Каталог
  

Химическая формула графита и алмаза


Аллотропные вещества: алмаз и графит. Формула графита и алмаза.

Всем известны такие вещества, как графит и алмаз. Графит встречается повсюду. Например, из него делают стержни для простых карандашей. Графит - это вещество вполне доступное и дешевое. Но такое вещество, как алмаз, крайне отличается от графита. Алмаз - это самый дорогой камень, очень редкий и прозрачный, в отличие от графита. В это трудно поверить, но химическая формула графита совпадает с формулой алмаза. В данной статье мы разберем, как такое возможно.

Графит: история и свойства минерала

История графита насчитывает тысячи лет, поэтому точный год начала его применения установить крайне трудно. Графит знаменит тем, что хорошо проводит электрический ток. Кроме того, этот минерал является очень хрупким. Поэтому из него делают стержни для карандашей.

К химическим свойствам минерала можно отнести образование соединений включения со многими веществами, такими как соли и щелочные металлы. Минерал не растворяется в кислотах.

Формула графита - C, то есть он является одной из аллотропных модификаций знаменитого шестого элемента таблицы Менделеева - углерода.

Алмаз: история и свойства минерала

История алмаза очень необычна. Считается, что первый алмаз был найден в Индии. В то время человечество так и не смогло понять всю силу этого камня. Геологам было лишь известно, что этот камень очень твердый и прочный. До 15 века алмазы стоили намного меньше, чем изумруды и рубины. И только потом неизвестный ювелир в процессе работы с камнем придал ему красивую огранку, которую позже стали называть бриллиантовой. Вот тогда-то камень и показал себя во всей своей красе.

Главным образом алмазы используют в промышленности. Этот минерал самый прочный на всем свете, именно поэтому из него делают абразивы, резцы для обработки прочных металлов и многое другое.

Как нам уже известно, формула графита в химии - C, такую же формулу имеет и алмаз.

Различия между алмазом и графитом

Несмотря на то что минералы имеют схожие химические формулы, они резко отличаются друг от друга как внешним видом, так и с химической точки зрения.

Прежде всего, алмаз и графит имеют совершенно различную друг от друга структуру. Ведь графит состоит из сетки шестиугольников, тогда как алмаз имеет кубическую кристаллическую структуру. Хрупкость графита обуславливается тем, что связь между его слоями нарушить очень легко, его атомы спокойно отделяются друг от друга. Из-за этого графит легко поглощает свет, сам он очень темный, в отличие от алмаза.

Структура алмаза отличается тем, что один атом углерода окружен еще четырьмя атомами в виде четырехгранного треугольника или пирамиды. Каждый атом находится на одинаковом расстоянии друг от друга. Связь у атомов очень крепкая, именно поэтому алмаз является таким твердым и прочным. Еще одно свойство алмаза - это то, что он может проводить свет, в отличие от графита.

Странно ли, что формула графита совпадает с формулой алмаза, но при этом минералы совершенно разные? Нет! Ведь алмаз создается природой при огромном давлении, а затем очень быстром охлаждении, тогда как графит возникает при низком давлении, но очень высокой температуре.

Что такое аллотропные вещества?

Аллотропные вещества - это очень важное понятие в химии. Это основа основ, которая позволяет отличать вещества друг от друга.

В школе аллотропные вещества изучают на примере графита и алмаза, а также их различии. Итак, изучив различия алмаза и графита, можно сделать вывод, что аллотропия - это существование в природе двух и более веществ, которые различаются по своему строению и свойствам, но имеют схожую химическую формулу или относятся к одному химическому элементу.

Получение алмаза из графита

Формула графита - C - позволила ученым произвести множество опытов, вследствие чего были найдены аллотропные вещества графита.

Преподаватели рассказывают и школьникам, и студентам о том, как ученые пытались создать алмазы из графита. Эта история очень интересная и увлекательная, а еще она позволяет запомнить о существовании таких аллотропных веществ, как графит и алмаз, и об их различиях.

Некоторое время назад ученые пытались создать алмазы из графита. Они считали, что если формула алмаза и графита одинакова, то они смогут создать алмаз, ведь камень очень дорогой и редкий. Теперь мы знаем, что минерал алмаз появляется в природе при высоком давлении и мгновенном охлаждении. Поэтому ученые решили взорвать ѓрафит, тем самым создав нужные условия для образования алмаза. И на самом деле случилось чудо, после взрыва на графите образовались очень маленькие кристаллы алмаза.

Применение графита и алмаза

На сегодняшний день и графит, и алмаз используют главным образом в промышленности. Но примерно 10 % от всей добычи алмазов идет на ювелирное дело. Чаще всего из графита изготавливают карандаши, так как он очень хрупкий и ломкий, при этом оставляет следы.

4u-pro.ru

Основные химические свойства алмаза: его формула, технические и физические свойства

Алмаз по праву можно называть королем среди минералов. При его описании можно использовать только эпитет «самый», и не только в эстетических описаниях, но и в технических. Конечно, основную известность этот минерал получил благодаря своей ювелирной ценности, но процент из всех добытых камней из недр земли совсем невелик, порядка 10%. Остальные же камни используются практически во всех сферах промышленного производства. Можно с уверенностью сказать, что большинство людей на планете использовала инструменты либо приспособления, содержащие в себе алмазы.

Алмаз в своем составе содержит всего один элемент таблицы Менделеева – углерод, поэтому камень имеет простейшую химическую формулу: С. Стоит отметить, что полностью из углерода на земле представлен еще один материал – непрозрачный графит, он имеет такую же, как и алмаз формулу.

