Каталог
  

Алмазы состоят из углерода


ПОИСК

    Физические свойства. Аллотропные модификации углерода — алмаз, графит и карбин — имеют резко различные физические свойства, что объясняется строением их кристаллических решеток. [c.206]

    Некоторые химические элементы образуют несколько простых веществ. Это явление получило название аллотропии. Наиример, кислород имеет две аллотропные модификации (или видоизменения), которые различаются составом молекул кислород О2 и озон О3. Аллотропные видоизменения элемента углерода — алмаз и графит имеют разное строение кристаллов. [c.14]

    Физические свойства. Аллотропные модификации углерода— алмаз и графит — резко,отличаются по физическим свойствам. Алмаз — прозрачные кристаллы, очень твердые. Твердость алмаза объясняется строением его кристаллической решетки (рис. 15). Все четыре элертрона каждого атома углерода в алмазе образуют прочные ковалентные связи с другими атомами углерода. Кристаллическая решетка алмаза имеет тетраэдрическое строение. Расстояние между всеми атомами уг/ерода одинаковое. Алмаз не проводит электрический то1 , так как в его кристаллической решетке отсутствуют свободные электроны. [c.410]

    Кристаллические решетки, в узлах которых находятся отделе-ные атомы, называют атомными. Атомы в таких решетках соединены между собой прочными ковалентными связями. Примером можег служить алмаз — одна из модификаций углерода. Алмаз состоит из атомов углерода, каждый из которых связан с четырьмя соседними атомами. Координационное число углерода в алмазе равно 4. Структура алмаза приведена на с. 127. В решетке алмаза, как и в решетке хлорида натрия, молекулы отсутствуют. Весь кристалл следует рассматривать как гигантскую макромолекулу. Число веществ с атомной кристаллической решеткой в неорганической химии велико. Они имеют высокие температуры плавления (у алмаза свыше 3500 °С), прочны и тверды, практически нерастворимы в жидкостях. [c.55]

    Кроме двух аллотропных форм углерода (алмаз и графит), при термическом разложении органических соединений образуются и другие формы, имеющие кристаллические решетки, аналогичные графиту (параллельные, расположенные в одной плоскости шестиугольные слои). Однако расположение плоских шестиугольников нерегулярное, симметрия сохраняется в двух, а не трех, как у графита, измерениях. [c.126]

    Веселовский В. С., Углерод, алмазы, графиты и угли и методология их исследования, Госхимиздат, 1934. [c.253]

    Однако шумную известность Муассану принесло не получение фтора, а совсем другая работа, которая, как выяснилось позднее, в сущности ни к чему не привела. Древесный уголь и алмаз являются разновидностями углерода алмаз отличается от угля только более плотной упаковкой атомов. Следовательно, под действием высокого давления атомы в кристалле древесного угля могут перегруппироваться и образовать алмаз. И Муассан попытался получить таким образом драгоценный камень. Он растворил древесный уголь в расплавленном железе и вылил полученную массу в воду, считая, что при резком охлаждении углерод будет кристаллизоваться в виде алмаза. [c.142]

    На кинетику процесса большое влияние оказывает структура углеродного материала частицы твердого топлива. Наиболее распространенные в природе виды чистого углерода алмаз и графит. Алмаз — типичное кристаллическое образование с четким размещением атомов в кристаллической решетке. Графит — аморфное углеродное образование, имеющее структуру, состоящую из хаотически распо ложенных кристаллитов. Графит является поликристаллическим материалом — его поверхность образована различными кристаллографическими поверхностями. Размеры кристаллитов в графите колеблются в широких пределах от десяти до десятков тысяч ангстрем. [c.140]

    Атомные кристаллы (рис. 1.9, а) построены из нейтральных атомов, между которыми возникает ковалентная связь. Это весьма прочный тип связи ее энергия составляет (8—12). 10 кДж/моль. Кроме того, ковалентная связь отличается направленностью , что сообщает телам, обладающим такой структурой, очень большую твердость, высокую температуру плавления, малые испаряемость и растворимость, низкие тепло- и электропроводности. Таковы углерод (алмаз), бор, кремний и некоторые органические вещества. [c.37]

    Ниже остановимся только на полиморфных превращениях — фазовых переходах первого рода, связанных со структурными изменениями кристаллических веществ. На примере переходов модификаций углерода — алмаза и графита — и олова (элементы, расположенные в одной подгруппе Периодической системы) обсудим термодинамический, кинетический и структурный аспекты полиморфных превращений. [c.219]

    Рассмотрим явление полупроводимости для простейшего случая элементарных собственных полупроводников, которыми являются первые четыре р-элемента IVA-группы углерод (алмаз), кремний, германий и серое олово, кристаллизующееся по типу алмаза (табл. 13.12). [c.427]

    Сера и углерод алмаза реагируют по уравнению [c.26]

    Кристаллические решетки, в узлах которых находятся отдельные атомы, называют атомными. Атомы в таких решетках соединены между собой прочными ковалентными связями. Примером может служить алмаз — одна из модификаций углерода. Алмаз состоит из атомов углерода, каждый из которых связан с четырьмя соседними атомами. Координационное число углерода в алмазе равно 4. Структура алмаза приведена на рис. 84. В решетке алмаза, как и в решетке хлорида натрия, молекулы отсутствуют. Весь кристалл следует рассматривать как гигантскую макромолекулу. [c.105]

