Как рождаются камни. Камни в организме человека

Минералы образуются во многих различных условиях окружающей среды внутри Земли. Большинство драгоценных камней формируются в земной коре - верхнем слое планеты глубиной от 3 до 25 миль. Только две разновидности драгоценных камней – и формируются в земной мантии , которая представляет собой 80% объема Земли. Мантия, в основном, состоит из расплавленной породы, называемой магмой , с твердым верхним слоем.

Хотя немногие из драгоценных камней первоначально образуются в мантии, но все самоцветы добываются в земной коре. Кора состоит из трех видов пород, известных в геологии как вулканические, метаморфические и осадочные . Эти технические термины относятся к способу формирования пород. Некоторые драгоценные камни особенно связаны с одним видом породы, а другие – с несколькими типами пород.

Вулканический процесс включает в себя затвердевание магмы. Магма из мантии может подниматься к коре, обычно через вулканические трубки. Если она достигает поверхности земли, то застывает в виде лавы. Однако, если магматическая масса медленно охлаждается в коре, то она может кристаллизоваться и формировать минералы. Увеличение давления также может заставить эту пегматоидную жидкость проникать в окружающие породы, часто с осуществлением химического обмена с ними. Длинный список драгоценных камней, образующихся из вулканической породы, включает в себя группу , все (включая , и ), ( , и ), , и .

Когда вулканическая порода достигает поверхности земли, силы эрозии и атмосферное воздействие вызывают дробление на более мелкие чаcтицы, которые накапливаются на поверхности или перемещаются ветром и водой. Со временем на земле или под водой образовываются слои таких осадков. Давление со стороны верхних слоев вызывает уплотнение в нижних слоях вместе с различными химическими и физическими изменениями, такими как окаменение, которое приводит к созданию осадочной породы. Испарение - это еще один процесс, производящий осадочные породы, как в случае, когда капанье насыщенные минералами вод образует сталактиты или сталагмиты. Драгоценные камни, связанные с осадочной породой, включают в себя , и .

Присутствие интрузивной магмы в данной зоне (известное как контактный метаморфизм) или взаимодействия тектонических платформ большего масштаба (известное как региональный метаморфизм) подвергает вулканические и осадочные породы и минералы воздействию нагрева или давления, которые могут вызвать изменения их химической и кристаллической структур. Результатом является создание метаморфической породы. Драгоценные камни, связанные с метаморфической породой, включают в себя

Почти 200 лет назад гениальный русский ученый М. В. Ломоносов совершенно правильно объяснил образование ископаемого угля из растительных остатков подобно тому, как образуется теперь торф. Ломоносов указал и условия, необходимые для превращения торфа в уголь: разложение растительности «без вольного воздуха», высокая температура внутри Земли и «тягость кровли», т. е. давление горных пород.

Нужно очень много времени, чтобы торф превратился в каменный уголь. Торф накапливается в болоте, а сверху болото зарастает все новыми и новыми слоями растений. На глубине торф постоянно изменяется. Сложные химические соединения, из которых состоят растения, распадаются на более простые. Одна часть растворяется и уносится с водой, другая переходит в газообразное состояние: углекислый и светильный газ - метан (этот же газ горит и в наших плитах). Большую роль при образовании угля играют грибки и бактерии, населяющие все торфяники. Они помогают разрушению растительной ткани. В процессе этих изменений торфа в нем накапливается наиболее стойкое вещество - углерод. Видоизменяясь, торф становится все более и более богатым углеродом.

Накопление углерода в торфе происходит без доступа кислорода, иначе углерод, соединяясь с кислородом, превратился бы полностью в углекислый газ и улетучился. Образующиеся слои торфа вначале изолируются от кислорода воздуха покрывающей их водой, затем вновь возникающими слоями торфа.

Так постепенно идет процесс превращения торфа в ископаемый уголь. Различают несколько основных видов ископаемого угля: лигнит, бурый уголь, каменный уголь, антрацит, богхед и др.

Наиболее похож на торф лигнит - рыхлый уголь бурого цвета, не очень давнего происхождения. В нем ясно видны остатки растений, главным образом древесины (откуда и самое название «лигнит», что означает «деревянный»). Лигнит - это древесный торф. В современных торфяных болотах умеренной полосы торф образуется преимущественно из торфяного мха, осоки, камыша, но в субтропической полосе земного шара, например в лесных болотах Флориды в США, образуется и древесный торф, очень похожий на ископаемый лигнит.

При более сильном разложении и изменении растительных остатков создается бурый уголь. Цвет у него темно-бурый или черный; он крепче лигнита, в нем реже встречаются остатки древесины и разглядеть их труднее. При горении бурый уголь дает больше тепла, чем лигнит, так как он богаче углеродом. Бурый уголь со временем не всегда превращается в каменный. Известно, что бурый уголь Подмосковного бассейна одного и того же возраста, что и каменный уголь на западном склоне Урала (Кизеловский бассейн). Процесс превращения бурого угля в каменный происходит лишь тогда, когда слои бурого угля опускаются в более глубокие горизонты земной коры или происходят процессы горообразования. Для превращения бурого угля в — каменный или антрацит нужна очень высокая температура и большое давление в недрах Земли. В каменном угле уже только под микроскопом видны остатки растений; он тяжелый, блестит и часто бывает очень крепким. Некоторые сорта каменного угля сами или вместе с другими сортами коксуются, т. е. превращаются в кокс.

Наибольшее количество углерода содержит черный блестящий уголь - антрацит. Найти в нем остатки растений можно только под микроскопом. При сгорании антрацит дает тепла больше, чем все другие сорта угля.

Богхед - плотный черный уголь с раковистой поверхностью излома; при сухой перегонке дает большое количество каменноугольного дегтя - ценного сырья для химической промышленности. Богхед образуется из водорослей и сапропеля.

Чем дольше уголь лежит в земных пластах и чем сильнее он подвергается давлению и действию глубинного жара, тем больше в нем углерода. В антраците около 95% углерода, в буром угле - около 70%, а в торфе от 50 до 65%.