Самым твердым минералом считается алмаз. Согласно шкале Мооса 10 балов, и это является пределом шкалы твердости. Если сравнивать твердость, то алмаз в 1000 раз превышает показатели кварца. Стоит отметить что шкала Мооса создавалась на основе твердости алмаза. Нанести царапины на поверхность камня можно только используя второй. Но, есть у него и слабые стороны, его можно разбить, так как имеет достаточно большую степень раскалывания. Вот только раскалывается кристалл по строго определенным плоскостям.

Кристаллы различаются по своему строению:

  • октаэдр – самая распространенная в мире форма, он имеет 8 правильных треугольных грани;
  • ромбододекаэдр – имеет 12 ромбовидных граней;
  • кубической формы – встречаются довольно редко;
  • округлые алмазы – наиболее редкая форма.

Изначально алмаз считался как разновидность кварца, пока не выявили принадлежность минерала к горючим телам. Как ни парадоксально, но камень не выдерживает пропущенные через линзу лучи солнца, он попросту сгорает. Данное открытие впервые было обнаружено французом Лавуазье, он доказал что камень горит и выделяет углекислоту. Он первым представил химическую формулу алмаза. Это был настоящий фурор в науке конца XVIII века, никто себе и представить не мог что столь драгоценный камень собрат графита и угля. Именно он представил миру, что такое алмаз на самом деле.

Плотность алмаза не рекордна и составляет порядка 3,5 гр/см3, что тоже много. Например, у кварца показатель плотности равен 2,6 гр/см3, а у серебра 10,5 гр/см3. В химическом составе камня доля примесей составляет менее 1%, наиболее часто встречаются: железо, азот, кремний, водород, титан, кислород, марганец. Именно эти примеси непосредственно влияют на цвет кристалла.

Состав и строение кристалла позволяют ему быть устойчивым к воздействию щелочных и кислотных сред. Он не растворим даже в высококонцентрированной кислоте. Эта феноменальная особенность позволяет ему сохранять свою форму на протяжении миллионов лет. Однако есть и слабые стороны у бриллианта, он бессилен перед составами, в которых имеется сода и селитра (калиевая либо натриевая). Данная смесь просто сожжет минерал без остатка.

Еще одно интересное свойство алмаза это его гидрофобность. Он полностью отталкивает от себя воду, но в то же время прилипает к жиру. Это его особенность и стала способом поиска самоцветов в руде.

Термические характеристики

Температура плавления камня составляет порядка 4000°С. Но в среде с повышенным содержание кислорода температура горения составляет уже 800°С. Стоит отметить, поместив кристалл в бескислородную среду и нагреть его до температуры 2000–3000°С, он превращается в обычный графит.

У кристалла уникальная теплопроводность, именно эта характеристика вкупе с его твердостью обозначила его применение в различных деталях и инструментах в обработке различных материалов. Излишки тепла, возникающие во время работы, быстро отводятся, делая процесс работы более интенсивным.

Оптические характеристики

Уникальность и столь высокая цена алмаза на ювелирном рынке обусловлена двумя факторами: твердость и оптические характеристики. Ни у одного минерала на земле нет таких показателей. Показатель светопреломления составляет 2,41. Этот показатель основан на отклонении направления луча света в другой среде, где происходит резкое изменение скорости света.

Вкупе с высоким значением дисперсии, он имеет такое яркое свечение, а если направить на него пучок света, он отразится всеми цветами радуги. Ни один минерал, даже искусственно созданный, не обладает такими возможностями.

Происхождение и добыча алмазов

В современном мире мнения о происхождении алмазов расходятся, и нет никакой научно подтвержденной теории возникновения алмазов. Высказано большое количество предположений и мнений по этому поводу, но наиболее вероятной ученые считают магматическую теорию. В недрах земли на глубине порядка 150–200 км под высоким давлением (50–60 тыс. атмосфер) атомы углерода при высокой температуре (1000–1300°С ) получают особую кубическую кристаллическую решетку, или, попросту говоря, алмаз.

Различают несколько разновидностей алмазов:

  • Баллас – сферолиты кристалла шарообразной формы;
  • Борт – мелко и крупнозернистые, неправильной формы агрегаты алмаза;
  • Карбонадо – плотные или пористые агрегаты кристалла;
  • Якутит – алмаз темного окраса за счет обилия включений

Добыча драгоценных камней является очень затратным и технически сложным процессом, который даже на начальном этапе требует больших материальных вложений. Конечно, изначально самоцветы добывались на открытых площадках путем просеивания, но вскоре эти площадки истощились, и людям пришлось «копать глубже».

Породы, содержащие кристаллы так называемые кимберлитовые трубки, выносятся на поверхность при помощи направленного взрыва. Это технически сложный и опасный процесс. Затем руда поступает на дробильно-сортировочную станцию, где и происходит поиск и сортировка найденных минералов.

Встречаются кристаллы и внеземного (метеоритного) происхождения. Крупные метеориты, при падении, могут создавать алмазы, во время ударного метаморфизма, как, например, на севере Сибири в Попигайской астроблеме.

История алмазов

Сами алмазы имеют возраст в несколько миллионов лет, но вот в истории человека они появились тоже очень давно. Эта история не одного тысячелетия. Первые описания камня засвидетельствованы в Индии. Именно Индия считается первой кто начал добычу и торговлю алмазами на поток.

Постепенно кристаллы появились во всех цивилизованных странах, повсюду стали встречать упоминания необычного камня, о его магических свойствах и целебном действии. В древности еще не было способов огранки минерала, но уже тогда стали тщательно полировать и натирать его грани для придания блеска. Постепенно с развитием Промышленного производства стали доступны способы огранки. Впервые они начали обрабатываться в Европе в XVII веке.

Тот внешний вид бриллианта, который привычен нам, появился благодаря Марселю Толковскому в далеком 1919 году. С тех пор идеальная огранка минерала не потерпела никаких изменений в ювелирной промышленности.