    Чем отличается структура кристаллов СН< от структуры кристаллов углерода (алмаза) Какие виды связей осуществляются в этих кристаллах Какие физические свойства характерны для этих веществ в кристаллическом состоянии  [c.83]

    ПОЛУПРОВОДНИКИ — вещества с электронной проводимостью, величина электропроводности которых лежит между электропроводностью металлов и изоляторов. Характерной особенностью П. является положительный температурный коэффициент электропроводности (в отличие от металлов). Электропроводность П. зависит от температуры, количества и природы примесей, влияния электрического поля, света и других внешних факторов. К П. относятся простые вещества — бор, углерод (алмаз), кремний, германий, олово (серое), селен, теллур, а также соединения — карбид кремния, соединения типа filmen (инднй — сурьма, индий — мышьяк, галлий — сурьма, алюминий — сурьма), соединения двух или трех элементов, в состав которых входит хотя бы один элемент IV—VII групп периодической системы элементов Д. И. Менделеева, некоторые органические вещества — полицены, азоаромати-ческие соединения, фталоцианин, некоторые свободные радикалы и др. К чистоте полупроводниковых материалов предъявляют повышенные требования, например, в германии контролируют примеси 40 элементов, в кремнии — 27 элементов и т. д. Тем не менее некоторые примеси придают П. определенные свойства и тип проводимости, а потому и являются необходимыми. Содержание примесей не должно превышать 10 —Ш %. П. применяются в приборах в виде монокристаллов с точно определенным содержанием примесей. Применение П. в различных отраслях техники, в радиотехнике, автоматике необычайно возросло в связи с большими преимуществами полупроводниковых приборов — они экономичны, надежны, имеют высокий КПД, малые размеры и др. [c.200]

    Высокомолекулярными соединениями являются и встречающиеся в природе различные модификации элементарного углерода (алмаз, графит, аморфный углерод). Поныне нет основания для определепия меры полимеризации угольной, графитной и алмазной частицы, только должно думать, что в них содержится Сп, где л — есть большая величина ,— писал Д. И. Менделеев. Это замечание сохраняет силу и сейчас. [c.15]

    Строение претерпевает коренные изменения. Меняются характер и число химических связей между атомами, резко возрастает или уменьшается концентрация электронов проводимости и т. д. Таковы процессы плавления углерода (алмаза), кремния и германия. [c.283]

    Если при атмосферном давлении или еще меньшем и при температуре порядка 900...1000 °С рассмотреть систему парообразный углерод—алмаз — графит, то изобарно-изотермические потенциалы их будут уменьшаться в таком же порядке. Значит, в атнх условиях из парообразного углерода должен выкристаллизоваться трафит, но с учетом правила ступеней может образоваться с какой-то степенью вероятности и алмаз. Чтобы происходило образование алмаза, следует осаждать атомы углерода на поверхность кристалла алмаза. При этом они будут находиться под влиянием силового поля кристаллической решетки, стремящейся продолжить ту укладку атомов, которая имеет место в кристаллах, находящихся в реакционной зоне. Иными словами, подложка вынуждает новые атомы углерода располагаться а определенном порядке — так называемый эпитаксиальный синтез. Практически эпитаксиальный синтез алмаза осуществляют разложением углеродсодержащих газов (метан, ацетилен и др.) при указанных выше давлениях и температурах над слоем мелких кристаллов алмаза. В этом случае происходит наращивание алмазных слоев на затравочных кристаллах. Опыты [c.141]

    Углерод. Широко известны две модификации твердого углерода алмаз и графит. [c.200]

    Некоторые вещества могут иметь несколько кристаллических форм. Это явление получило название полиморфизма. В природе существуют две кристаллические формы углерода — алмаз и графит, которые различаются строением кристаллической решетки и свойствами (рис. 11). Сера имеет две устойчивые кристаллические формы — ромбическую и моноклинную. [c.31]

    Углерод (алмаз) 3820 38 Стронций 1042 [c.237]

    П.м, по структуре делятся на кристаллич,, твердые аморфные и жидкие. Наиб, практич, применение находят неорг. кристаллические П.м., к-рые по хим. составу разделяются на след. осн. группы. Элементарные полупроводники Ge, Si, углерод (алмаз и графит). В, a-Sn (серое олово). Те, Se. Важнейшие представители этой группы-Ое и Si имеют кристаллич, решетку типа алмаза (алмазоподобны). Являются непрямозонными полупроводниками образуют между собой непрерывный ряд твердых р-ров, также обладающих полупроводниковыми св-вами. [c.58]

    Родий 12410 6 Углерод (алмаз) 3513 [c.245]

    Графит - одна из аллотропных форм углерода. Алмаз является другой формой и, кроме того, в литературе [.7 ] описываются свойства аморфного углерода, который внешне похож на гоафит. Графит имеет истинную плотность 2250 кг/м, аморфный углерод-1880кгЛр, алмаз - 3510 кг/м . Графитированные материалы весьма термостойки при температурах 3000 °С и выше в отсутствие окислителя среды, что делает их незаменимыми материалами в космической технике. [c.14]

