Каталог
  

Кристаллическая решетка графита и алмаза


Месторождения, отличия и применения алмазов и графита

Не каждый знает, но алмаз и графит — две формы одного и того же вещества. Эти минералы полностью отличаются друг от друга по твердости и по характеристикам преломления и отражения света. Причем отличия весьма существенные. Алмаз — наиболее твердый в мире минерал, по шкале Мооса он представляет собой эталон — 10, тогда как твердость графита по этой шкале — всего 2. Таким образом, алмаз и графит одновременно самые похожие и непохожие вещества в мире.

Кристаллические решетки алмаза и графита

Каждое из них происходит из углерода, который, в свою очередь, является самым распространенным элементом биосферы. Он присутствует как в атмосфере, так и в воде, в биологических объектах. В земле он представлен в составе нефти, газа, торфа и так далее. Встречается и в качестве залежей графита и алмаза.

Больше всего углерода в организмах. Боле того, ни один из них не может без него обойтись. А происхождение этого минерала в остальных частях планеты как раз и объясняется нахождением когда-то там живых организмов.

Много споров сопровождает вопрос, откуда взялся графит и алмазы, ведь недостаточно, чтобы был один углерод, необходимо также, чтобы выполнялись определенные условия, при которых этот химический элемент принимал новую структуру. Считается, что происхождение графита метаморфическое, а алмазов — магматическое. Это означает, что образование алмазов на планете сопровождают сложные физические процессы, скорее всего, в глубинных слоях земли при горении и взрывах в присутствии кислорода. Ученые предполагают, что в этот процесс также замешан метан, но точно никто не знает.

Отличия между графитом и алмазом

Основное отличие — это строение алмаза и графита. Алмаз представляет собой минерал, форму углерода. Характеризуется метастабильностью, что означает, что он способен оставаться в неизменно вид бесконечно долго. Алмаз переходит в графит при некоторых специфических условиях, например, при высокой температуре в вакууме.

Графит также является модификацией углерода. Его структура делает минерал очень слоистым, поэтому самое распространенное его применение — изготовления грифеля для карандаша.

Явление, при котором вещества, образованные одним и тем же химическим элементом, имеют разные физические свойства, называется аллотропией. Существуют и другие подобные вещества, однако эти два минерала имеют наибольшую разницу между собой. Решающую роль в этом играют особенности строения кристаллической структуры каждого из минералов.

Графит

Алмаз имеет невероятно прочную связь между атомами, что обусловлено их плотным расположением. Смежные атомы ячейки имеют форму куба, где частицы расположены на углах, гранях и внутри их. Это тетраэдрический тип строения. Такая геометрия атомов обеспечивает максимально плотную их организацию. Поэтому твердость алмаза такая высокая.

Низкий атомный номер углерода, показывающий, что атом имеет небольшую атомную массу, а соответственно и радиус, делает его самым твердым веществом на планете. Вместе с тем это совершенно не означает прочность. Расколоть алмаз довольно легко, достаточно его ударить. Такое строение объясняет высокий коэффициент теплопроводности и светопреломления алмаза.

Структура графита совершенно иная. На атомарном уровне она представляет собой ряд пластов, расположенных в разных плоскостях. Каждый из этих пластов представляет собой шестиугольники, которые примыкают друг к другу подобно сотам. При этом сильной связью обладают только атомы, расположенные в пределах каждого слоя, а между слоями связь хрупкая, они практически независимы друг от друга.

След от карандаша — это как раз и есть отделяемые слои графита. Из-за особенности своего строения графит имеет невзрачный вид, поглощает свет, обладает электропроводностью и металлическим блеском.

Получение алмаза из графита

Долгое время получить алмаз было технологически сложно, но к сегодняшнему дню эта не такая и трудная задача. Основной проблемой является повторение процессов в лаборатории в короткий промежуток времени, которые в природе проходят за миллионы лет. Ученые доказали, что условиями перехода алмаза из графита являлась высокая температура и давление.