В болото, где первоначально накапливается торф, обычно вместе с водой попадают глина, песок и различные растворенные вещества. Они образуют минеральные примеси в торфе, которые потом остаются и в угле. Эти примеси нередко дают прослои, разделяющие пласт угля на несколько слоев. Примесь загрязняет уголь и затрудняет его разработку.

При сжигании угля все минеральные примеси остаются в виде золы. Чем лучше уголь, тем меньше в нем должно быть золы. В хороших сортах угля ее всего несколько процентов, но иногда количество золы достигает 30-40%. Если золы больше 60%, то уголь вообще не горит и не годится на топливо.

Угольные пласты бывают разные не только по своему составу, но и по строению. Иногда весь пласт во всю толщину состоит из чистого угля. Значит, он образовался в торфяном болоте, куда почти не попадала вода, загрязненная глиной и песком. Такой уголь можно сразу сжигать. Чаще же пласты угля чередуются с глинистыми или песчаными прослойками. Такие пласты угля называются сложными. В них, например, на пласт в 1 м мощностью приходится нередко 10-15 прослоев глины по нескольку сантиметров толщиной каждый, а на долю чистого угля приходится всего 60-70 см; при этом уголь может быть очень хорошего качества.

Чтобы получить из угля топливо с малым содержанием посторонних примесей, уголь обогащают. Из шахты породу сразу отправляют на обогатительную фабрику. Там добытую в шахте породу в особых машинах дробят на мелкие куски, а затем отделяют от угля все глинистые комочки. Глина всегда тяжелее угля, поэтому смесь угля с глиной промывают струей воды. Силу струи выбирают такую, чтобы она выносила уголь, а более тяжелая глина оставалась бы внизу. Затем воду с углем пропускают через частую решетку. Вода стекает, и уголь, уже чистый, лишенный глинистых частичек, собирается на поверхности решетки. Такой уголь называется обогащенным. Золы останется в нем совсем немного. Случается, что зола в угле оказывается не вредной примесью, а полезным ископаемым. Так, например, тонкая, глинистая муть, приносимая в болото ручьями и речками, нередко образует прослои ценной огнеупорной глины. Ее специально разрабатывают или собирают золу, остающуюся после сгорания угля, а затем используют для изготовления фарфоровой посуды и других изделий. Иногда в золе угля находят .

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Редко можно четко определить причины образования камней в почках даже в конкретно заданном случае. Почки – органы, которые являются частью системы регулирования постоянства внутреннего равновесия организма, следовательно, любые метаболические нарушения найдут свое отражение в их функциональности. Так, камни, возникшие в почках, скорее сего говорят об изменении их концентрационной и выделительной функций.

Как образуются камни

Чтобы понять, откуда берутся камни в почках, следует рассмотреть механизм их образования. Камни возникают их веществ, известных как растворимые соли. Соли могут существовать в растворенной или в твердой кристаллической форме. Когда концентрация соли в растворе достаточно высока, она начинает формироваться в твердые кристаллы в ходе процесса, называемом осаждение.

Чтобы наглядно понять этот процесс, достаточно представить себе самую известную соль – натрия хлорид в морской воде. Если оставить емкость с водой и позволить ей беспрепятственно испаряться, то со временем вы увидите выпавшую в осадок «морскую» соль.

Образование камней в почках происходит по тому же принципу, что и этот эксперимент. Соли осаждаются вокруг центра кристаллизации. Чем концентрированнее раствор, тем быстрее образуется кристалл

Моча содержит множество химических элементов, которые также могут объединяться с образованием солей. Эти химические вещества, как правило, пребывают в растворенном состоянии. Неожиданно оказалось, что в моче концентрация солей, как правило, намного выше, чем та, какую возможно создать в чистой воде. Это обусловлено свойствами самой мочи, а именно, наличием в ней специальных веществ – ингибиторов. Эти вещества препятствуют процессу осаждения солей.

Некоторые ингибиторы попадают в организм и мочу из пищи, например, цитраты, магний. Другие же являются белками, синтезированными нашим организмом, например, белок нефрокальцин, уропонтин. Важным свойством этих веществ является нарушение образования центра кристаллизации, повышения растворимости солей, препятствие адгезии солей к клеткам эпителия почек.

Процесс появления камней в почках начинается с «зарождения», когда факторы, способствующие кристаллизации, перевешивают факторы, угнетающие ее развитие.

Почему так происходит

Причины возникновения камней в почках могут быть следующими.

Недостаточный объем мочи

Одним из основных факторов, почему образуются камни в почках, является постоянно малый объем мочи. Он может быть обусловлен обезвоживанием (потеря организмом жидкости) при работе или проживании в условиях жары и малом потреблении воды. Когда объем мочи уменьшается, ее концентрация возрастает и первым делом темнее цвет. Лечение в таком случае предполагает быстро восстановить нормальный объем мочи, что снизит риск образования конкрементов.

Для взрослых с целью профилактики камнеобразования достаточным считается 2,5 л мочи в день, что соответствует потреблению 3 л жидкости.

Чтобы поддерживать нормальную концентрацию мочи, следует употреблять достаточное количество жидкости

Особенности питания

То, что вы едите, также может повлиять на возможность формирования конкрементов. Одной из наиболее распространенных причин образования кальциевых камней является высокий уровень кальция в моче. И главное здесь не то, сколько кальция вы едите, а как ваш организм его перерабатывает. Снижение количества кальция в рационе редко останавливает формирование конкрементов.

В таком случае рационально снижать уровень кальция именно в моче. Это делают, ограничивая потребление поваренной соли. Механизм довольно прост: соль NaCl несет с собой избыток ионов Cl-, они уравновешиваются ионами Сa+. При избытке соли кальций связывается и нарушается его реабсорбция в петле нефронов почки.

Кальциевые камни бывают в 80% случаев мочекаменной болезни и чаще всего представлены солями щавелевой кислоты, но также возможно и выпадение в осадок фосфатов кальция, такие соединения называются брушит.