Самые большие камни весом более 10 карат очень редко встречаются, и таким кристаллам принято давать имена и не дробить их. Самый большой самоцвет в мире «Куллинан» найденный в Африке в 1905 году весом в 3106 карат.

kamni.guru

Алмаз, графит и уголь

Алмаз, графит и уголь — состоят из однородных атомов графита, но имеют различные кристаллические решетки.

Алмаз, графит, уголь

Краткая характеристика: алмаз, графит и уголь

Кристаллические решетки графита не имеют прочных связей, они представляют собой отдельные чешуйки и как бы скользят друг по другу, легко отделяясь от общей массы. Графит часто используют в качестве смазки для трущихся поверхностей.

Уголь состоит из мельчайших частиц графита и таких же малых частиц углерода, находящегося в соединении с водородом, кислородом, азотом.

Кристаллическая решетка алмаза жесткая, компактная, обладает высокой твердостью.

Тысячелетиями люди даже не подозревали, что эти три вещества имеют что-то общее. Все это — открытия более позднего времени.

Графит серый, мягкий, жирный на ощупь  совсем не похож на черный уголь. Внешне он скорее напоминает металл. Алмаз — сверхтвердый, прозрачный, сверкающий, по внешнему виду совсем отличен от графита и угля, (подробнее: Как используют минералы).

Никаких признаков их родства не давала и природа. Месторождения угля никогда не соседствовали с графитом. В их залежах никогда геологи не обнаруживали сверкающих кристаллов алмаза.

Но время не стоит на месте. В конце XVII века флорентийским ученым удалось сжечь алмаз. После этого не осталось даже крохотной кучки золы. Английский химик Теннант через 100 лет после этого установил, что при сжигании одинаковых количеств графита, угля,  и алмаза образуется одинаковое количество углекислого газа. Этот опыт открыл истину.

Взаимопревращения алмаза, графита и угля

Сразу же ученых заинтересовал вопрос: а возможно ли превращение одной аллотропической формы углерода в другую? И ответы на эти вопросы были найдены. Оказалось, что алмаз полностью переходит в графит, если его нагреть в безвоздушном пространстве до температуры 1800 градусов .

Если через уголь пропускают электрический ток в специальной печи, то он превращается в графит при температуре 3500 градусов.

Превращение — графита или угля в алмаз

Труднее далось людям третье превращение — графита или угля в алмаз. Почти сто лет пытались осуществить его ученые.

Получить из графита алмаз

Первым был, видимо, шотландский ученый Генней. В 1880 году он начал серию своих опытов. Он знал, что плотность графита — 2,5 грамма на кубический сантиметр, а алмаза — 3,5 грамма на кубический сантиметр. Значит, надо уплотнить укладку атомов и получить из графита алмаз, решил он.

Он брал прочный стальной орудийный ствол, наполнял его смесью углеводородов, прочно закрывал оба отверстия и накаливал до красного каления. В раскаленных трубах возникало гигантское, по понятиям того времени, давление.

Не раз оно разрывало сверхпрочные орудийные стволы, как авиационные бомбы. Но все-таки некоторые выдержали весь цикл нагреваний. Когда они остыли, Генней нашел в них несколько темных, очень прочных кристаллов.

Я получил искусственные алмазы,

— решил Генней.

Искусственный алмаз
Способ получения искусственных алмазов

Через 10 лет после Геннея французский ученый Анри Муассон подверг стремительному охлаждению насыщенный углеродом чугун. Мгновенно застывшая поверхностная корка его, при остывании уменьшаясь в размерах, подвергала внутренние слои чудовищному давлению.

Когда затем Муассон растворял в кислотах чугунные ядрышки, он находил в них крохотные непрозрачные кристаллики.

Я нашел еще один способ получения искусственных алмазов!

— решил изобретатель.

Проблема искусственных алмазов

Спустя еще 30 лет, проблемой искусственных алмазов стал заниматься английский ученый Парсонс. В его распоряжении были гигантские прессы принадлежавших ему заводов. Он стрелял из пушки прямо в дуло другого оружия, но алмазов ему получить не удалось.

Впрочем, уже во многих развитых странах мира лежали в музеях искусственные алмазы разных изобретателей. И было выдано не мало патентов на их получение. Но в 1943 году английские физики подвергли скрупулезной проверке полученные искусственным путем алмазы.

И оказалось, что все они не имеют ничего общего с настоящими алмазами, кроме только алмазов Геннея. Они оказались настоящими. Это сразу же стало загадкой, остается загадкой и сегодня.

Превращение графита в алмаз

Наступление продолжалось. Во главе его встал лауреат Нобелевской премии американский физик Перси Бриджмен. Почти полвека занимался он усовершенствованием техники сверхвысоких давлений.

И в 1940 году, когда в его распоряжении оказались прессы, могущие создавать давление до 450 тысяч атмосфер, он начал опыты по превращению графита в алмаз.

Но осуществить это превращение он не смог. Графит, подвергнутый чудовищному давлению, остался графитом. Бриджмен понимал, чего не хватает его установке: высокой температуры.

Видимо, в подземных лабораториях, где создавались алмазы, играла роль и высокая температура. Он изменил направление опытов. Ему удалось обеспечить нагрев графита до 3 тысяч градусов и давление до 30 тысяч атмосфер. Это было уже почти то, что, как мы знаем теперь, необходимо для алмазного превращения.

Но и недостающее «почти» не позволило Бриджмену достичь успеха. Честь создания искусственных алмазов досталась не ему.

Первые искусственные алмазы

Первые искусственные алмазы были получены английскими учеными Бэнди, Холлом, Стронгом и Вентроппом в 1955 году. Они создавали давление в 100 тысяч атмосфер и температуру в 5000 градусов.