    Характер распределения ССЕ в твердых телах позволяет разделить их по степени симметрии на кристаллические п аморфные нефтяные дисперсные структуры. Твердые нефтяные тела, в которых расположение соединений имеет дальний порядок, соответствующий периодическому повторению определенной архитектуры в трех измерениях, называют кристаллическими, а расположение соединений в них — кристаллической структурой. Порядок, свойственный расположению соединений внутри твердого тела, часто приводит к симметрии его внешне] ) формы. Например, кристаллы графита имеют гексагональную форму, в базисных плоскостях атомы расположены в углах шестиугольников, на расстоянии 0,142 нм, т. е. на таком же расстоянии, как и в молекулах бензола. Прочность связей углерода в базисной плоскости кристалла графита примерно в шесть раз выше, чем в атомах углерода, расположенных на двух плоскостях, находящихся на расстоянии 0,3345 нм. Кристаллы графита имеют высокую симметрию. Аналогично другая форма кристалла углерода — алмаз — образует куб. В узлах кристаллическо 1 решетки алмаза а-связи каждого атома углерода направлены к четырем соседним атомам. Теплота сгорания алмаза несколько выше, чем графита. В связи с этим осуществляется переход при нагреве алмаза в графит в термодинамически более устойчивое состояние, в результате чего формируется новая симметрия. Симметрия также свойственна таким твердым нефтяным телам, как парафины. Известны нефтяные твердые тела с ближним порядком расположения соединений, они являются не кристаллами, а крайне вязкими жидкостями. К ним относятся, например, битумы, пеки, остаточные крекинг-остатки и др. [c.165]

    В земно11 1 с ре содержится 0,023% углерода по массе. Природные неорганические соединения углерода — карбонаты. Их содержание в земной коре около 10 т. Много углерода в горючих ископаемых углях, нефти, торфе, сланцах и природных газах (около 10 т). Это ископаемые продукты разложения остатков растительного миро. Земли древнейших времен. Некоторые каменные угли — антрациты — содержат до 98% чистого углерода. Алмазы на Земле крайне ред- -и1. Крупные алмазы очень дорогие. Самый большой из найденных до сих пор алмазов — Куллинан массой 621,2 г. Графит встречается в природе в виде залежей, загрязненных минеральными примесями. В живых организмах находится в среднем 18% углерода по массе. [c.130]

    Полиморфизм — это способность вемкств существовать в виде двух или нескольких кристаллических структур. Примером полиморфизма являются аллотропные тформы углерода алмаз, графит и карбин. Графит имеет слоистую, карбин — цепную, а алма — координационную решетку. Разные кристаллические структурные формы вещества называют полиморфными модификациями. [c.95]

    Гибридные 5рЗ-орбитали атома углерода направлены к углам тетраэдра, поэтому, казалось бы, наиболее естественным сочетанием атомов этого элемента должна быть структура, состоящая из сцепленных тетраэдров, связи между которыми имеют чисто ковалентную природу и представляют собой сг-связи. Действительно, аллотропическая разновидность углерода — алмаз — построен именно так вокруг каждого атома углерода в алмазе имеется четыре других таких же атома, расположенных по углам тетраэдра на расстоянии 0,154 нм. Все валентные электроны распределены по связям, свободных электоров нет, л-связи, охватывающие несколько атомов, отсутствуют, поэтому алмаз является диэлектриком . Небольшое число внутренних электронов и небольшие размеры атома способствуют упрочению связей — алмаз обладает твердостью, превышающей твердость всех других веществ. [c.162]

    Обе кристаллические модификации углерод—алмаз и графит могут переходить друг в друга. При нагревании графита без доступа воздуха до 2500° С при давлении около 5-10 Па его двумерная кристаллическая решетка перестраивается в трехмерную решетку алмаза. Известно, что алмаз в принципе можно получить из метана СН4, а графит —из бензола СвНв, если атомы водорода в молекулах заменить на атомы углерода. Напрашивается вопрос нельзя ли получить кристаллическую модификацию углерода с линейным расположением атомов Решить эту проблему удалось советским исследователям А. М. Сладкову, В. В. Коршаку, Ю. П. Кудрявцеву и В. И. Каса-точкину. Они исходили из ацетилена С2Н2. В основных чертах процесс превращения ацетилена в одномерную модификацию углерода заключается в следующем. Газообразный ацетилен пропускается через раствор соли меди. Атомы меди замещают водород в молекулах С2Н2. Образовавшиеся ацетилениды меди окисляются водным раствором [c.306]

    Веселовский В. С. Углерод. Алмазы, графиты и угли. Методология их исследования,—ОНТИ НКТяжцром, 1936. [c.221]

    Явление полиморфизма очень распространено. Почти все вещества при известных условиях могут быть получены в разных модификациях. Общеизвестным примером полиморфизма являются три формы углерода алмаз, графит и карбин. Графит имеет слоистую, карбин-цепную, а алмаз — координационную решетку. Одна из модификаций хлорида аммония, существующая при обычной температуре, крист 1Л-лизуется в структурном типе СзС1 (к. ч. ионов 8), высокотемпературная модификация — в структурном типе МаС1 (к. ч. ионов 6). Несколько модификаций имеют 8102 и АЬОз. [c.128]