Другим распространенным видом камней в почках являются оксалаты. Это соли щавелевой кислоты, которая в больших количествах присутствует в некоторых продуктах питания. Щавель, ревень, гречиха, шпинат, сахарная свекла, какао, шоколад, орехи, ягоды, фасоль, петрушка, черный перец – вот малая доля продуктов, богатых щавелевой кислотой.

Причины появления камней – образование труднорастворимых оксалатов кальция, железа, магния. Их форма крайне опасна для почек и мочеточников, поскольку у кристаллов острые края и шипы, они могут травмировать мочевыводящие пути. Гипероксалатурии способствует пониженное содержание витамина В6, синдром короткого кишечника, уменьшение в кишечнике популяции бактерий Oxalobacter formigenes (эти микроогранизмы способны разрушать оксалаты). Это приводит к неспособности правильно усваивать жиры и питательные вещества. Кальций может связываться с неиспользованными жирами вместо оксалатов, что приводит к накоплению последних.

Рекомендации по питанию для профилактики образования камней в почках

Диета с высоким содержанием белков животного происхождения, такие как говядина, рыба, курица и свинина, «закисляет» организм. При кислом рН мочи в ней легче происходит процесс осаждения солей. Особенно это имеет значение для образования уратов – камней из солей мочевой кислоты. Кислая моча вместе с избытком пуриновых оснований из белковой пищи – факторы, какие способствуют этому процессу.

Большое количество белковых оснований встречается при таком заболевании как подагра – нарушении обмена веществ. Особо подвержены образованию уратов больные сахарным диабетом 2-го типа (у них моча имеет очень кислый рН) и люди с инсулинорезистентностью, поскольку у них нарушается транспортная система солей через почки. Уратные камни обнаруживают у 10% пациентов с мочекаменной болезнью.

Заболевания ЖКТ

«Кишечный» фактор. Некоторые заболевания желудочно-кишечного тракта, сопровождающиеся постоянной диареей (болезнь Крона, язвенный колит), приводят к обезвоживанию организма. Высокая концентрация мочи, в первую очередь, провоцирует образование оксалата кальция.

Состояние здоровья других органов

Собственно нарушение функции органов

К примеру, гиперфункция паращитовидной железы, которая контролирует метаболизм кальция, может вызвать повышение содержания этого элемента в крови и моче.

Другой возможный вариант – почечный канальцевый ацидоз, связанный со структурным нарушением почечных канальцев. Это состояние характеризуется повышением кислотности мочи и системным ацидозом, что создает благоприятные условия для образования камней кальция фосфата.

Инфекционно - воспалительные заболевания органов мочевыделительной системы

Возбудители Proteus., Pseudomonas, Klebsiella, Serratia, Staphylococcus, которые в принципе являются нормальной микрофлорой кишечника, при попадании в мочевыводящие пути способны содействовать образованию струвитных камней. Это происходит потому, что бактерии продуцируют особый фермент уреазу, она расщепляет мочевину на магний аммония фосфат и кальция карбонат, из чего состоят камни. Образовываются камни за довольно короткое время. Дополнительным фактором, способствующим образованию этого вида камней, является щелочная реакция мочи, которую обуславливают бактерии. Бактериальная природа повышает вероятность возникновения струвитных камней у женщин, так как у них легче происходит заражение.

Струвитные камни чаще образуются у женщин

В сочетании с инфекцией, любое состояние, препятствующее нормальному оттоку из мочевого пузыря, способствует застою мочи, размножению в ней бактерий и повышает риск образования струвитных камней. Во всем мире, они составляют до 30% случаев.

Редкие генетические заболевания

К таковым можно отнести цистинурию – наследственно обусловленное нарушения обмена белка, при котором аминокислота цистин не всасывается в кишечнике, а фильтруется из крови в почки. Это вещество не растворяется в моче и способно образовывать цистиновые камни. Встречается довольно редко – у 1% пациентов. Еще более редкое генетическое заболевание – нарушение обмена соединения азота ксантина, вследствие чего появляются камни в почках – ксантиновые камни.

Еще одно редкое заболевание – первичная гипероксалурия. Это патологическое состояние, когда в тканях организма откладывается много оксалатов. Они образуются в печени вместо глицина из глиоксиловой кислоты в отсутствии специфического фермента.

Медикаментозные препараты

Некоторые лекарственные препараты могут увеличивать риск образования камней.

Факторы риска

Пол и возраст

Камни в почках у мужчин могут образовываться в два раза чаще, чем у женщин. Этому есть несколько объяснений. Во -первых – пищевые привычки. Мужчины часто употребляют мясную белковую пищу, да к тому же в сочетании с алкоголем, отчего могут появляться ураты. Но самое главное – это наличие мужских гормонов-андрогенов. Гормоны надпочечников дегидроэпиандростерон, андростендион, тестостерон способствуют образованию камней – нефролитиазу. Риск камней в почках увеличивается у мужчин в возрасте от 40 и продолжает расти до 70 лет. К 70 годам, 11% мужчин будут иметь почечные камни.

Андрогены и пищевые привычки увеличивают риск образования камней у мужчин

Женские гормоны (эстрогены) фактически снижают риск гипероксалурии. Эстроген может помочь предотвратить образование камней оксалата кальция, сохраняя рН мочи щелочной, а также за счет повышения уровня угнетающих камнеобразование цитратов.

Камни в мочевыводящих путях у детей, как правило, могут браться в связи с генетическими факторами или деформацией мочевыводящих путей.

Ожирение и увеличение веса

Есть предположения, почему появляются камни у страдающих увеличением массы тела. Скорее всего, это связано с большим количеством жировой ткани и резистентностью к инсулину. Тучные люди способны выделять больше кальция и мочевой кислоты в мочу, что повышает вероятность образования камней в почках.

Наследственная предрасположенность

Риск образования камней в почках возрастает, если у членов семьи уже случались эпизоды мочекаменной болезни. Свою роль играет генетически обусловленная недостаточность ферментативной системы, как в случае с подагрой, цистинурия и ксантиурией.