В графит добавляли катализаторы — железо, ром, марганец и т. д. И на границе графита и катализаторов возникли желто-серые непрозрачные кристаллы технических искусственных алмазов. Что ж, алмаз идет не только на брилианты, он используется и на заводах, и на фабриках.

Впрочем, несколько позже американские ученые нашли способ получать и прозрачные кристаллы алмаза. Для этого грант подвергают давлению в 200 тысяч атмосфер, а затем электрическим разрядом нагреванию до температуры 5 тысяч градусов.

Кратковременность разряда — он длится тысячные доли секунды — оставляет установку холодной, и алмазы получаются чистыми и прозрачными.

Создание искусственных алмазов

Советские ученые пришли к созданию искусственных алмазов своим путем. Советский физик О.И. Лейпунский провел теоретические исследования и заранее установил те температуры и давления, при которых возможно алмазное превращение графита.

Цифры эти в те годы — это было в 1939 году — показались удивительными, стоящими за границами достижимого для современной техники: давление не менее 50 тысяч атмосфер и температура 2 тысячи градусов. И все-таки, за стадией теоретических расчетов пришла пора создания опытных конструкций, а затем и промышленных установок. И сегодня  работают многочисленные устройства, выпускающие искусственные алмазы и другие, еще более твердые вещества. Высшее достижение природы в твердости материала не только достигнуто, но уже и перекрыто.

Такова история открытия третьего превращения углерода, самого важного для современной техники.

Как алмаз возник в природе

Но что осталось самого удивительного в алмазном превращении углерода? То, что ученые до сих пор не понимают, как алмаз возник в природе!

Известно, что единственным коренным месторождением алмазов являются кимберлитовые трубки. Это глубокие цилиндрические колодцы диаметром в несколько сот метров, заполненные синей глиной — кимберлитом, с которой вместе и были вынесены на поверхность земли драгоценные камни.

Обработанный алмаз

Гипотеза глубинного рождения алмазов

Наиболее ранней была гипотеза глубинного рождения алмазов. Согласно этой гипотезе, сверкающие кристаллы выделились из расплавленной магмы на глубине около 100 километров, а затем вместе с магмой по трещинам и разломам медленно поднимались к поверхности.

Ну а с глубины в 2—3 километра магма прорывала земную кору и вырывалась на поверхность, образуя кимберлитовую трубку.

Взрывная гипотеза

На смену этой гипотезе пришла другая, вероятно, ее следует назвать взрывной гипотезой. Ее выдвинули Л. И. Леонтьев, А. А. Кадемекий, В. С. Трофимов. По их мнению, алмазы возникают на глубине всего 4—6 километров от земной поверхности.

А требующееся для возникновения алмазов давление создается взрывом, вызванным некоторыми взрывчатыми веществами, проникшими в занимаемые магмой полости из окружающих осадочных пород. Это могут быть нефть, битумы, горючие газы. Авторы гипотезы предложили несколько вариантов химических реакций, в результате которых образуются взрывчатые смеси и возникает свободный углерод.

Эта гипотеза объясняла и высокую температуру, требующуюся для алмазного превращения, и гигантское давление. Но не все особенности кимберлитовых трубок она объясняла. Очень легко было доказать, что породы кимберлитовой трубки образовались при давлении, не превышающем 20 тысяч атмосфер, но невозможно доказать, что они возникли при более высоком давлении.

Сегодня геофизики достаточно точно установили, для каких пород требуются те или иные давления и температуры образования. Скажем, постоянный спутник алмаза — минерал пироп — требует 20 тысяч атмосфер, алмаз — 50 тысяч. Большее, чем для пиропа, и меньшее, чем для алмаза, давление требуют коэсит, стишовит, пьезолит.

Но ни этих, ни других пород, требующих для своего образования столь высоких давлений, в кимберлите нет. Единственное исключение здесь — алмаз. Почему это так? Ответить на этот вопрос решил доктор геолого-минералогических наук Э. М. Галымов.

Почему, спросил он себя, давление в 50 тысяч атмосфер должно быть обязательно свойственно всей массе магмы, в которой творятся алмазы? Ведь магма — поток. В ней возможны и вихри, и быстрины, и гидравлические удары, и пузырьки возникающей местами кавитации.

Гипотеза рождения алмаза в режиме кавитации

Да, именно кавитация! Это удивительно неприятное явление, несущее не мало бед гидравликам! Кавитация может возникнуть на лопастях гидравлической турбины, если она хоть чуть-чуть вышла за границы рассчитанного режима. Такая же беда может постичь и лопасти гидравлического насоса, перешедшего на форсированный режим.

Кавитация может разрушить и лопасти пароходного винта, словно бы надорвавшегося в борьбе за скорость. Она губит, разрушает, разъедает. Да, это точнее всего: разъедает! Сверхпрочные стали, блиставшие зеркальной полировкой поверхностей, превращаются в рыхлую пористую губку.

Словно тысячи крохотных беспощадных и жадных ртов рвали по крохам металл в том месте, где его изгрызла кавитация. Да еще ртов, которым «по зубам» легированный металл, от которого отскакивает напильник! Не мало аварий турбин и насосов, гибели пароходов и теплоходов произошло из-за наличия кавитации. И ста лет не прошло, как разобрались, что же это такое — кавитация.

А действительно, что же это такое? Представим поток жидкости, движущейся в трубе переменного сечения. Местами, в сужениях, скорость течения растет, местами, там, где поток расширяется, скорость течения падает. Одновременно, но по обратному закону изменяется давление внутри жидкости: там, где вырастает скорость, резко падает давление, а там, где скорость уменьшается — давление растет.