    П. широко распространен. Типичный пример — модификации углерода алмаз, лонсдейлит, графит. П. мол. кристаллов проявляется в разл. упаковке молекул, имеющих одинаковую структурную ф-лу переход от одной модификации к другой происходит без разрыва ковалентных связей, но конформация молекул может существенно изменяться (конформадионный П.). Известны полиморфные модификации, отличающиеся степенью упорядоченности. Напр., в высокотемпературной форме бензтиофена, существующей выше —11 С, в отличие от низкотемпературной молекулы статистически занимают четыре разл. положения. Особый вид П. связан со своб. вращением молекул или атомных группировок. Так, в кристаллах NH[c.464]

    П. широко распространен в самых разнообразных классах в-в. Типичный пример полиморфных форм-модификации углерода алмаз и лонсдейлит, в к-рых атомы объединены ковалентными связями в пространств, каркас графит, в структуре к-рого имеются слои наиб, прочно связанных атомов карбин, построенный из бесконечных линейных цепочек. Эти модификации резко различаются по св-вам В случае молекулярных кристаллов (в частности, орг. в-в) П. проявляется в разл. упаковке молекул, имеющих одинаковую структурную ф-лу здесь переход от одной модификации к другой осуществляется без разрыва ковалентных связей, но конформация молекул может существенно меняться (конформационный П.). [c.16]

    СД процессы применяют для вьщеления целевых продуктов из паровоздушных смесей (напр., фталевый и малеиновый ангидриды), получения новых в-в (техн. углерод, алмазы в виде монокристаллов или пленок и т.д.). [c.450]

chem21.info

Из чего состоит алмаз — из чего состоят алмазы. из какого вещества — 22 ответа



В разделе Естественные науки на вопрос из чего состоят алмазы. из какого вещества заданный автором Габит Айжариков лучший ответ это Из углерода.

Ответ от 22 ответа[гуру] Привет! Вот подборка тем с ответами на Ваш вопрос: из чего состоят алмазы. из какого веществаОтвет от шеврон[новичек]-Ответ от ыуари врып[новичек]Писец умники поскидывали из википедииОтвет от Просянка[гуру]Это обычный углерод сжатый до неимоверного состояния...Ответ от силосовать[гуру]Алмазы состоят из алмазов - это и есть название вещества.

И при этом - из чистого углерода, как химического элемента.

Ответ от АРТЁМ .[мастер]Алма́з (от араб. ألماس‎‎, ’almās,которое идёт через арабск. из др. -греч. ἀδάμας — «несокрушимый» ) — минерал, кубическая аллотропная форма углерода. При нормальных условиях метастабилен т. е. может существовать неограниченно долго. В вакууме или в инертном газе при повышенных температурах постепенно переходит в графит.Главные отличительные черты алмаза — высочайшая среди минералов твёрдость, наиболее высокая теплопроводность среди всех твёрдых тел 900—2300 Вт/(м·К) [2], большие показатель преломления и дисперсия. Алмаз является диэлектриком. У алмаза очень низкий коэффициент трения по металлу на воздухе — всего 0,1, что связано с образованием на поверхности кристалла тонких плёнок адсорбированного газа, играющих роль своеобразной смазки. Когда такие плёнки не образуются, коэффициент трения возрастает и достигает 0,5—0,55. Высокая твёрдость обусловливает исключительную износостойкость алмаза на истирание. Для алмаза также характерны самый высокий (по сравнению с другими известными материалами) модуль упругости и самый низкий коэффициент сжатия. Энергия кристалла составляет 105 Дж/г-ат, энергия связи 700 Дж/г-ат — менее 1 % от энергии кристалла.Температура плавления алмаза составляет 3700—4000 °C при давлении 11 ГПа. На воздухе алмаз сгорает при 850—1000 °C, а в струе чистого кислорода горит слабо-голубым пламенем при 720—800 °C, полностью превращаясь в конечном счёте в углекислый газ. При нагреве до 2000 °C без доступа воздуха алмаз переходит в графит за 15-30 минут [1]. Средний показатель преломления бесцветных кристаллов алмаза в жёлтом цвете равен примерно 2,417, а для различных цветов спектра он варьируется от 2,402 (для красного) до 2,465 (для фиолетового) . Способность кристаллов разлагать белый свет на отдельные составляющие называется дисперсией. Для алмаза дисперсия равна 0,063.Одним из важных свойств алмазов является люминесценция. Под действием солнечного света и особенно катодных, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей алмазы начинают люминесцировать — светиться различными цветами. Под действием катодного и рентгеновского излучения светятся все разновидности алмазов, а под действием ультрафиолетового — только некоторые. Рентгенолюминесценция широко применяется на практике для извлечения алмазов из породы.Большой показатель преломления, наряду с высокой прозрачностью и достаточной дисперсией показателя преломления (игра цвета) делает алмаз одним из самых дорогих драгоценных камней (наряду с изумрудом и рубином, которые соперничают с алмазом по цене) . Алмаз в естественном виде не считается красивым. Красоту придаёт алмазу огранка, создающая условия для многократных внутренних отражений. Огранённый алмаз называется бриллиантом.

Сингония кубическая, кристаллическая решётка — кубическая гранецентрированная, а = 0,357 нм = 3,57 Å , z = 4, пространственная группа Fd3m (по Герману — Могену) . Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии sp³-гибридизации. Каждый атом углерода в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома. Именно прочная связь атомов углерода объясняет высокую твёрдость алмаза.