Географические факторы

Концентрация солей в грунтовых водах и растениях зависит от района проживания

Образ жизни

Некоторые продукты питания увеличивают риск камнеобразования у людей, имеющих генетическую или медицинскую предрасположенность. Однако, профилактически для всех групп населения, стоит избегать большого употребления животного белка, пищи богатой оксалатами и неограниченного потребления соли.

Стресс

Недавние исследования показали, что люди, пребывающие в состоянии стресса, имеют больший риск мочекаменной болезни. Изменения, которые происходят в почках, вызваны гормоном стресса – вазопрессином, который уменьшает объем мочи и, следовательно, повышает ее концентрацию и склонность к выпадению осадка солей.

В начале было уже сказано о том, какие природные геологические процессы существуют. Большинство драгоценных камней образуется в результате процессов, требующих высоких температур и давлений.

Для того чтобы минерал образовал хороший кристалл, ему необходимы условия для роста, т. е. свободное пространство. Обычно горные породы являются очень плотными, и минералы, которые в них образуются, имеют неправильные формы. Прозрачные и почти идеальные по форме кристаллы самоцветов образуются в полостях трещин и других пустотах. В камерах и занорышах пeгмaтитoв растут кристаллы топазов, изумрудов, турмалинов, в полостях кварцевых жил -- кристаллы аметиста, горного хрусталя и т. д. При экзогенных процессах, когда происходит разрушение и выветривание пород, драгоценные камни, как более устойчивые, охраняются и накапливаются в коре выветривания и россыпях. Тем самым они становятся более доступными для добычи, потому что гораздо легче доставать минералы из рыхлых пород, чем из твердых.

При искусственном выращивании кристаллов в аппаратах создаются те же физико-химические условия, которые характерны для природных процессов. Даже некоторые термины, которые издавна используются геологами и минералогами, нашли применение в техническом языке, например термин «гидротермальные условия».

Монокристаллы ряда элементов и многих химических веществ обладают замечательными механическими, электрическими, магнитными и оптическими свойствами. Так, например, алмаз тверже любого другого минерала, встречающегося на Земле. Кристаллы кварца и слюды обладают рядом электрических свойств, обеспечивающих им широкое применение в технике. Кристаллы флюорита, турмалина, исландского шпата, рубина и многие другие находят применение при изготовлении оптических приборов.

К сожалению, в природе монокристаллы большинства веществ без трещин, загрязнений и других дефектов встречаются редко. Это привело к тому, что многие кристаллы на протяжении тысячелетий люди называют драгоценными камнями. Алмаз, рубин, сапфир, аметист и другие драгоценные камни долгое время ценились людьми очень высоко в основном не за особые механические или другие физические свойства, а лишь из-за своей редкости. Развитие науки и техники привело к тому, что многие драгоценные камни или просто редко встречающиеся в природе кристаллы стали очень нужными для изготовления деталей приборов. Потребность во многих кристаллах возросла настолько, что удовлетворить ее за счет расширения масштабов выработки старых и поисков новых природных месторождений оказалось невозможно.

Кроме того, для многих отраслей техники и особенно для выполнения научных исследований все чаще требуются монокристаллы очень высокой химической чистоты с совершенной кристаллической структурой. Кристаллы, встречающиеся в природе, этим требованиям не удовлетворяют, так как они растут в условиях, весьма далеких от идеальных.

Таким образом, возникла задача разработки технологии искусственного изготовления монокристаллов.

Первые попытки искусственно получить замечательные минералы человек предпринимал с давних пор. Еще в средние века алхимики с помощью философского камня пытались превратить простые вещества в драгоценные камни. Но все это были попытки с негодными средствами, потому что алхимики совершенно не представляли законов строения вещества. Успех пришел лишь тогда, когда был в достаточной мере познан процесс минералообразования. В настоящее время существует целый ряд способов выращивания кристаллов. Исходное вещество может быть твердым, растворенным или расплавленным, даже может находиться в газообразном состоянии. Из более чем 3000 минералов, существующих в природе, искусственно удалось получить уже несколько сот. Трудности синтеза связаны с необходимостью очень точного соблюдения режима выращивания кристаллов.

Но даже искусственно выращенные кристаллы часто имеют дефекты. Сейчас производятся опыты по выращиванию кристаллов в космосе в условиях невесомости. Первые опыты, проведенные на палубе космического корабля «Салют», показали, что это направление является весьма перспективным.

Из всех замечательных минералов наиболее высокие температуры и давления необходимы для образования алмазов. В природе их находят в так называемых кимбёрлитовых трубках, которые образуются в результате взрыва газов на глубинах свыше 50 км. Кимберлит представляет собой ультраосновную породу, получившую название по руднику Кимберли в Южной Африке. Температура на этих глубинах составляет 1000--1100°С, а давление превышает несколько десятков атмосфер. Но и таких высоких давлений оказывается недостаточно. Как показывает синтез искусственных алмазов, для их образования необходимы поистине чудовищные давления в десятки тысяч атмосфер. Только в таких условиях углерод, хорошо известный нам по графиту, из которого делают карандаши, может перейти в гексагональную модификацию и дать вместо черной массы прозрачные кристаллы. Как же достигаются такие сверхвысокие давления в глубинах Земли? Предполагают, например, что это осуществляется за счет механизма кавитации локального повышения давления в результате взрыва газовых пузырьков. Полуразрушенный материал кимберлитов при взрыве с большой силой устремляется к поверхности Земли по тектоническим трещинам. Вместе с алмазами в кимберлитах находят скопления ювелирного граната -- пиропа фиолетово-красного и оранжево-красного цвета, а также хризолита. Однако хризолит ювелирного качества, как менее устойчивый минерал, сохраняется лишь в свежих невыветренных породах.

Первые алмазоносные трубки взрыва были открыты в 1870 г. в Южной Африке. В последние десятилетия алмазные трубки открыты у нас в Якутии. Алмазы добываются также из россыпей, образовавшихся в результате размыва коренных месторождений.