Этот закон обязателен для всех движущихся жидкостей. Можно представить, что при некоторых скоростях давление падает до той величины, при которой жидкость закипает, и в ней возникают пузырьки пара. Со стороны кажется, что жидкость в месте кавитации начала кипеть, ее заполняет белая масса крохотных пузырьков, она становится непрозрачной.

Вот эти-то пузырьки и являются главной бедой при кавитации. Как рождаются и как умирают кавитационные пузырьки, еще недостаточно изучено. Неизвестно, заряжены ли внутренние их поверхности. Неизвестно, как ведет себя вещество паров жидкости в пузырьке. А Галымову было поначалу неизвестно, могут ли вообще возникнуть кавитационные пузырьки в магме, заполняющей кимберлитовую трубку.

Ученый произвел расчеты. Оказалось, что кавитация возможна при скоростях течения магмы, превышающих 300 метров в секунду. Такие скорости легко получить для воды, но может ли течь с такой же скоростью тяжелая, густая, вязкая магма? Снова расчеты, расчеты и долгожданный ответ: да, может! Для нее возможны скорости и в 500 метров в секунду.

Дальнейшие расчеты должны были выяснить, будут ли достигаться в пузырьках требующиеся величины температуры и давления — 50 тысяч атмосфер давления и 1500 градусов температуры. И эти расчеты дали положительные результаты.

Средняя величина давления в пузырьке в момент охлопывания достигала миллиона атмосфер! А максимальное давление может быть в десять раз больше. Температура же в этом пузырьке имеет величину в 10 тысяч градусов. Что и говорить, условия далеко перешагнули через предельные для алмазного превращения.

Скажем сразу, условия, которые создает кавитационный пузырек для зарождения алмаза, очень своеобразны. Помимо температур и давлений, по временам возникающих в крохотных объемах этих пузырьков, там проносятся ударные волны, сверкают удары молний — вспыхивают электрические искры.

Звуки вырываются за пределы узкого участка жидкости, охваченного кавитацией. Соединяясь, они воспринимаются как своеобразное гудение, подобное тому, которое доносится из закипающего чайника. Но именно такие условия являются идеальными для зарождающегося алмазного кристалла. Поистине, его рождение происходит в грозе и молниях.

Можно упрощенно и опуская многие детали представить происходящее внутри кавитационного пузырька. Вот повысилось давление жидкости, и кавитационный пузырь начинает исчезать. Двинулись к центру его стенки, и от них сразу же отрываются ударные волны. Они движутся в ту же сторону к центру.

Не надо забывать об их особенностях. Во-первых, они движутся со сверхзвуковой скоростью, во-вторых, за ним остается крайне возбужденный газ, у которого резко поднялись и давление, и температура.

Да, это та же самая ударная волна, что движется по куску горящего тола и превращает мирно горение в яростный, всесокрушительный взрыв. В центре пузырька ударные волны, бегущие с разных сторон, сходятся. При этом плотность вещества в этой точке схождения превосходит плотность алмаза.

Трудно сказать, какую форму там приобретает вещество, но оно начинает расширяться. При этом ему приходится преодолевать противодавление, измеряемое миллионами атмосфер. За счет этого расширения оказавшееся в центре пузырька вещество охлаждается с десятков тысяч градусов всего до тысячи градусов.

И родившийся в первые мгновения расширения зародыш кристалла алмаза сразу попадает в область температур, при которых ему уже не грозит превращение в графит. Мало того, новорожденный кристаллик начинает расти.

Таково, по Галымову, таинство рождения редчайшего из творений природы и драгоценнейшего для современной техники кристалла, одного из аллотропных состояний того самого элемента, которому обязана своим существованием жизнь на нашей планете. Но это совершенно другая сторона в судьбе углерода, которому обязаны своим существованием алмаз, графит и уголь.

(4 оценок, среднее: 4,75 из 5) Загрузка...

libtime.ru

Химическая формула алмаза и графита. Что такое аллотропные вещества? Атомные и молекулярные формы углерода

О существовании драгоценных камней алмазов известно практически каждому человеку. А еще известны факты о необычайной твердости вещества, поэтому формула алмаза интересует многих людей, особенно из-за его необычных свойств.

Алмаз является одним из признаков богатства, камень могут позволить приобрести только обеспеченные люди, поскольку или их ограненных вариантов - бриллиантов - доходит до нескольких тысяч долларов. По составу или формуле минералы являются не чем иным, как обычным углеродом.

Драгоценный камень и графит имеют структуры сдвига, которые представляют их разнообразные свойства, и оба являются чистым углеродом. Однако частицы графита соединяются с тремя атомами углерода и связаны с пластинами, которые параллельны друг другу. Частицы алмаза входят в четыре атома углерода в рамке драгоценного камня. Изучим структуру и использование алмазов и графитов в целом.

Говорят, что все атомы углерода алмаза обладают сильными химическими связями с четырьмя другими атомами углерода, что делает идеальную структуру тетраэдра и на всем кристалле. Следовательно, Алмаз образует трехмерную сеть сильных ковалентных связей. Использование и применение. Он используется для изготовления инструментов, которые используются для шлифовки, резки, сверления и т.д. алмаз используется при производстве нитей из вольфрамов, используемых для лампочек. Алмазы используются большинством хирургов при удалении катаракты из глаз в качестве высокоточного инструмента.

  • Известно, что алмаз является самым твердым веществом на Земле.
  • Используется при изготовлении ювелирных изделий.
Структура графита и его использование.

Кристаллическая решетка алмаза и графита

Именно углерод, он же карбон, или известный из школы элемент таблицы Менделеева, который записывается, как C, входит в состав алмаза. Атомный номер вещества равняется шести. Больше никаких примесей в структуре камня нет. Поэтому формула бриллианта или алмаза не имеет схематической записи, только пространственную запись, состоящую из атомов углерода.

