймовірно, з двох сортів іонів вуглецю: 4-зарядних позитивних катіонів (C4 +) і 4-зарядних негативних аніонів (C4-). Згідно з поданням академіка Н. В. Бєлова: "Подібна структура, за законами квантової механіки, безперервно осциллирует в тому сенсі, що фіксовані як позитивні іони C4 + в наступний момент стають негативними C4- і навпаки. Ця безперервна осциляція між двома станами веде, як відомо , до сугубою фізичної стійкості даної системи і, зокрема, виключної твердості алмаза ".

Подібного роду поєднання великих зарядів взаємодіючих частинок (+4 і -4) і щодо малої відстані між ними +0,0000000152 ст. немає ні в одному з відомих сполук, і, як показує аналіз, подібного поєднання не можна навіть і очікувати при будь-яких комбінаціях інших елементів, т. е., з даної точки зору, можна впевнено сказати, що в природі неможливо ніяке інше з'єднання, що має велику твердість, ніж алмаз.

У зв'язку з розбираємо питанням цікаво відзначити дуже характерну деталь, що отримання надтвердих сплавів грунтується головним чином на застосуванні карбідів важких металів (які мають хімічні сполуки металу з вуглецем), т. Е. З'єднань того ж класу, що і "алмаз, якщо розглядати алмаз як карбід вуглецю.