Впервые такие условия были получены с помощью взрыва. Взрыв является химическим процессом, который представляет собой горение при высокой температуре и скорости. После этого собрали остатки графита, и оказалось, что внутри его образовались маленькие алмазы. То есть превращение произошло только фрагментарно. Причиной этого является разброс параметров внутри самого взрыва. Там, где условия были достаточными для такого превращения, оно и произошло.

Натуральный необработанный алмаз

Такие параметры сделали взрывы малоперспективными для получения алмаза. Однако опыты не прекратились, на протяжении длительного времени ученые продолжали проводить их, чтобы каким-то образом получить этот минерал. Более-менее стабильный результат получился, когда графит попытались нагреть импульсно до температуры в две тысячи градусов. В этом случае удалось получить алмазы приличных размеров.

Однако такие опыты дали еще один неожиданный результат. После превращения графита в алмаз происходил обратный переход алмаза в графит при уменьшении давления, то есть происходила графитизация. Таким образом, получение стабильного результата только с помощью одного давления достичь не удавалось. Тогда вместе с увеличением давления начали нагревать графит. Спустя некоторое время, удалось вычислить диапазон давлений и температур, при которых кристаллы алмаза можно было бы получать. Однако эти методы все еще не позволяли получить минерал ювелирного качества.

Для того чтобы получить камни, пригодные для создания украшений, начали выращивать алмазы с помощью применения затравки. В качестве ее использовали готовый кристалл алмаза, который нагревали до температуры 1500 градусов, что стимулировало сначала быстрый, а потом медленный рост. Однако применение метода в промышленных масштабах было нерентабельным. Потом начали в качестве подкормки использовать метан, который при таких условия распадался на углерод и водород. Как раз этот углерод и выступал, если можно так сказать, кормом алмаза, позволяющим ему расти намного быстрее.

Таким образом, сегодня этот метод используется для создания искусственных алмазов. И хотя он и является рентабельным, стоимость таких целых искусственных минералов остается высокой, что делает их не сильно популярными по сравнению с заменителями бриллиантов.

Месторождения минералов

Алмазы зарождаются на глубине 100 км и при температуре 1300 градусов. Кимберлитовая магма, которая образует кимберлитовые трубки, вступает в действие в результате взрывов. Именно такие трубки и представляют собой коренные месторождения алмазов. Впервые подобная трубка была открыта в африканской провинции Кимберли, откуда и пошло ее название.

Наиболее известные месторождения находятся в Индии, России и Южной Африке. На коренные месторождения приходится 80 % всех добываемых алмазов.

Чтобы найти алмаз в природе, используют рентген. Большинство из камней, которые находят, непригодны для ювелирного производства, так как обладают значительным количеством дефектов, в том числе трещинами, включениями, посторонними оттенками флуоресценцией и так далее. Поэтому их применение техническое. Такие камни делят на три категории:

  • борт — камни с зональной структурой;
  • баллас — камни, которые обладают круглой или грушевидной формой;
  • карбонадо — черный алмаз.

Алмазы большого размера с выдающимися характеристиками, как правило, получают свое название. Кроме того, высокая стоимость камня делает его желанным для многих, что гарантирует «кровавую историю».

Графит образуется в результате изменения осадочных пород. В Мексике и на Мадагаскаре можно встретить руду с графитом низкого качества. Наиболее известные месторождения — в Краснодаре и на Украине.

Применение

Применение как алмаза, так и графита намного шире, чем кажется. Для алмаза можно выделить несколько сфер использования.

В ювелирной промышленности алмазы используют только в огранке, как известно, они носят название бриллиантов. Всего 20 % всех добытых камней пригодны для украшений, а минералов высокого качества и куда меньше.

Бриллианты — самые дорогие в мире камни. По стоимости только некоторые экземпляры рубинов могут сравниться с ними. На стоимость минералов влияют огранка, цвет, оттенок и чистота. Обычно некоторые из этих характеристик невооруженным глазом являются незаметными, однако выявляются при экспертизе.

Использование бриллиантов в украшениях очень распространено. Часто они выступаю как единственный камень или дополняют высококачественные сапфиры, рубины, изумруды. Наиболее частое применение камней — кольца для помолвки.

В технической сфере обычно берут второсортное сырье, с дефектами или с различными оттенками. Технические алмазы разделяются на несколько подкатегорий.