Говорят, что все атомы углерода в графите имеют устойчивые химические связи с другими тремя атомами углерода, что делает листы похожими на проволоку для курицы; слабая форма сил быстро удерживает лист. Когда вы сочиняете карандаш на бумаге, эти листы скользят отдельно, чтобы удалить графитовые фигуры в качестве дефекта на бумаге. Кольца имеют много слоев частиц. Графитовый порошок используют в качестве смазки в виде дисперсионного материала или порошка. Он используется в производстве электродов углерода, используемых в электролизерах, поскольку он является отличным проводником электричества. Он используется при изготовлении графитовых тиглей, поскольку он обладает высокими температурами плавления.

  • Графит широко используется в свинцовых карандашах.
  • Он широко используется в моделях и модераторах.
На Земле так много разных видов минералов.

Углерод является одним из четырех макроэлементов, которые входят в состав человеческого организма. А также это вещество составляло газовое облако, из которого образовывались планеты и космические системы. В большом количестве углерод представлен именно в коре Земли. Поэтому неудивительно, что такой красивый минерал, как алмаз состоит из этого элемента.

Самые интересные минералы среди них - графит и алмаз. Рассматривая их химические свойства, они оба состоят из углерода. Их химия является одним из самых важных сходств, которые у них есть. Мало того, что оба этих минерала добываются в промышленных целях и могут быть воспроизведены искусственно. Оба эти минерала очень твердые и имеют высокую температуру плавления, что делает их очень трудными для сжигания. Хотя оба эти минерала химически одинаковы по составу, они различны в физическом и в других аспектах.

Эти виды минералов с такими характеристиками называются полиморфами. Это означает, что их химический состав один и тот же, но другие аспекты в их характеристиках отсутствуют. Просто взглянув на них, вы можете сразу и легко увидеть различия. Вам не обязательно быть экспертом, чтобы определить, что еще не стоит. Они очень отличаются от того, что вы никогда не заметите, что у обоих из них есть одни и те же химические компоненты. Одним из наиболее распространенных измерений, используемых для идентификации их различий, является шкала твердости Мооса.

Но перед тем как переходить к рассмотрению внешнего вида алмаза, важно знать, что каждое вещество на планете имеет свое пространственное строение, состоит из атомов и молекул. В роли атомов в данном случае выступает углерод. Он располагается в пространстве под разными углами, и получаются аллотропные модификации. Поэтому, кроме алмазов, из углерода состоят такие вещества, как:

Шкала твердости Мооса используется для определения твердости минералов. Твердость измеряется в масштабе от 1 до 10, 1 является самым мягким, а 10 - самым сложным. Появление графита, с самого начала, более металлическое и непрозрачное. Графит промышленно используется в качестве карандашного угля. В шкале Мооса графит имеет твердость от 1 до 2 по шкале Мооса. Значит, графит попал в категорию слабых металлов. Тем не менее, графит может проводить электричество, потому что он связан с тремя другими атомами углерода, что позволяет ему свободно перемещаться вокруг зарядов.

  • графит;
  • карбин;
  • лонсдейлит;
  • фуллерен;
  • уголь;
  • сажа;
  • графен;
  • нанотрубки углеродные.

Формула одинаковая. Казалось бы, что по внешним признакам никакого сходства между черным углем или графитом и алмазом нет, но по составу эти вещества идентичны.

Химические свойства и структура вещества

Аллотропные модификации возможны, потому что существуют разные способы гибридизации электронов атома. Углерод состоит из 6 электронов, которые находятся на 2 энергетических уровнях: на первом - 2 S-электрона, на втором - 2 S-электрона и 2 P-электрона. При возбуждении атома происходит перемещение 1 электрона на другой подуровень. Таким образом строение атомов меняется и они приобретают форму тетраэдра.

Графит не поврежден. Бриллианты, с другой стороны, используются как ценные свойства для людей. Эти минералы заметно прозрачны и ярки. В шкале Мооса алмазы имеют твердость 10, что делает ее бесспорным самым сложным минералом в мире. Атомы в алмазе тесно связаны друг с другом, и это точная причина, по которой он стал самым трудным среди всего остального.

Сходство как алмаза, так и графита не может быть легко замечено, поскольку оно больше связано с химическим аспектом. Различия, которые вы заметите между ними, - это не простые различия, а очевидные существенные различия. Просто помните, что когда вы видите тусклый объект, называемый карандашом, это графит. Если вы видите сверкающую вещь, которая, кажется, стоила от ста до миллиона долларов, это должен быть бриллиант.

Если говорить о связях между атомами, то они бывают разными, в зависимости от формы гибридизации. Между собой атомы углерода образуют либо сигма-связи (ковалентные) или пи-связи. Оба варианта связей являются ковалентными, но сигма-связи прочнее.

Алмазы, найденные в природе, могут иметь разную форму и внешний вид, но кристаллическая решетка и химические свойства всегда будут одинаковыми. Кристаллическая решетка выглядит, как тетраэдр, на вершинах которого находятся атомы углерода. Связи между атомами - по типу сигма. Именно этим фактом и обусловлена колоссальная твердость вещества. Атомы в вершинах тетраэдров образуют центры новых тетраэдров. Решетка минерала имеет кубическую симметрию.

Графит более металлический и непрозрачный, а алмазы заметно прозрачны и блестят. Алмаз - самый твердый минерал; он имеет 10 баллов в шкале Мооса, в то время как графит набрал 1 к 2 в соответствии с шкалой твердости Мооса. Графит можно использовать в качестве карандашого древесного угля, в то время как алмаз можно использовать как очень ценное свойство.