Ответ от Дед* АБСЕНТ[гуру]графит, алмаз, сажа, каменный уголь, футболен- все из углеродаОтвет от Flying teapot[гуру]Из угляОтвет от DoToLLIa[активный]из углерода 🙂 №6 в таблице МенделееваОтвет от Михаил >SMK< Сурков[гуру]Алмазы состоят из углерода, так же как графит в ваших карандашах и каменный уголь.Ответ от Flopy Jopy[новичек]Графит с углеродомОтвет от Макс 007[новичек]лма?з (от др. -греч. ?????? — «несокрушимый», через араб. ??????? ’almas) — минерал, кубическая аллотропная форма углерода [1]. При нормальных условиях метастабилен, то есть может существовать неограниченно долго. В вакууме или в инертном газе при повышенных температурах постепенно переходит в графит [2].Самый крепкий по шкале эталонных минералов твёрдости Мооса. Главные отличительные черты алмаза — высочайшая среди минералов твёрдость (но в то же время хрупкость), наиболее высокая теплопроводность среди всех твёрдых тел 900—2300 Вт/(м·К) [3], большой показатель преломления и дисперсия. Алмаз является широкозонным полупроводником. У алмаза очень низкий коэффициент трения по металлу на воздухе — всего 0,1, что связано с образованием на поверхности кристалла тонких плёнок адсорбированного газа, играющих роль своеобразной смазки. Когда такие плёнки не образуются, коэффициент трения возрастает и достигает 0,5—0,55. Высокая твёрдость обусловливает исключительную износостойкость алмаза на истирание. Для алмаза также характерны самый высокий (по сравнению с другими известными материалами) модуль упругости и самый низкий коэффициент сжатия. Энергия кристалла составляет 105 Дж/моль, энергия связи 700 Дж/моль — менее 1 % от энергии кристалла.Температура плавления алмаза составляет 3700—4000 °C при давлении 11 ГПа [4]. На воздухе алмаз сгорает при 850—1000 °C, а в струе чистого кислорода горит слабо-голубым пламенем при 720—800 °C, полностью превращаясь, в конечном счёте, в углекислый газ. При нагреве до 2000 °C без доступа воздуха алмаз спонтанно за 15-30 минут переходит в графит и взрывообразно разрушается на мелкие части [5]. При температурах более 2000 K поведение термодинамических характеристик алмаза (теплоёмкость, энтальпия) с ростом температуры приобретает аномальный характер [6].Средний показатель преломления бесцветных кристаллов алмаза в жёлтом цвете равен примерно 2,417, а для различных цветов спектра он варьируется от 2,402 (для красного) до 2,465 (для фиолетового). Зависимость показателя преломления от длины волны называется дисперсией, а в геммологии этот термин имеет специальное значение, определяемое как разница показателей преломления прозрачной среды при двух определённых длинах волн (обычно для пар фраунгоферовых линий ?B=686,7 нм и ?G=430,8 нм или ?C=656,3 нм и ?F=486,1 нм) [7]. Для алмаза дисперсия DBG равна 0,044, а DCF=0,025[7].Одним из важных свойств алмазов является люминесценция. Под действием солнечного света и особенно катодных, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей алмазы начинают люминесцировать — светиться различными цветами. Под действием катодного и рентгеновского излучения светятся все разновидности алмазов, а под действием ультрафиолетового — только некоторые. Рентгенолюминесценция широко применяется на практике для извлечения алмазов из породы.

Большой показатель преломления, наряду с высокой прозрачностью и достаточной дисперсией показателя преломления (игра цвета), делает алмаз одним из самых дорогих драгоценных камней (наряду с изумрудом, рубином и александритом, которые соперничают с алмазом по цене). Алмаз в естественном виде не считается красивым. Красоту придаёт алмазу огранка, создающая условия для многократных внутренних отражений. Огранённый алмаз называется бриллиантом.

Алмаз на ВикипедииПосмотрите статью на википедии про Алмаз

22oa.ru

Семь обличий углерода

Важная область практического применения новейших открытий в области физики, химии и даже астрономии — создание и исследование новых материалов с необычными, подчас уникальными свойствами. О том, в каких направлениях ведутся эти работы и чего уже сумели добиться ученые, мы расскажем в серии статей, созданных в партнерстве с Уральским федеральным университетом. Первый наш текст посвящен необычным материалам, которые можно получить из самого обычного вещества — углерода.

Если спросить у химика, какой элемент самый важный, можно получить массу разных ответов. Кто-то скажет про водород — самый распространенный элемент во Вселенной, кто-то про кислород — самый распространенный элемент в земной коре. Но чаще всего вы услышите ответ «углерод» — именно он лежит в основе всех органических веществ, от ДНК и белков до спиртов и углеводородов.

Наша статья посвящена многообразным обличьям этого элемента: оказывается, только из его атомов можно построить десятки различных материалов — от графита до алмаза, от карбина до фуллеренов и нанотрубок. Хотя все они состоят из абсолютно одинаковых атомов углерода, их свойства радикально отличаются — а главную роль в этом играет расположение атомов в материале.