Около ста лет назад люди впервые попытались получить синтетический алмаз. Первая удача пришла к англичанину Ганнею в 1889 г. Он получил мелкие кристаллики алмаза в порах чугуна, где нaxoдилиcь костное масло, литий и углерод. Раскаленный чугун подвергался резкому охлаждению. Эти первые искусственные алмазы хранятся в Британском музее. Получить новые кристаллы таким способом уже никому не удалось, хотя попыток было сделано немало. Получение алмазов из простого угля казалось в то время совершенно фантастическим. Помните одного из героев рассказа Герберта Уэллса? Он наполнял стальной цилиндр графитовой смесью и взрывчаткой и нагревал его в топке. Затем два года заставлял остывать, чтобы кристаллы алмазов достигли значительного размера. Как пишет Г. Уэллс: «Я решил дать остывать моей аппаратуре два года, чтобы температура снижалась постепенно. Под конец я перестал поддерживать огонь. Я извлек цилиндр и вскрыл его, он был еще так горяч, что обжигал мне руки, выскреб стамеской хрупкую лавообразную массу и размельчил ее молотком нa чугунной плите. Я обнаружил три крупных и пять мелких алмазов». Разумеется, этот способ получения алмазов совершенно фантастический, и алмазы таким путем получить нельзя.

И только в середине XX в. фантастика стала реальностью. В 1955 г. была разработана специальная аппаратура, создающая давление в десятки и сотни тысяч атмосфер при температурах 1200--1500°С. В 1960 г. на июльском пленуме ЦК КПСС было объявлено о получении синтетического алмаза в СССР. Советский искусственный алмаз марки САМ (синтетический алмаз монокристальный) с 1965 г. выпускается в промышленных количествах. Алмазы получают из порошка графита, смешанного с никелем. Смесь прессуется в виде небольших дисков размером до 2--3 см, которые затем нагреваются до температуры 2000--3000°С при давлении до 10* 109 Па. В таких поистине невероятных условиях графит превращается в алмаз. Разумеется, прежде чем строить такие сложные установки, процесс перехода графита в алмаз был изучен теоретически. Исходя из термодинамических свойств того и другого минерала, была рассчитана теоретическая кривая перехода графит -- алмаз.

Получаемые кристаллы имеют кубическую или октаэдрическую форму. По твердости они даже превосходят естественный алмаз. Производство искусственных алмазов в настоящее время практически целиком направлено для нужд буровой техники и абразивной промышленности. Ювелирные кристаллы алмазов пока получены в незначительном количестве.

Был даже сконструирован специальный робот, который вырабатывает алмазы.

На железную ладонь робота кладут сырье -- графит. Робот вкладывает графит в свою «грудь» -- печь, в которой графит нагревается до высоких температур при больших давлениях. В конце концов, опять же на ладонь робота выпадает кристалл синтетического алмаза в форме небольшого шарика.

Способы искусственного получения ювелирных алмазов в условиях высоких давлений сейчас технически освоены, но экономически нерентабельны из-за низкой скорости процесса. Наиболее перспективным в настоящее время, считается метод выращивания алмазов при совместном отложении графита и алмаза при температурах 1000--1200°С из углесодержащего газа (CHi иди CSi). Затем графит сжигается в водородной среде при давлении 5 * 105-- 20 * 105 Па и получается чистый алмаз.

Обратимся теперь к другой группе драгоценных камней -- рубинам и сапфирам. Эти замечательные минералы, представляют собой оксид алюминия (глинозем), в природе встречаются в различных магматогённых и метаморфических породах. Глинозем входит в состав многих минералов горных пород, и для того, чтобы он выделился в свободном виде, как самостоятельный минерал, порода должна быть богата алюминием. Чтобы вместо обычного корунда, имеющего тот же химический состав, выделялись благородные рубин и сапфир, необходимы благоприятные условия для роста кристаллов и содержание в породе определенных химических элементов. Поэтому природные месторождения драгоценных рубинов и сапфиров очень редки. Наиболее известны месторождения в Индии и Шри Ланка.

Извлекать кристаллы из плотных метаморфических или магматических пород очень сложно, поэтому основное значение для добычи рубина и сапфира имеют остаточные и россыпные месторождения.

Искусственный рубин был впервые получен в начале нашего века в небольшой лаборатории в окрестностях Парижа. Выдающийся советский минералог А.Е. Ферсман так описывал эту лабораторию в 1936 г. «В тихой улице захолустного городка около Парижа маленькая грязненькая лаборатория. В тесном помещении среди паров и накаленной атмосферы на столах несколько цилиндрических приборов с синими окошечками. Через них химик следит за тем, что делается в печи, регулирует пламя, приток газа, количество выдуваемого белого порошка. Через короткий промежуток 5-6 ч он останавливает печь и с тоненького красного стерженька снимает красную прозрачную грушу». Этот способ получения искусственного рубина известен под названием «метод профессора Вернейля». Порошок оксида алюминия непрерывно поступает в зону печи, где происходит горение водорода в кислороде. При создавшейся высокой температуре порошок плавится. Капли расплавленной массы падают вниз и попадают на маленький кристаллик рубина, который помещается здесь в качестве затравки. На затравке кристаллизуется прозрачная «булька» -- грушевидный монокристалл рубина, который постепенно растет вверх. В России в настоящее время работают аппараты системы Попова, которые позволяют получать синтетические монокристаллы рубина в виде стержней диаметров 2--4 см и длиной до 2 м. Самым новым методом получения искусственных рубина и сапфира является метод диффузионной плавки, постепенно вытесняющий метод Вернейля.

Красная окраска искусственного рубина получается за счет добавки оксида хрома. При добавлении к порошку глинозема других веществ получают синюю окраску сапфира или оранжевые, желтые, зеленые, розовые, фиолетовые окраски, которых в природе нет. Искусственные рубины и сапфиры чище, прозрачнее и дешевле природных. Они широко применяются для изготовления ювелирных изделий.