Ученые добавили несколько слоев графена - одноатомные листы графита - к металлической подложке и выставили самый верхний слой водороду. К их удивлению, реакция на поверхности вызвала эффект домино, который изменил структуру всех графеновых слоев от графитоподобного до алмазоподобного.

А вот графит имеет другое химическое строение решетки. В ней прочные только плоскостные связи, а пространственные соединения между атомами не такие надежные. Это объясняется свободными электронами в атомах. Зато у графита хорошая электропроводность из-за свободных электронов.

Если говорить о решетках, то стоит отметить, что по отношению к алмазам не используется молекулярный тип строения, поскольку в основе вещества лежат именно атомы. Молекула углерода практически не встречается в природе. Она обнаруживается только в фуллеренах, где располагается в виде многогранников. По своей структуре молекула фуллерена напоминает футбольный мяч, сложенный из шестиугольников. На сегодня молекула фуллерена представлена формулами от С60 до С540, где число обозначает количество атомов углерода в молекуле.

Графит и алмаз представляют собой две формы одного и того же химического элемента - углерода. Однако их свойства не могли быть более разными. В графите атомы углерода расположены в плоских листах, которые могут легко скользить друг против друга. Эта структура делает материал очень мягким и его можно использовать в таких изделиях, как карандаш.

С другой стороны, в алмазе атомы углерода сильно связаны во всех направлениях; поэтому алмаз чрезвычайно тяжелый. Помимо механической прочности, его необычные электрические, оптические и химические свойства вносят вклад в большую ценность алмаза для промышленного применения.

Качества минерала и его добыча

Как образовалась такое вещество, как алмаз, ученые до сих пор не выяснили, и химическая формула алмаза не прояснила ситуацию. Есть несколько теорий, в частности, теория космического происхождения или гипотеза подъема магматических пород вместе с карбоном на поверхность земли. Добывают алмазы в кимберлитовых или лампроитовых трубках. А характеристики элемента выделяют такие:

Ученые хотят понять и контролировать структурный переход между различными углеродными формами, чтобы избирательно трансформировать один в другой. Один из способов превратить графит в алмаз - это давление. Теперь альтернативный способ, который работает на наномасштаб, находится в пределах досягаемости. «Наше исследование показывает, что гидрирование графена может стать новым путем синтеза ультратонких алмазоподобных пленок без давления», - говорит Кайя.

Для их экспериментов исследователи загрузили платиновую подложку с четырьмя листами графена и добавили водород к самому верхнему слою. Они обнаружили, что связывание водорода инициирует эффект домино, причем структурные изменения распространяются с поверхности образца через все углеродные слои под ним, превращая исходную графитоподобную структуру плоских углеродных листов в расположение атомов углерода, напоминающее алмаз.

  • Абсолютная твердость среди минералов. По шкале Мооса алмаз занимает первое место. Это значит, что поцарапать камень нельзя ни одним веществом, а сам алмаз поцарапает любой другой элемент, хотя камень обладает большой хрупкостью.
  • Алмаз имеет хорошие изоляционные свойства.
  • Минерал стойкий к воздействию кислот.
  • Алмаз имеет интересную кривую температур плавления. Камень с доступом кислорода горит при 800-1000 градусах Цельсия синим пламенем. А без доступа воздуха температура плавления составляет 4000 градусов, после чего вещество переходит в графит. Обратный процесс превращения графита в алмаз невозможен.
  • - 20-24 Вт, поэтому камень не будет нагреваться в руках. Это самый простой способ проверить настоящий алмаз или нет.
  • Алмаз знаменит своей люминесценцией, то есть игрой света.

Первоначальная цель эксперимента заключалась в том, чтобы увидеть, может ли добавление водорода изменить свойства графена таким образом, чтобы его можно было использовать в транзисторах, фундаментальном строительном блоке электронных устройств. Вместо этого ученые обнаружили, что связывание водорода привело к образованию химических связей между графеном и платиновым субстратом.

В будущих исследованиях будет исследован полный потенциал гидрированного малоуглового графена для применения в науках о материалах. Будет особенно интересно определить, можно ли выращивать алмазоподобные пленки на других металлических подложках с использованием графена различной толщины.

Аллотропные модификации углерода

Камень, кроме углерода, не должен содержать ничего. Но в природе такое явление встречается нечасто. В составе алмазов попадается много примесей, которые портят внешний вид камня. Примеси снижают стоимость материала, иногда от них можно избавиться с помощью огранки минерала.

Ведется на разработанных участках. Страны-добытчики:

Департамент энергетики. Для получения дополнительной информации, пожалуйста, посетите. Характерный химический состав и кристаллическая структура алмаза делают его уникальным членом минерального царства. Алмаз - единственный камень из одного элемента: он обычно составляет около 95 процентов углерода. Другие 05 процентов могут включать один или несколько микроэлементов, которые являются атомами, которые не являются частью основной химии алмаза. Некоторые микроэлементы могут влиять на его цвет или форму кристалла.

Независимо от того, являются ли они мокрыми или грубыми, и какими бы ни были их формы, все бриллианты имеют одинаковый химический состав и внутреннюю кристаллическую структуру. Способ формирования минеральных форм помогает определить его личность. Алмаз образует в условиях высокой температуры и давления, которые существуют только в пределах определенного диапазона глубин под земной поверхностью. Кристаллическая структура алмаза изометрична, что означает, что атомы углерода связаны по существу одинаково во всех направлениях.

  1. Австралия.
  2. Россия.
  3. Индия.