Графит

Чаще всего в природе чистый углерод можно встретить в форме графита — мягкого черного материала, легко расслаивающегося и словно скользкого на ощупь. Многие могут вспомнить, что из графита делаются грифели карандашей — но это не всегда верно. Часто грифель делают из композита графитовой крошки и клея, но встречаются и полностью графитовые карандаши. Интересно, но на карандаши уходит больше одной двадцатой всей мировой добычи естественного графита.

Чем необычен графит? В первую очередь, он хорошо проводит электрический ток — хотя сам углерод и не похож на другие металлы. Если взять пластинку графита, то окажется, что вдоль ее плоскости проводимость примерно в сто раз больше, чем в поперечном направлении. Это напрямую связано с тем, как организованы атомы углерода в материале.

Если посмотреть на структуру графита, то мы увидим, что она состоит из отдельных слоев толщиной в один атом. Каждый из слоев — сетка из шестиугольников, напоминающая собой соты. Атомы углерода внутри слоя связаны ковалентными химическими связями. Более того, часть электронов, обеспечивающих химическую связь, «размазана» по всей плоскости. Легкость их перемещения и определяет высокую проводимость графита вдоль плоскости углеродных чешуек.

Отдельные слои соединяются между собой благодаря ван-дер-ваальсовым силам — они гораздо слабее, чем обычная химическая связь, но достаточны для того, чтобы кристалл графита не расслаивался самопроизвольно. Такое несоответствие приводит к тому, что электронам гораздо сложнее перемещаться перпендикулярно плоскостям — электрическое сопротивление возрастает в 100 раз.

Благодаря своей электропроводности, а также возможности встраивать атомы других элементов между слоями, графит применяется в качестве анодов литий-ионных аккумуляторов и других источников тока. Электроды из графита необходимы для производства металлического алюминия — и даже в троллейбусах используются графитовые скользящие контакты токосъемников.

Кроме того, графит — диамагнетик, причем обладающий одной из самых высоких восприимчивостей на единицу массы. Это означает, что если поместить кусочек графита в магнитное поле, то он всячески будет пытаться вытолкнуть это поле из себя — вплоть до того, что графит может левитировать над достаточно сильным магнитом.

И последнее важное свойство графита — невероятная тугоплавкость. Самым тугоплавким веществом на сегодняшний день считается один из карбидов гафния с температурой плавления около 4000 градусов Цельсия. Однако если попытаться расплавить графит, то при давлениях около ста атмосфер он сохранит твердость вплоть до 4800 градусов Цельсия (при атмосферном давлении графит сублимирует — испаряется, минуя жидкую фазу). Благодаря этому материалы на основе графита используют, например, в корпусах ракетных сопел.

Алмаз

Многие материалы под давлением начинают менять свою атомарную структуру — происходит фазовый переход. Графит в этом смысле ничем не отличается от других материалов. При давлениях в сто тысяч атмосфер и температуре в 1–2 тысячи градусов Цельсия слои углерода начинают сближаться между собой, между ними возникают химические связи, а когда-то гладкие плоскости становятся гофрированными. Образуется алмаз, одна из самых красивых форм углерода.

Свойства алмаза радикально отличаются от свойств графита — это твердый прозрачный материал. Его чрезвычайно сложно поцарапать (обладатель 10-ки по шкале твердости Мооса, это максимум твердости). При этом электропроводность алмаза и графита отличается в квинтиллион раз (это число с 18 нулями).

Алмаз в горной породе

Wikimedia Commons

Этим определяется применение алмазов: большая часть добываемых и получаемых искусственно алмазов используется в металлообработке и других отраслях промышленности. Например, широко распространены точильные диски и режущие инструменты с алмазным порошком или напылением. Алмазные напыления используются даже в хирургии — для скальпелей. Об использовании этих камней в ювелирной промышленности хорошо известно всем.

Потрясающая твердость находит применение и в научных исследованиях — именно с помощью высококачественных алмазов в лабораториях изучают материалы при давлениях в миллионы атмосфер. Подробнее об этом можно прочитать в нашем материале «Путешествие к центру Земли».

Графен

Вместо того чтобы сжимать и нагревать графит, мы, следуя за Андреем Геймом и Константином Новоселовым, приклеим к кристаллу графита кусочек скотча. Затем отклеим его — на скотче останется тонкий слой графита. Повторим эту операцию еще раз — приложим скотч к тонкому слою и снова отклеим. Слой станет еще тоньше. Повторив процедуру еще несколько раз, мы получим графен — материал, за который вышеупомянутые британские физики получили Нобелевскую премию в 2010 году.

Графен представляет собой плоский монослой из атомов углерода, полностью идентичный атомарным слоям графита. Его популярность связана с необычным поведением электронов в нем. Они двигаются так, словно бы вовсе не обладают массой. В действительности, конечно, масса электронов остается все той же, что и в любом веществе. Во всем «виноваты» атомы углерода графенового каркаса, притягивающие заряженные частицы и образующие особенное периодическое поле.

Устройство на основе графена. На заднем плане фотографии — золотые контакты, над ними находится графен, выше — тонкий слой полиметилметакрилата

Engineering at Cambridge / flickr.com

Следствием такого поведения стала большая подвижность электронов — они перемещаются в графене гораздо быстрее, чем в кремнии. По этой причине многие ученые надеются, что основой электроники будущего станет именно графен.