Целая группа драгоценных камней (топаз, аквамарин, изумруд, турмалин, аметист, горный хрусталь и др.) в природных условиях связана с пегматитовыми и гидротермальными образованиями. Рост кристаллов в таких условиях происходит в пустотах горных пород. Размеры этих пустот могут достигать несколько десятков кубических метров, хотя обычно их объемы не превышают нескольких кубических дециметров. Пустоты образуются под воздействием самых разнообразных геологических причин и в минералогии имеют различные названия: камеры, заморыши, жеоды, миндалины и т. д. Кристаллы в этих пустотах омываются, горячими гидротермальными растворами, содержащими различные вещества. Обычно в таких пустотах растут не единичные кристаллы, а целые их семейства, которые называются друзами. Расскажем, к примеру, как образуются в природе изумруды, которые пока еще не были получены искусственно. Месторождения изумрудов обычно связаны с пегматитами, где ювелирные кристаллы формируются в камерах. Известны также месторождения изумрудов в метаморфических породах, переработанных бериллиеносными растворами. Поскольку благородная темно-зеленая окраска изумруда объясняется присутствием в минерале хрома, необходимо, чтобы этот элемент содержался в породе в значительных количествах. Иначе вместо изумруда образуется обыкновенный берилл. Поэтому месторождения изумрудов чаще всего залегают среди ультраосновных пород, богатых хромом, железом, магнием и другими элементами. Примером таких месторождений могут служить знаменитые копи Урала. Известные месторождения изумруда в Колумбии образовались при низких температурах не более 100 - 1800 С в результате просачивания минералообразующих растворов через известняк и отложения изумрудов в полостях, образовавшихся при растворении известняков горячими растворами.

Из этой группы замечательных минералов наиболее, освоено искусственное получение горного хрусталя. Сейчас в нашей стране практически все виды аппаратуры, использующие горный хрусталь (кварц), работают на синтетических кристаллах. Искусственные кристаллы горного хрусталя получают в гидротермальных условиях. Это слово «гидротермальные» мы употребляли при описании природных условий образования минералов. Оно используется и в технике для обозначения условий получения кристаллов из «горячей воды». Кристаллы выращивают в специальных трубах -- автоклавах высотой несколько метров. Автоклавы изготовляют из нержавеющей высоколегированной стали и покрывают изнутри серебром. Это делается для того, чтобы на трубе не образовалась ржавчина, которая при попадании в растущий кристалл кварца может вызвать различные нежелательные дефекты монокристалла. В нижней части трубы размещается кварцевый песок, через который просачивается вода с добавками щелочей. Процесс происходит при температуре несколько сот градусов и высоком давлении. В этих условиях кремнезем растворяется в воде, насыщенный раствор кремнезема в воде омывает маленький затравочный кристалл кварца, помещенный в верхней части автоклава. Кристалл растет в автоклаве несколько месяцев, а особо чистые кристаллы растут несколько лет. Требования технологии очень высоки: температурный режим, например, нe может изменяться даже на доли градуса в течение всего роста кристалла. В таких условиях выращивают кристаллы горного хрусталя массой до 15 кг.

Создавая прибор для выращивания искусственного хрусталя, человек в значительной степени использовал знания, полученные при изучении природных условий образования минерала, и эти природные условия искусственно воссоздал в автоклаве.

А вот другая группа оксида кремния (IV) -- благородные опалы и агаты, которые отличаются от обычного кварца значительным содержанием воды. Эти некристаллические колломорфные минералы формируются совсем в других условиях. В природе они образуются из кремнистого геля, который отлагается в пустотах лав -- застывшей массы, которая образуется при извержениях вулканов. Эти породы называются вулканическими, или эффузивными. Выпадение кремнезема в порах и пустотах вулканических пород связано с понижением температуры кремнистого геля до 100 --1500 С. Месторождения благородного опала встречаются также в древних корах выветривания. Предполагают, что в результате испарения грунтовых вод под действием сухого климата происходило увеличивание концентрации кремнезема и выпадения его почти на поверхности Земли. К этому типу относятся основные месторождения благородного опала в Австралии.

Еще совсем недавно, мы ничего не знали об искусственном опале. Но вот пришло сообщение, что французский химик Гилсон синтезировал и выпустил на международный рынок белые и черные драгоценные синтетические опалы, которые обладают всеми внешними признаками, свойственными природным благородным опалам и, в первую очередь, ирризацией. Даже специалисты по драгоценным камням затрудняются отличать полученные синтетические опалы oт природных. Технология производства искусственных опалов пока остается тайной изобретателя.

Список драгоценных камней, которые получают искусственно, все время растет.

Российские ученые разгадали еще один секрет природы - получение аметиста - горного хрусталя густо фиолетового цвета. Аметисты выращивают так же, как и кристаллы кварца. Затем кристаллы облучают -лучами в реакторах. Под воздействием облучения в кристалле возникают разные дефекты, которые и обуславливают его фиолетовый цвет. В данном случае окраска аметиста не обусловлена примесью каких либо других элементов, а имеет другие причины.

Можно не сомневаться, что пройдет еще несколько лет, и любые кристаллы драгоценных камней и других замечательных минералов могут быть получены искусственным путем.

Мы рассмотрели естественные и искусственные условия образования драгоценных камней. Однако существует еще одна группа минералов о которых мы не можем сказать ни слова: они не существуют в природе. Это минералы созданные человеком в лабораторных условиях. Несколько лет назад в ювелирных магазинах появились изделия с прекрасными прозрачными камнями различного цвета. По красоте они не уступают бриллиантам. Эти искусственные камни были названы фианитами в честь места их рождения Физического института Академии наук имени П.Н. Лебедева (ФИАН). По составу феаниты представляют собой смесь оксидов циркония и гафния. Фианиты изготовляются для различных отраслей народного хозяйства: оптики, электроники, производства лазеров, ювелирных изделий. Другой известный искусственный минерал, широко используемый в ювелирном деле, - гранатит - алюминиево-иттриевый гранат. Новые минералы окрашивают в различные цвета с помощью хромофор, и они великолепно имитируют драгоценные камни.