Определение наличия алмазов ведется с помощью рентгеновских лучей. Самый большой по размерам камень был обнаружен в ЮАР, его вес составлял больше 3 тысяч карат. Не все камни проходят оценку геммологами из-за наличия примесей или дефектов структуры. Большая часть минералов идет на потребности промышленности и изготовление алмазной крошки. Среди промышленных видов сырья выделяют три варианта:

Другой минерал, графит, также содержит только углерод, но его процесс образования и кристаллическая структура сильно различаются. В результате графит настолько мягкий, что вы можете писать с ним, в то время как алмаз настолько тяжелый, что вы можете поцарапать его другим алмазом.

Самая распространенная форма для алмаза алмаза с бриллиантом - это октаэдр, который выглядит как две пирамиды спина к спине. Кристаллы, которые почти идеальны по форме и прозрачности, называются стеклянными. Без какого-либо из этих факторов алмаз может быть просто еще одним минералом. Однако, к счастью, эта специальная комбинация химического состава, кристаллической структуры и процесса образования дает алмазам качества, которые делают их экстраординарными.

  • борт - мелкие минералы, непригодные к обработке;
  • баллас;
  • карбонадо - , приобретающие такой оттенок из-за примесей железа или сульфидов.

Искусственные аналоги

Изготовление искусственных алмазов - непростая задача, поскольку сформировать самые прочные сигма-связи между атомами карбона непросто. Аллотропные модификации могут переходить одна в другую, но при условии разрушения связей, а не построения новых. Активно используется формула графита при добыче алмазов в лабораториях. Но чаще заменяют искусственные алмазы фианитами или кристаллами, которые вырастить проще в условиях лаборатории.

Алмаз - также драгоценный камень, который отмечает 60-ю и 75-ю годовщину свадьбы. Единственный способ разбить золото на более мелкие компоненты - это ядерные реакции, которые изменяют количество протонов и электронов, положительно и отрицательно заряженных частиц внутри атомов золота. Золото характеризуется наличием79 протонов и в его элементальном или незаряженном состоянии также имеет 79 электронов. В своем наиболее распространенном изотопе золото имеет 118 нейтронов. Золото обычно встречается в природе в очень малых количествах, смешанных с типом породы, называемой рудой, но также может быть обнаружено в речных руслах.

Существует несколько способов получения , правда, они чаще используются в промышленных, а не ювелирных целях. Среди них:

  • HPHT тип. Алмаз производится с помощью специальных приборов, которые создают условия, близкие к природным. А это огромное давление и воздействие высоких температур. Кристаллические связи получаются из графита, который оседает на стенках затравочного алмаза.
  • CVD тип. Использование паров метана для получения алмаза. Это химический способ, который также включает использование графитовых остатков.
  • Взрывной синтез, в результате которого образуется алмаз.

В ювелирной отрасли использовать такие алмазы рано ввиду их низкого качества. Сами способы нельзя назвать массовыми или дешевыми, поэтому разработки в этом направлении продолжаются. Алмазы имеют простое химическое строение, наверное, в этом и заключается их красота. В камнях не присутствует ничего лишнего, и это заставляет ученых интересоваться структурой минерала. Сейчас, когда свойства алмаза изучены на достаточном уровне, ученые пытаются повторить и воспроизвести действия природы.

Добыча золота с земли объясняется на следующих сайтах. Элемент углерода входит в три различные природные формы или аллотропы: алмаз, графит и аморфный. Хотя каждая из этих форм полностью состоит из углерода, атомы углерода организованы и связаны по-разному, создавая уникальные свойства для каждого. Алмазы - самое сложное природное вещество, известное нам. Графит отличается от алмазов тем, что атомы углерода связаны с плоскими листами, создавая черное, скользкое вещество, которое является одним из самых мягких веществ, известных человеку.

Графит - это то, из чего сделан карандашный свинец. Аморфный углерод, иначе известный как сажа, образуется, когда материал на основе углерода горит или сгорает, без достаточного количества кислорода, чтобы полностью преобразовать его в углекислый газ.

Про алмаз можно без преувеличений сказать, что это популярнейший драгоценный камень в мире. Он же - самый прочный из всех самоцветов. Кристаллическая решётка алмаза благодаря своему особому строению придаёт минералу особенные свойства.

Структура алмаза предельно проста - в его состав входит лишь один элемент - углерод, поэтому химическая формула камня имеете простейший вид: С . Трудно поверить, что из того же элемента состоит мягкий непрозрачный графит с жирным блеском.

Твёрдость алмаза очень велика - поцарапать его можно только с помощью такого же камня. Однако, этот минерал достаточно хрупок и его можно разбить. Кристалл раскалывается строго по определённым плоскостям. Кристаллы имеют разное строение, но самые распространённые природные формы камня это октаэдр (кристалл с 8-ю правильными треугольными гранями) и ромбододекаэдр с 12-ю ромбовидными гранями. Кристаллы кубической формы встречаются реже. Ещё более редки округлые алмазы.

Ранее алмаз считали кварцем, пока не была обнаружена принадлежность камня к горючим телам. Знаменитая прочность алмаза не выдерживает воздействия лучей солнца, пропущенных через линзу. Минерал попросту сгорает. Француз Лавуазье обнаружил, что бриллиант горит, выделяя углекислоту. Проведя множество опытов, он доказал, что данный минерал не является видом кварца, а химическая формула этого драгоценного камня состоит из углерода. Это открытие вызвало настоящую сенсацию в конце 18 века, ведь ранее никто и представить не мог, что драгоценный камень сопоставим с обычным углеродом, известным в виде графита, угля и сажи. В состав камня входит меньше 1% примесей различных элементов, чаще всего это азот, железо, водород, кремний, кислород, титан, марганец. Именно от этих примесей зависит цвет кристалла. Например, минерал, содержащий в себе примеси железа, будет иметь буроватый оттенок или оранжево-жёлтые тона.

magic-expet.ru


Смотрите также