  • алмазы определенной формы, которая годится для изготовления подшипников, наконечников сверл и так далее;
  • необработанные камни;
  • камушки с дефектами, применяемые только для изготовления алмазной крошки и порошка.

Последние применяются либо в очень маленьких деталях, либо в качестве напыления для изготовления режущего и шлифовального инструмента.

В электронике применяются иглы, которые являют собой необработанные кристаллы, имеющие от природы острую вершину, или осколки с такой же вершиной. Буровые установки в промышленности также содержат алмазы. Прослойки из этого минерала используются в микросхемах, счетчиках и так далее, происходит это благодаря высокому коэффициенту теплопроводности и сопротивлению.

Около 60 % всех технических алмазов используется в инструментах. Остальные 40 % в равных количествах:

  • при бурении скважин;
  • переработке;
  • в мелких деталях ювелирных изделий;
  • в шлифовальных кругах.

В чистом виде графит не используется. Его, как правило, обрабатывают. Графит высочайшего качества применяется в виде стержня для карандаша. Наиболее широкое применение графит находит в литье. Здесь он применяется для обеспечения гладкой поверхности стали. Для этого он используется в необработанном виде.

В электроугольной промышленности используют не только природного происхождения минерал, но и созданный. Последний имеет высокую однородность по качеству и чистоте. Высокая проводимость тока делает его также широко используемым для изготовления электродов в приборах. Кроме того, он применяется в качестве щеток для двигателя. В металлургии графит используют как смазочный материал.

Графитовые стержни за свою способность замедлять нейтроны раньше широко использовались при создании атомных реакторов. В частности, именно боровые стержни с графитовыми наконечниками выступали в качестве стержней управления-защиты на Чернобыльской АЭС. Одна из проблем, которая после привела к аварии, была в том, что для гашения цепной реакции нужно было нейтроны поглощать, за что отвечал бор, а не замедлять. Поэтому в момент, когда стержни опустили в активную зону реактора, его энергия возросла скачком, что привело к перегреву. Но это была всего лишь одна из множества причин.

Таким образом, алмаз и графит — два разных минерала с одинаковым элементом в основе. Их структуры делают свойства разными, что и представляет интерес. Каждый из них по-своему красив и имеет очень широкое применение как в очень сложных конструкциях, так и в предметах повседневности.

dedpodaril.com

Свойства, которыми обладают и алмаз, и графит

И алмаз, и графит — это разные формы одного и того же элемента — углерода. У мягкого, крошащегося графита и у самого твердого кристалла в мире одна и та же формула — С. Как такое возможно?

Свойства алмаза и графита

Алмазы встречаются в природе в хорошо выраженной кристаллической форме. Это прозрачный и чаще всего бесцветный кристалл, хотя бывают и алмазы, окрашенные в голубой, красный и даже черный цвета. Такое цветовое отступление от правила связано с особенностями природных условий формирования кристалла и наличия в нем примесей. Очищенный и отшлифованный алмаз приобретает особый блеск, который и оценили люди.

Алмазы хорошо отражают свет и, обладая сложной формой, хорошо его преломляют. Это дает знамений блеск и перелив очищенного кристалла. Он является проводником тепла, но по отношению к электричеству является изолятором.

Графит представляет собой антипод алмаза. Это не кристалл, а совокупность тонких пластинок. Он черный с серым отливом. По внешнему виду напоминает сталь с преобладанием чугуна.

Несмотря на стальной вид, на ощупь он жирный, а при использовании оказывается еще и мягким. При малейшем надавливании он крошится, что и привлекает человека, использующего графит в качестве средства запечатления информации на бумаге.

Графит, как и алмаз, является хорошим проводником тепла, но, в отличие от своего собрата по молекулярному строению, хорошо проводит и электричество.

Этих разных представителей полиморфности молекулярного углерода отличает друг от друга только одно — строение молекулярной решетки. Все остальное — лишь следствие главного.