Круг искусственных драгоценных камней, применяемых в ювелирном деле (гемологии), постоянно расширяется. Современная гемология использует многочисленные синтетические минералы: изумруды, шпинели, гранаты, рубины, сапфиры, имитацию жада и многие другие.

Многие века и даже тысячелетия употреблялись замечательные минералы в качестве украшений, и люди даже не подозревали, какие огромные скрытые возможности таятся, к примеру, в бриллиантовом колье на шее у светской дамы или в рубиновом перстне на пальце вельможи. Но шли годы, бурное развитие науки и техники вовлекало в сферу производства все новые и новые материалы, и многие из тех свойств, которые определили драгоценность минералов, оказались совершенно необходимыми в технике. Выяснилось, например, что с помощью рубинового лазера можно с большой точностью измерить расстояние от Земли до Луны. Самый ценный камень -- алмаз -- в настоящее время является больше техническим камнем, чем камнем красоты. Алмазы используют для шлифовки, резки, с помощью специальных приспособлений -- буровых коронок, усаженных алмазами, сверлят Землю в поисках полезных ископаемых. Образно говоря, прошли времена алмазных корон -- настали времена алмазных коронок. Электротехника, оптика, радиотехника, военное дело, точная механика и многие другие отрасли народного хозяйства претендуют на драгоценные камни вовсе не из-за их красоты, а именно из-за их замечательных свойств.

Использование минералов для технических целей началось уже давно, может быть раньше, чем их применение в качестве украшений. Когда первобытный человек взял в руку обломок нефрита и стал рубить им дерево -- это и было первое техническое применение камня. Позже человек усовершенствовал свой инструмент: привязав обломок нефрита к палке, он получил каменный топор. Разумеется, современнее применение минералов в технике намного сложнее.

Какие же свойства определили широкое применение минералов в современной технике?

Твердость. Твердость минералов -- это комплексное физическое свойство, зависящее от внутренней структуры, значений межатомных расстояний, валентности ионов и атомов, слагающих минерал, и т. д. В практической минералогии для определения твердости пользуются произвольной нелинейной шкалой Мооса. Все минералы по этой шкале делятся на десять групп с твердостью от 1 до 10. Более точные количественные значения твердости определяют с помощью специальных приборов -- склерометров. Алмазную или стальную пирамидку вдавливают в пришлифованную поверхность минерала, а затем изменяют длину диагонали образовавшейся ямки. Затем эти значения рассчитываются, в килограммах на 1 мм.

Первым в ряду стоит алмаз, имеющий максимальную твердость, равную 10. Недаром его название произошло от греческого слова адамас, что означает «непобедимый». Такая «непобедимость» алмаза определила его широкое применение для изготовления режущих инструментов. Самым простым из них является известный всем стеклорез. Это наиболее древнее техническое применение алмаза, которое мы знаем. Алмазы употребляют в металлообрабатывающей промышленности для изготовления пил; резцов, приготовления полировальной пасты, используют для конструирования алмазных коронок, обеспечивающих высокопроизводительное бурение горных пород и т. д.

Подсчитано, что мировая потребность в алмазах составила к 1975 г. более 20 т, и это для минерала, масса кристаллов которого измеряется в каратах (0,02 г). Американские специалисты писали, что если изъять из употребления в США алмазные инструменты, то промышленный потенциал этой страны снизится вдвое.

Разумеется, в технике применяются не ювелирные алмазы, а тем более не бриллианты. В дело идут рядовые алмазы -- крошка, «борт», а также черная разновидность алмазов -- «карбонадо». С каждым годом растет потребление искусственных алмазов, поскольку природные месторождения не удовлетворяют сейчас и половины запросов промышленности.

С алмазом по твердости соперничает рубин, имеющий твердость 9 по шкале Мооса, или 2000 кг/мм. Этот минерал является прекрасным абразивом. Хорошо известны твердые абразивные шлифовальные круги, порошки, пасты. В производстве используются не ювелирные рубины и сапфиры, а невзрачный корунд. В настоящее время широко применяется искусственный корунд -- электрокорунд, или алунд, получаемый путем электроплавки высококачественных алюминиевых руд -- бокситов.

Всем хорошо известно выражение «часы на 17 (или на 23) камнях». Эти камни в часах есть не что иное, как вкладыши из рубина, в которых вращаются оси шестеренок. Вы можете увидеть эти красноватые рубины, открыв крышку часов. Качество ручных или карманных часов зависит, в частности, от того, сколько шестеренок вращается на рубиновых подшипниках. Рубиновые камни определяют долговечность часов.

Еще один «замечательный минерал», или точнее минералы, используется в абразивной промышленности -- гранат. Эта группа минералов содержит много разновидностей. В качестве абразива обычно применяют железистый гранат -- альмандин. Твердость этого минерала по шкале Мооса равна 7, а количественно составляет 11ОО кг/мм2. Из гранатов изготовляют шлифовальные порошки, точильные круги, шкурки. Иногда они заменяют в приборостроении рубин.

Список замечательных минералов, используемых из-за их твердости в промышленности, можно было продолжить. Но уже из того, что мы перечислили, можно понять, что твердость, являющаяся необходимым свойством драгоценных камней и определяющая их долгую жизнь в качестве украшений -- качество, необходимое и для промышленных целей.

Мы с детьми побывали в удивительном месте «парке камней». Честно скажу, мы отправились туда не подготовленными, и еще не знали столько много о камнях, сколько мы знаем теперь, но, в таких внезапных прогулках есть своя прелесть – экспромт и полет фантазии для мамы, ну и для детей!

Обязательно скачайте данную презентацию. Переключаться между слайдами нужно в ручном режиме, поскольку информации на слайдах много, и скорость чтения у мам разная.

Видеоотчет о походе в парк вы можете . После похода в парк, конечно же, на протяжении нескольких дней мы играли только в «камешки».