Интересно, что у графена есть углеродные собратья — пентаграфен и фаграфен. Первый из них состоит из немного искаженных пятиугольных секций и, в отличие от графена, плохо проводит электрический ток. Фаграфен состоит из пяти-, шести- и семиугольных секций. Если свойства графена одинаковы во всех направлениях, то фаграфен будет обладать выраженной анизотропией свойств. Оба этих материала были предсказаны теоретически, но в реальности пока не существуют.

Углеродные нанотрубки

Представьте себе, что вы свернули небольшой кусочек графенового листа в трубку и склеили ее края. Получилась полая конструкция, состоящая из тех же самых шестиугольников атомов углерода, что и графен и графит, — углеродная нанотрубка. Этот материал во многом родственен графену — он обладает высокой механической прочностью (когда-то из углеродных нанотрубок предлагали строить лифт в космос), высокой подвижностью электронов.

Однако есть одна необычная особенность. Графеновый лист можно скручивать параллельно воображаемому краю (стороне одного из шестиугольников), а можно и под углом. Оказывается, от того, как мы скрутим углеродную нанотрубку, будут очень сильно зависеть ее электронные свойства, а именно: будет она больше похожа на полупроводник с запрещенной зоной или на металл.

Многослойная углеродная нанотрубка

Wikimedia commons

Когда углеродные нанотрубки наблюдались впервые, достоверно неизвестно. В 1950–1980-х года разные группы исследователей, занимавшихся катализом реакций с участием углеводородов (например, пиролиза метана), обращали внимание на продолговатые структуры в саже, покрывавшей катализатор. Сейчас, чтобы синтезировать углеродные нанотрубки только конкретного вида (конкретной хиральности), химики предлагают использовать специальные затравки. Это небольшие молекулы в виде колец, состоящих, в свою очередь, из шестиугольных бензольных колец. Про работы по их синтезу можно почитать, например, здесь.

Как и графен, углеродные нанотрубки могут найти большое применение в микроэлектронике. Уже сейчас созданы первые транзисторы на нанотрубках, превосходящие по своим свойствам традиционные кремниевые приборы. Кроме того, нанотрубки легли в основу транзистора с самым маленьким затвором в мире.

Карбин

Говоря о вытянутых структурах из атомов углерода, нельзя не упомянуть карбины. Это линейные цепочки, которые по оценкам теоретиков могут оказаться самым прочным материалом из возможных (речь идет об удельной прочности). К примеру, модуль Юнга для карбина оценивается в 10 гиганьютон на килограмм. У стали этот показатель в 400 раз меньше, у графена — по меньшей мере в два раза меньше.

Тонкая нить, тянущаяся к железной частице внизу — карбин

Wikimedia Commons

Карбины бывают двух типов, в зависимости от того, как устроены связи между атомами углерода. Если все связи в цепочке одинаковые, то речь идет о кумуленах, если же связи чередуются (одинарная-тройная-одинарная-тройная и так далее), то о полиинах. Физики показали, что нить карбина можно «переключать» между этими двумя видами путем деформации — при растяжении кумулен превращается в полиин. Интересно, что это радикально меняет электрические свойства карбина. Если полиин проводит электрический ток, то кумулен— диэлектрик.

Главная сложность в изучении карбинов — их очень сложно синтезировать. Это химически активные вещества, к тому же легко окисляющиеся. На сегодняшний день получены цепочки длиной лишь в шесть тысяч атомов. Чтобы достигнуть этого, химикам пришлось растить карбин внутри углеродной нанотрубки. Кроме того, синтез карбина поможет побить рекорд размера затвора в транзисторе — его удастся уменьшить до одного атома.

Фуллерены

Хотя шестиугольник — одна из самых стабильных конфигураций, которые могут образовывать атомы углерода, есть целый класс компактных объектов, где встречается правильный пятиугольник из углерода. Эти объекты называются фуллеренами.

В 1985 году Гарольд Крото, Роберт Кёрл и Ричард Смолли исследовали пары углерода и то, в какие фрагменты слипаются атомы углерода при охлаждении. Оказалось, что в газовой фазе есть два класса объектов. Первый — кластеры, состоящие из 2–25 атомов: цепочки, кольца и другие простые структуры. Второй — кластеры, состоящие из 40–150 атомов, не наблюдавшиеся ранее. За следующие пять лет химикам удалось доказать, что этот второй класс представляет собой полые каркасы из атомов углерода, наиболее устойчивый из которых состоит из 60 атомов и повторяет по форме футбольный мяч. C60, или бакминстерфуллерен, состоял из двадцати шестиугольных секций и 12 пятиугольных, скрепленных между собой в сферу.

Открытие фуллеренов вызвало большой интерес химиков. Впоследствии был синтезирован необычный класс эндофуллеренов  — фуллеренов, в полости которых находился какой-либо посторонний атом или небольшая молекула. К примеру, всего лишь год назад в фуллерен впервые поместили молекулу плавиковой кислоты, что позволило очень точно определить ее электронные свойства. 

Фуллериты — кристаллы фуллеренов

Wikimedia Commons

В 1991 году оказалось, что фуллериды — кристаллы фуллеренов, в которых часть полостей между соседними многогранниками занимают металлы, — это молекулярные сверхпроводники с рекордно высокой температурой перехода для этого класса, а именно 18 кельвин (для K3C60). Позднее нашлись фуллериды и с еще большей температурой перехода — 33 кельвина,  Cs2RbC60. Такие свойства оказались напрямую связаны с электронной структурой вещества.