В графите кристаллическая решетка организована по плоскостному принципу. Все его атомы размещены в шестиугольнике, которые находятся в одной плоскости. Поэтому связи между атомами разных шестиугольников такие непрочные, а сам графит слоистый, и его слои плохо связаны друг с другом. Такое строение кристаллической решетки определяет его мягкость и разнообразную полезность, но сам графит при этом разрушается. Однако именно такое строение кристаллической решетки позволяет, используя особые условия и другие вещества, сделать из графита алмаз. Такие же процессы происходят с этим минералом в природе при аналогичных условиях.

Алмазная решетка построена по принципу объемных связей всех с каждым и всех со всеми. Атомы образуют правильный тетраэдр. Атом в каждом тетраэдре окружен другими атомами, каждый из которых образует вершину другого тетраэдра. Получается, что тетраэдров в каждом кусочке алмаза гораздо больше, чем молекул, образующих эти тетраэдры, поскольку каждый из тетраэдров является частью другого тетраэдра. По этой причине алмаз является самым неразрушимым минералом.

Углерод относится к самым массовым элементам биосферы и всей планеты Земля. Он в тех или иных состояниях присутствует в атмосфере (углекислый газ), в воде (растворенный углекислый газ и иные соединения) и в литосфере. Здесь, в тверди земной, он входит в состав больших залежей угля, нефти, природного газа, торфа и т.п. Но в чистом виде он представлен залежами алмаза и графита.

Больше всего углерода сконцентрировано в живых организмах. Любые организмы строят свое тело из углерода, концентрация которого в живых телах превышает содержание углерода в неживой материи. Мертвые организмы оседают на поверхности литосферы или океана. Там они разлагаются в разных условиях, образуя месторождения, богатые углеродом.

Происхождение чистых залежей алмазов и графита вызывает много споров. Есть мнение, что это бывшие организмы, попавшие в особые условия и минерализовавшиеся наподобие угля. Считается также, что алмазы имеют магматическое происхождение, а графит — метаморфическое. Это означает, что в концентрации алмазов на планете участвуют сложные процессы в недрах земли, где самопроизвольно в присутствии кислорода возникает взрыв и горение. В результате взаимодействия молекул метана и кислорода и возникают кристаллы алмаза. При этих же процессах, но в определенных условиях возможно появление и графита.

Как получить из графита алмаз

Получение искусственных алмазов при современном уровне развития химии давно не является проблемой. То, что природа делает за миллионы лет, человек может сделать за гораздо более короткий срок. Главное — воспроизвести условия, в которых в природе одна форма чистого углерода переходила в другую, то есть создать высокую температуру и очень высокое давление.

Впервые такие условия были созданы с помощью взрыва. Взрыв — это мгновенное горение под большим давлением. После того как собрали то, что удалось собрать, выяснилось, что в графите появились маленькие алмазы. Такое фрагментарное превращение произошло потому, что взрыв создает большое разнообразие давления и температуры. Там, где создались условия для перехода из графита в алмаз, это и произошло.

Эта неустойчивость процессов сделала взрывы неперспективными для производства алмазов из графита. Ученых это, однако, не остановило, и они с упорством продолжали подвергать графит всяким испытаниям в надежде заставить его стать алмазом. Стабильный результат дало нагревание графитового бруска импульсами до температуры в 2000°С, что дало возможность получить алмазы значимых размеров.

Опыты с высоким давлением дали неожиданные результаты — графит превращался в алмаз, но при уменьшении давления переходил в свое исходное состояние. Стабильно уменьшить расстояние между атомами углерода только с помощью одного давления не удавалось. Тогда стали сочетать давление и высокую температуру. Наконец, удалось выяснить диапазон сочетаний температуры и давления, при котором можно получить кристаллы алмаза. Правда, при этом получался только технический алмаз, использование которого в ювелирном деле было затруднено.

Кроме больших затрат на энергетическое обеспечение процесса перевода графита в алмаз существовала еще одна проблема — при увеличении длительности воздействия высокой температурой начинается графитизация алмаза. Все эти тонкости усложняют промышленное производство алмазов. По этой причине добыча алмазов в природе, крайне разрушительная для нее, остается актуальной и прибыльной.