Пришлось на скорую руку выдумать несколько игр, чтобы развлечь детей:

Сначала мы, конечно же, насобирали целый мешок камней и принялись рассматривать эти камни. Из всех камней всего у трех мы обнаружили неоднородный цвет, зато у большинства камней разглядели слоистость

Мы очень часто оживляем камни и вообще, любые предметы. Они у нас ходят в гости друг к другу, пьют чаи и катаются на машинах. Это один из самых любимых сюжетов игр моих детей и по времени, на эту игру может уйти целый день. Даже в перерыв на обед, дети кричат, что они еще не доиграли.)))

Бросали камни с расстояния в ведерко. Дух соревнования мы пока не воспитываем, каждому давалось столько попыток, сколько нужно, чтобы все таки попасть, потому что ведер тоже было 2)))))))

— выкладывали из камней рисунок – цветок. На какой-то более масштабный рисунок у нас, пожалуй, и камней бы не хватило.

Еще я вспомнила игру-опыт из детства. Мы брали 2 камня (по одному камню в каждую руку) указательным и большим пальцами и стыковали эти камни друг с другом, причем давить нужно было довольно сильно.

Ведущий же, в это время, берет другой камень, и, как бы, опутывает им место стыка – 10 раз (забрасывает за сцепку и подставляет руку снизу, чтобы поймать камень). Потом 10 раз камень забрасывается (снизу ловится ладошкой и снова забрасывается) в образовавшиеся дырки-колечки между большим и указательным пальцами, сначала одной руки, потом другой. Когда все процедуры закончены, подопытному разрешают медленно попытаться оттянуть камни друг от друга. По ощущениям, кажется, что ты отсоединяешь железо от магнита. Свойства камней тут не при чем, я думаю, это просто руки затекают от сильного напряжения, вот и кажется, некое притяжение. Но все равно, эта игра с камнями тоже очень понравилась детям.

Взяли камень – мел, и порисовали им! Прямо на полу) каменная плитка позволяет нам и рисовать на ней и пластилиновые работы выполнять, и наклейки клеить. Все легко отмывается!

Следующий день мы начали с просмотра презентации.

После просмотра и моих подробных рассказов о камнях, кристаллах и минералах мы принялись играть в игры по стопам изученного материала:

1) заглянули в папину коллекцию камней, обнаружили потрясающий камень (мы его и раньше уже обнаруживали, но рассматривали с другой точки зрения). Неказисты снаружи и весь слоистый изнутри. Явно образовался глубоко под водой, где слой за слоем каменели осадки. Это один из удивительных красивых камней коллекции. Его он нашел на Красном море в Эйлате.

Как-то, этот камень (на фотографии он самый крупный) увидел один геолог и он сказал мужу, что там, внутри окаменели остатки какого-то морского животного, вероятнее всего, а дальше, слой за слоем накладывались и каменели осадки.

2) следующим шагом был, конечно же, . У нас дома стоит наша модель, которую мы запускаем по разным случаям. Изучение камней – как раз подходящий случай. Запустили вулкан, посмотрели, как лава выплескивается из вулкана. Разложили внизу вулкана камешки, которые назвали базальт, пемза, андезит, обсидиан, а в жерло вулкана забросили другие камешки, с названиями гранит и кварц. Ну и пошла у нас игра в камешки))) Камни ходили друг к другу в гости – внутривулканные приглашали к себе в домик, а вневулканные к себе. Потом мы еще долго катали камешки на машинах и рассказывали, как нам нравится извержение вулкана.

На этом первый день игр подошел к концу. дети, уставшие и довольные, мне кажется, даже во сне повторяли странные имена своих новых героев)))

3)Следующий день, по горячим следам мы начали с обсуждения второго способа образования камней – осадочного. Хотя, накануне, при изучении камня из Эйлата, мы его уже вскользь проговорили. Сделали себе слоистые бутерброды и съели их! Зато все понятно – хлеб-сыр, помидор, салат, лишь бы в рот теперь поместился))))

4)Потом мы перешли к обсуждению кристаллов. Я уже рассказывала Давиду, что все в нашем мире состоит из молекул, знает он и о том, что разным состояниям тел соответствует разное движение молекул, так что мы просто вспомнили, что молекулы твердых тел не движутся, а лишь колеблются, и имеют прочные связи друг с другом. Для наглядности и вообще для веселья встали мы все строем, взялись за руки и создали свою кристаллическую решетку. Дети тянули меня вправо и влево, но я стояла, не двигаясь, и из-за этого, не двигались и они. Вот так я им и объяснила взаимную связь между молекулами. Потом перешли к творческому занятию.

5)Взяли пластилин, трубочки для коктейлей, и стали творить кристаллические формы. Увы, особенно сложные фигуры у нас не получились, но алмаз нам удался на все 100! Конечно же, изучили мое кольцо (не с алмазом, а с цирконием, по качеству может и нет, а по виду очень похож), сравнили камень с карандашным стержнем. Очень удивились, что оба камня состоят из одного и того же элемента, но, в них нет ничего общего на вид.

6) Ну а потом мы приступили к опытам:

Опыт 1

Получение кристаллов воды

Налили воду в прозрачный стакан и сделали отметку уровня воды. Через некоторое время вытащили стакан и увидели, что лед в стакане находится выше водной отметки. «Почему?» задал резонный вопрос Давид. А вот почему, ответила я и нарисовала примерно такую вот схему:

На первом рисунке молекулы воды, по сути, они двигаются свободно, хотя и связаны друг с другом. А вот на второй схеме – молекулы той же воды, но в замороженном виде – они как солдаты выстраиваются в такие цветочные (Давид назвал их цветочки) фигуры. Такой порядок требует гораздо большего места, чем подвижным молекулам воды (даже простой подсчет покажет, что одинаковое место могут занимать 16 молекул воды и 13 молекул льда, посчитайте на картинке!).

Вот так мы получили водный кристалл.

Опыт 2

выращивание соляного кристалла.

Сделали соленый раствор, завязали нитку на карандаш и опустили нитку в раствор. Ждем, когда кристаллическая рыбка попадется на наш крючок. Вода у нас немного подкрашена чаем, Давиду стало интересно, повлияет-ли это на цвет кристалла.