Q-углерод

Среди недавно открытых форм углерода можно отметить так называемый Q-углерод. Впервые он был синтезирован американскими материаловедами из Университета Северной Каролины в 2015 году. Ученые облучали аморфный углерод с помощью мощного лазера, локально разогревая материал до 4000 градусов Цельсия. В результате примерно четверть всех атомов углерода в веществе принимала sp2-гибридизацию, то есть то же электронное состояние, что и в графите. Остальные атомы Q-углерода сохраняли гибридизацию, характерную для алмаза.

Q-углерод

ncsu.edu

В отличие от алмаза, графита и других форм углерода, Q-углерод оказался ферромагнетиком, таким как магнетит или железо. При этом его температура Кюри составила около 220 градусов Цельсия — только при таком нагреве материал терял свои магнитные свойства. А при допировании Q-углерода бором физики получили еще один углеродный сверхпроводник, с температурой перехода уже около 58 кельвинов.

***

Перечисленное — не все известные формы углерода. Более того, прямо сейчас теоретики и экспериментаторы создают и изучают новые углеродные материалы. В частности, такие работы ведутся в Уральском федеральном университете. Мы обратились к Анатолию Федоровичу Зацепину, доценту и главному научному сотруднику Физико-технологического института УрФУ, чтобы выяснить, как можно предсказывать свойства еще не синтезированных материалов и создавать новые формы углерода. Анатолий Зацепин работает над одним из шести прорывных научных проектов УрФУ «Разработка фундаментальных основ новых функциональных материалов на базе низкоразмерных модификаций углерода». Работа осуществляется с академическими и индустриальными партнерами России и мира.

Проект реализует Физико-технологический институт УрФУ — стратегическая академическая единица (САЕ) университета. От успеха исследователей зависят позиции университета в российских и международных рейтингах, прежде всего в предметных.

N + 1: Свойства углеродных наноматериалов очень сильно зависят от структуры и варьируются в широких пределах. Можно ли как-то заранее предсказать свойства материала по его структуре?

Анатолий Зацепин: Предсказать можно, и мы этим занимаемся. Существуют методы компьютерного моделирования, с помощью которых осуществляются расчеты из первых принципов (ab initio) — мы закладываем определенную структуру, моделируем и берем все фундаментальные характеристики атомов, из которых состоит эта структура. В результате получаются те свойства, которыми может обладать материал или новое вещество, которое мы моделируем. В частности, что касается углерода, мы сумели смоделировать новые модификации, не известные природе. Их можно создать искусственно.

В частности, наша лаборатория на физтехе УрФУ сейчас занимается разработкой, синтезом и исследованиями свойств новой разновидности углерода. Ее можно назвать так: двумерно-упорядоченный линейно-цепочный углерод. Такое длинное название связано с тем, что этот материал представляет из себя так называемую 2D-структуру. Это пленки, составленные из отдельных цепей углерода, причем в пределах каждой цепи атомы углерода находятся в одной и той же «химической форме» — sp1-гибридизация. Это придает совершенно необычные свойства материалу, в цепочках sp1-углерода прочность превышает прочность алмаза и других углеродных модификаций.

Когда мы формируем из этих цепочек пленки, получается новый материал, обладающий свойствами, присущими цепочкам углерода, плюс к тому совокупность этих упорядоченных цепочек формирует двумерную структуру или сверхрешетку на специальной подложке. Такой материал обладает большими перспективами не только благодаря механическим свойствам. Самое главное, что углеродные цепочки в определенной конфигурации можно замкнуть в кольцо, при этом возникают очень интересные свойства, такие как сверхпроводимость, а магнитные свойства таких материалов могут быть лучше, чем у существующих ферромагнетиков.

Задача остается в том, чтобы их реально создать. Наше моделирование показывает путь, куда двигаться.

Как сильно отличаются реальные и предсказанные свойства материалов?

Погрешность всегда существует, но дело в том, что расчеты и моделирование из первых принципов используют фундаментальные характеристики отдельных атомов — квантовые свойства. И когда на таком микро- и наноуровне из этих квантовых атомов формируются структуры, то ошибки связаны с существующим ограничением теории и тех моделей, которые существуют. Например, известно, что уравнение Шредингера точно можно решить только для атома водорода, а для более тяжелых атомов надо использовать определенные приближения, если мы говорим о твердых телах или более сложных системах.

С другой стороны — ошибки могут возникать за счет компьютерных вычислений. При всем этом грубые ошибки исключены, а точности вполне достаточно, чтоб предсказать то или иное свойство или эффект, которые будут присущ данному материалу.

Много ли материалов можно предсказать такими способами?

Если говорить об углеродных материалах, то тут много вариаций, и я уверен, что многое еще не исследовано и не открыто. В УрФУ есть все для исследования новых углеродных материалов, и впереди предстоит большая работа.

Мы занимаемся и другими объектами, к примеру, кремниевыми материалами для микроэлектроники. Кремний и углерод — это, кстати, аналоги, они находятся в одной группе в таблице Менделеева.

Владимир Королёв

nplus1.ru


Смотрите также