Чтобы получить алмаз, предназначенный для ювелирных целей, стали выращивать кристаллы, используя затравку. Готовый кристалл алмаза подвергался воздействию температуры в 1500°, что стимулировало рост сначала быстрый, а потом медленный. Чем больше кристалл, тем медленнее он рос. Этот эффект сделал интересный опыт лишь опытом, поскольку его производство в промышленных масштабах стало нерентабельным. Не улучшило ситуацию и применение метана в качестве «подкормки» растущего алмаза. При высоких давлении и температуре метан разрушается до углерода и водорода. Этот углерод и является «кормом» для алмаза.

Применение алмаза и графита

Оба минерала широко используются в промышленности.

Алмазы применяют:

  • в электротехнике;
  • приборостроении;
  • радиоэлектронике;
  • на буровых установках
  • в ювелирном деле.

Графит используется при:

  • производстве тиглей и иного огнеупорного оборудования;
  • изготовлении смазочных материалов;
  • изготовлении карандашей;
  • производстве оборудования для электроугольной промышленности.

Несмотря на разнообразие применения как графита, так и алмаза в различных отраслях промышленности, можно смело говорить о большей пользе графита. Алмаз по причине идеальности своей кристаллической решетки инертен. Его можно использовать только как алмаз. Большая часть добываемых в природе алмазов уходит на нужды ювелирной промышленности, поскольку минерал является одним из самых дорогих драгоценных камней, становясь бриллиантом, он стимулирует оборот денег, и это его основное свойство в экономике.

Графит, изъятый из природы, становится не самодостаточной ценностью, а великим тружеником производства. Благодаря своим свойствам он используется и в своем истинном, природном виде, то есть как графит, и в качестве средства, на основе которого могут быть получены новые вещества, например, тот же алмаз.

Оцените статью:

2 голосов, в среднем: 5,00 из 5 Загрузка...

vseokamnyah.ru

Кристаллическая решетка и свойства алмаза

Алмаз — минерал, который является не чем иным, как модификацией углерода. Чистый алмаз имеет формулу, состоящую всего из одного элемента. Камень обладает уникальными свойствами в природе, поэтому кристаллическая решетка алмаза заинтересовала ученых, и структура вещества продолжает изучаться.

Идеальный алмаз можно представить как гигантскую молекулу углерода. Состав минерала ученые изучили только в конце XVIII века. С того момента начались попытки искусственного синтеза алмаза в лабораториях, но они были бессмысленными, поскольку отстроить кристаллическую решетку с нуля не получалось.

Структура алмаза

А еще техника не была на таком уровне, чтоб создать условия для образования алмаза. Только в пятидесятых годах ХХ века ученые смогли синтезировать алмаз самостоятельно. Этим занимались такие страны, как СССР, США и ЮАР.

Строение вещества

Вся загвоздка и сложность производства заключалась в уникальной структуре алмаза. Между атомами в химии может сформироваться четыре типа связи:

  • ковалентная;
  • ионная;
  • металлическая;
  • водородная.

Самая прочная из них — ковалентная связь. Она также имеет свои подвиды: сигма-связи и пи-связи. Второй подвид менее прочный. В алмазе есть несколько миллионов атомов углерода, которые соединены между собой с помощью ковалентных связей.

Пространственное расположение атомов и их соединения называются кристаллической решеткой. Именно ее строение и обусловливает такую характеристику, как твердость вещества. Элементарная ячейка структуры алмаза выглядит как куб. То есть алмаз кристаллизуется в кубической сингонии, если пользоваться научной терминологией.

На вершинах этого куба находится по атому углерода. По одному атому располагается в каждой грани, а еще четыре — внутри куба. Центральные атомы в гранях являются общими для двух ячеек, а те, что находятся в вершинах куба, — общие для восьми ячеек. Между собой атомы соединены ковалентными сигма-связями.

Такая структура и упаковка считается наиболее плотной. Каждый атом углерода располагается в центре тетраэдра и связан по всем сторонам. Поскольку валентность углерода равняется четырем, то все связи оказываются перекрытыми, и взаимодействие с веществом со стороны невозможно.

Расстояние между атомами одинаковое, свободных электронов нет, поэтому минерал является хорошим диэлектриком. Твердость алмаза достигается именно благодаря такому строению. Эти характеристики, в свою очередь, и стали причиной широкого использования камней. Они применяются не только в ювелирном деле, но и в качестве абразива, а также покрытия для инструментов.

Но не все в природе идеально. Даже в алмазах часто встречаются примеси. Такая структура позволяет минералу выглядеть абсолютно прозрачным, без включений. Но добываемые камни не всегда обладают ювелирными свойствами из-за большого количества дефектов и примесей.

Кристалл алмаза может содержать такие вещества:

  • алюминий;
  • кальций;
  • магний;
  • гранит.

Иногда в составе встречается вода, углекислота или другие газы. Примеси в кристалле располагаются неравномерно и несколько нарушают кристаллическую структуру. Если дефекты располагаются на периферии, что происходит чаще, тогда с ними можно бороться с помощью огранки.

Аллотропные модификации

Не только алмаз имеет подобный тип строения кристаллической решетки. Другие элементы из четвертой группы также имеют похожую структуру. Но все дело в атомной массе. Атомы углерода располагаются на близком расстоянии друг от друга, что делает связи прочнее. А вот с увеличением атомной массы элементы располагаются дальше и прочность соединений между ними падает.

А также у углерода есть в природе аллотропные модификации, куда, кроме алмаза, входят и другие вещества:

  • графит;
  • лонсдейлит;
  • сажа, уголь;
  • фуллерены;
  • углеродные нанотрубки.

Ученых интересовала возможность превращения графита в алмаз. Сделать это можно только под действиями очень высокого давления и температуры.

Все дело в том, что графит отличается по пространственному расположению атомов и связям между ними. Если у алмаза все связи ковалентные-сигма, то пространственные связи графита — пи-соединения. А также в решетке графита остается несколько свободных электронов у атомов, которые перемещаясь, создают эффект электропроводности. Такая форма решетки называется гексагональной. Поэтому графит по шкале твердости имеет показатель единицу.

Лонсдейлиты еще не изучены окончательно, поскольку их добывают либо искусственно, либо из метеоритов, упавших на землю.

А вот фуллерены имеют кристаллическую решетку, напоминающую мяч, сложенный из восьмиугольников. По углам фигур расположены не атомы, а молекулы углерода. Эти вещества также продолжают исследовать.

Химический состав алмаза записывается формулой или элементом С.

Кроме показателя твердости — 10 из 10 по шкале Мооса — алмаз обладает такими характеристиками:

  • Плотность — 3,5 г/см3.
  • Камень довольно хрупкий. Несмотря на твердость, алмаз можно разрушить резким ударом.
  • Спайность. Плотность у вещества неравномерная. Камень раскалывается по параллельным граням кристалла. Спайность должна учитываться при огранке камня, поскольку расчет ювелира и последующий удар определяет плоскость скола и отсекает ненужные примеси.
  • Камень должен быть прозрачным. Тогда после огранки он будет играть на свету. Самые дорогие экземпляры называют алмазами чистой воды. Но все равно встречается до 5 % примесей в структуре, что искажает кристаллическую решетку, а иногда и портит вид камня.
  • Если воздействовать на камень рентгеновскими лучами, то прочность ковалентных связей нарушится. В результате решетка станет рыхлой и твердость вещества также снизится. Но после этой процедуры появится интересное свойство: камень будет излучать свет в синей и зеленой части спектра.

В природе добытый минерал имеет форму кристалла с разным количеством граней. Иногда добывают не полные камни, а только сколы от больших алмазов. Определить скол это или полноценный минерал можно, изучив строение кристаллической решётки. Грани минералов часто покрыты наростами и углублениями.

Цвет алмаза также отличается разнообразием. Встречаются желтые, красноватые или даже черные оттенки алмазов. Конечно, кристаллическая решетка у камней изменена. Но свойства от этого страдают не сильно. Такие минералы называют фантазийными. Их окраска может быть неравномерной и зависеть от примесей в структуре.

Идеальное строение существует только у искусственных алмазов. Производство этих камней требует затравки в виде натурального кристалла, а также большого количества денежных вложений и аппаратуры. Но именно изучение кристаллической решетки и повлияло на развитие этой отрасли.

Рекомендуем другие статьи

dedpodaril.com

Свойства и особенности кристаллической решетки алмаза

Алмаз является красивым минералом, а после огранки в виде бриллианта ценится любителями ювелирных украшений. Но не все знают, что скрывается в составе этого вещества, в чем заключается секрет его популярности, а также почему камень является действительно уникальным? В этих вопросах поможет разобраться кристаллическая решетка алмаза, его химический состав и свойства камня.

Формы углерода и их кристаллические решетки

Если описывать строение решетки, то можно использовать атомный и молекулярный типы вещества. Правда, такого понятия, как молекула углерода, в природе не существует, поэтому можно говорить только об атомном типе строения. Именно атом, а не молекула, лежит в основе решетки и образует соединения между остальными атомами.

А говоря о химических модификациях углерода, то ученые в конце восьмидесятых годов ХХ века вывели такое понятие, как фуллерен. Это шестидесятиатомная молекула, которая внешне напоминает строением футбольный мяч. Позже обнаружили молекулу фуллерена, которая имела еще больше атомов в своем составе. Это помогло исследовать графит, а также другие модификации углерода с использованием лазерного спектра.

Кристаллическая решетка рассматривает строение вещества с точки зрения соединения атомов элемента между собой. Существует несколько типов связи:

  • ионная;
  • ковалентная;
  • металлическая;
  • водородная.

В данном случае алмаз имеет ковалентные связи, которые образуются между одинаковыми атомами и считаются самыми прочными в химии. Алмаз является чистой кристаллической модификацией углерода, а его кристаллическая решетка имеет форму куба. Это самая плотная упаковка атомов, которая существует.

Если выражаться по-научному, то минерал кристаллизуется в кубической сингонии. Соответственно, в каждой вершине куба располагается атом углерода, а гранями куба выступают ковалентные связи. При этом в центре каждой грани размещено еще по одному атому углерода, которые также связаны между собой.

Форма кристаллической решетки изображается схематически, потому что точно неизвестно из скольких кубов состоит целостный алмаз. Но именно благодаря такому расположению атомов камень и является самым твердым минералом на планете.

Аллотропные модификации камня

Если химический состав алмаза — углерод в чистом виде, то стоит выяснить, что это за элемент, а также разобраться в его модификациях и физических формах. Согласно мнению ученых, это вещество изначально входило в газовое облако, из которого постепенно образовывались планеты. Так или иначе, в составе каждой из планет Солнечной системы присутствует углерод в каком-то агрегатном состоянии.

Если говорить о земной коре, то она на 0,14% состоит из этого неметаллического элемента. А также по одной из теорий происхождения человека считается, что углерод — один из четырех макроэлементов, являющихся «стройматериалом» тела. Наиболее известные модификации одного углерода называют так:

  • алмаз — наиболее дорогая форма;
  • графит — известное вещество, которое используется в промышленности;
  • карбин;
  • лонсдейлит — содержится в метеоритах;
  • фуллерены — наиболее молодые формы, которые были открыты;
  • углеродные нанотрубки — применяются в каркасах к наноизделиям;
  • графен;
  • уголь — вещество, которое используется в качестве промышленного сырья для получения тепла;
  • сажа.

Казалось бы, что общего может быть у кристально чистого алмаза с графитом или углем? А вот состав этих веществ говорит об обратном и наглядно демонстрирует важность расположения атомов в кристаллической решетке. Притом, что кроме углерода, в веществах ничего нет.

Вполне реально, что кроме этих элементов, существуют другие не открытые формы. А их исследование во многом зависит от алмазов, поскольку во время работы с этим драгоценным камнем ученые пытаются расшифровать его структуру, чтоб производить искусственно, и, вместе с тем, находят новые модификации элемента.

Исходя из структуры алмаза, можно сделать вывод, что камень абсолютно прозрачен и пропускает весь видимый спектр через себя. Но ничего идеального в природе не существует. Поэтому даже у такого кристалла могут быть примеси в решетке. Если рассматривать наиболее чистые экземпляры камня, то там содержится до 1018 атомов на 1 кубический сантиметр. И это нормальное явление, поскольку количество примесей зависит от процессов, в которых рос камень. И не факт, что посторонние вещества будут видны невооруженным глазом.

Среди примесей встречаются такие элементы, как:

  • азот;
  • кремний;
  • кальций;
  • магний;
  • бор;
  • алюминий.

Конечно, если их много, то от этого страдает чистота камня и, соответственно, падает стоимость. Или же такие алмазы направляют для использования в промышленность. При этом в алмазах встречаются не только твердые, но и жидкие и даже газообразные формы включений. Они могут располагаться неравномерно, а также скапливаться в центре либо на периферии камня. Все они влияют на свойства камня, на его оттенок и способность преломлять свет. Например, азот влияет на люминисцентность алмаза.

По спектрам поглощения в ИК- и УФ-диапазонах выделяют три типа алмазов:

  • Первый тип. В них азот содержится либо в виде пар атомов и плоских встроек, либо в виде одиночных атомов, которые равномерно распределены по объему камня.
  • Второй тип. В них азот, как правило, отсутствует. В подтипе IIа нет примесей, а в подтипе IIб присутствуют атомы бора.
  • Третий тип может включать в себя примеси кремния.

Синтетические алмазы

Открытие аллотропных модификаций дало ученым надежду на синтетическое произведение алмазов. И у них отчасти это получилось, хотя сам процесс нельзя назвать легким. С химической точки зрения, тот же графит, например, должен получить сигма-связи. Такие условия воссоздать можно только в самых мощных лабораториях под действием больших температур и давления.

  • HPHT — тип алмаза получается из растворения графита и оседания его в катализаторе на затравочном минерале. После этого вещество начинает выстраивать необходимые связи.
  • CVD тип — основывается на пленочном осаждении графита с использованием паров метана.
  • Метод взрывного синтеза — наиболее естественный, с использованием углерода под высоким давлением.

Пока даже эти методы осуществляются с трудом, поэтому стоимость алмазов остается высокой. Но технологии продолжают развиваться в этом направлении.

Свойства алмазов

Благодаря своему составу и строению, алмаз получил такие свойства, как:

  • Стойкость к воздействию химических веществ, кислот, щелочей.
  • Наивысшая твердость вещества (абсолютный показатель, который равняется 10 по шкале Мооса), но при этом хрупкость камня.
  • При нагреве без доступа кислорода взрывается и превращается в графит, а дальнейшее плавление алмаза аномально. С кислородом температура плавления находится на уровне 4 тысяч градусов по Цельсию.
  • 20-24 Вт/см — это показатель теплопроводности. Настоящий алмаз не нагреется, даже если его долго держать в руке.
  • Алмаз отлично подходит в роли изолятора.
  • Камень обладает уникальным свойством преломлять лучи и при этом светиться.

Если говорить об отличиях алмаза и графита, самого доступного для нас вещества, то стоит сказать, что свойства разнятся из-за строения кристаллической решетки. О строении алмаза уже известно, а вот у графита ситуация обстоит по-другому. Его кристаллическая решетка имеет два типа связи: ковалентная сигма-связь находится только в одной плоскости, а в других плоскостях связь между атомами не такая устойчивая — ковалентная пи-связь. Такое строение позволяет электронам графита перемещаться на другие уровни, а также этот эффект объясняет наличие металлических свойств графита. Решетка алмаза и графита обусловила свойства и применение каждого вещества.

В природе алмаз встречается в кимберлитовых и лампроитовых трубках. Считается, что камень сформировался под действием магмы, также есть версия о космическом происхождении алмаза. Сейчас основная добыча камня ведется в ЮАР, а также в Бразилии, Австралии и России, в частности, в Якутии.

Если позволяют внешние и химические свойства, то камень отправляется к ювелирам. В остальных случаях его используют в промышленности. В производстве используют такие типы, как: борт, баллас и карбонадо. Широко используются в качестве абразивов.

Камень замечательно нашел свои сферы применения. А вот его свойства, происхождение и строение решетки продолжает активно изучаться. Но пока ученые не смогли до конца понять все тонкости этого минерала.

Рекомендуем похожие статьи

okaratah.com


Смотрите также