Кристалл решетка алмаза. Графит и алмаз: кристаллическая решетка и свойства. Получение искусственных алмазов

Содержание

Графит и алмаз: кристаллическая решетка и свойства

Кристалл решетка алмаза. Графит и алмаз: кристаллическая решетка и свойства. Получение искусственных алмазов

Узнав физические свойства алмаза и графита, ученые отметили, что это разные формы углерода. Первый – это драгоценный минерал, один из самых твердых в мире. По принятой у геммологов шкале Мооса алмаз имеет наибольший балл твердости – 10.

Графит по этой системе не дотягивает даже до 2. Блестящая драгоценность и грифель простого карандаша состоят из углерода. Различие этих минералов определяет тип кристаллической решетки. Но свойства их сильно отличаются друг от друга.

Об этом читайте ниже.

Алмаз – самый твердый минерал. Внешне это прозрачный камень, у которого четко видна кристаллическая форма. Диаманты бесцветные, но встречаются разные оттенки, среди которых даже черный. Цвет зависит от природных условий, в которых формировался камень, а также от различных примесей в его структуре.

Графит – хрупкое, жирное на ощупь вещество, имеющее металлический блеск, состоящее из молекул углерода, расположенных слоями и образующих мелкие тонкие пластинки. При его нажатии на листке остается след.

Состав минералов

Первое, с чего начнем рассмотрение характеристики алмаза и графита, это состав минералов. Оба – из углерода, шестого элемента периодической системы.

Поскольку алмаз и графит состоят из частиц углерода, тип вещества у них – индивидуальный, а качественный состав образован соединениями атомов углерода. Формула алмаза и графита в химии проста – С, углерод. Этот химический элемент не имеет запаха, поэтому ни алмаз, ни графит ничем не пахнут.

Хотя химическая формула алмаза имеет схожесть с формулой графита, у структур, в которые соединяются атомы углерода, образуя кристаллическую решетку, есть разница.

Когда у минералов кристаллические решетки имеют отличие, но для них характерен идентичный химический состав, их называют полиморфами. Рассматриваемые минералы – разные виды полиморфных модификаций углерода.

Как и где находят углеродные минералы

Сходство элементарного химического состава не обуславливает схожие свойства веществ. Различия объясняются сложностями происхождения двух разных углеродных пород. Алмазы образуются под действием сильного давления после сверхбыстрого охлаждения. А если атмосферное давление занижено, то при довольно высокой температуре образуется графит.

Подтверждением того, что алмаз и графит образовались не одинаково, служит их нахождение в природе. Около 80% всех бриллиантов добывают в кимберлитовых трубках – глубоких воронках, образованных магмой, вышедшей после взрыва и выхода наружу подземного газа.

Графитовых же месторождений много в осадочных породах и пластах, образованных магмой.

Химическая связь в углеродных минералах

Частицы, из которых состоят твердые вещества, соединены в кристаллические решетки. Науке известны 4 вида таких решеток – ионная, молекулярная, атомная и металлическая.

Внешне драгоценный кристалл схож с кристаллами соли, но у солей ионная кристаллическая решетка.

Тип кристаллической решетки алмаза, как и его полиморфа графита, атомная. В ее узлах лежат атомы углерода. Агрегатное состояние – твердое тело. Но все же по твердости углеродные полиморфы различны.

Свойство алмаза быть таким прочным обусловлено силой химической связи атомов. Структура диаманта трехмерная, атомы углерода в нем расположены в форме трехгранной пирамиды, тетраэдра. Каждая атомарная частица одинаково крепко соединяется со всеми четырьмя соседними, это осуществлено посредством ковалентной связи.

Атомарно графит – это множество слоев шестиугольных фигур, в каждой вершине которых расположен атом углерода. Его слоистая структура двухмерна. Связь в слоях ковалентная сильная, а между слоями гораздо слабее, как у веществ с молекулярной кристаллической решеткой. Пласты связаны непрочно. Поэтому твердость графита меньше по сравнению с бриллиантом.

Взаимосвязь атомного строения и физики минерала

Рассмотрим, как внешне проявляется геометрия атомов. Различие свойств алмаза и графита напрямую связано с типом строения кристаллической решетки. Кристаллическая решетка алмаза имеет звенья из 4 хорошо соединенных атомов углерода.

Они образовали сверхпрочные ковалентные сигма-связи. Оптические свойства межатомных соединений поглощают свет, делая кристалл прозрачным.

А крепкая фиксация отрицательно заряженных элементарных частиц в однородных по силе связях придает ему твердость и свойства диэлектрика.

Образованные ковалентные пи-соединения гексагональной кристаллической решетки графита скрепляют атомы углерода в слои.

При такой связи несколько электронов остаются свободными, поэтому пласты скреплены между собой незначительно. Движение нелокализованных элементарных частиц со знаком минус придает графиту электропроводность.

У них отсутствует световая проводимость, что лишает вещество прозрачности, поэтому у графита цвет черный.

Аллотропные модификации углерода

Аллотропия – это способность химических элементов существовать в двух и более физических формах (аллотропах). Самой широкой из всех открытых является аллотропия углерода.

Если вы перечислите основные углеродные аллотропные видоизменения, то это будут:

  • алмаз;
  • графит;
  • карбин;
  • фуллерен.

Из указанных выше два аллотропа углерода синтезированы. Карбин и фуллерен – полученные искусственно аллотропные видоизменения углерода. Карбин – порошок из мелких кристалликов черного цвета. После открытия в лаборатории было найдено и природное вещество. Фуллерен – синтезированный в конце прошлого века в США желтый кристалл около 5 мм в диаметре.

Аллотропические формы углерода могут трансформироваться. Сам по себе переход алмаза в другое состояние не произойдет. Но при нагревании кристалла в безвоздушном пространстве до 1800 градусов он превратится в графит.

Известны методы, позволяющие осуществить и обратные превращения.

Получить алмаз можно из графита. При давлении выше 1000 Па и температуре 3000 градусов с добавлением металлов углерод в графите меняет ковалентные связи. Полученные в результате камни мутные и пористые.

Другой метод – это применение ударной волны, после которой можно любоваться чистыми, прозрачными кристаллами правильной геометрической формы, но очень маленького размера.

Несовершенство этих методов привело к выводу, что алмазы лучше всего выращивать. При нагреве бриллианта до 1,5 тысячи градусов он растет. Но это дорого, поэтому сегодня искусственные драгоценности получают из метана.

Физические и химические свойства

Алмаз не обладает электропроводностью, но тепло проводит. Хорошо преломляет и отражает свет. Прозрачен, имеет блеск. Плавится при 3700-4000 градусов. Лавуазье впервые сжег диамант в 18 веке.

Позже ученые выяснили, что в соединении с кислородом алмаз горит при 721-800 градусах, испаряясь углекислым газом. Без воздуха может перейти в графит при нагреве до 2001-3000 градусов. Химические свойства говорят об устойчивости к воздействию кислот.

Графит электро-и-теплопроводный, нерастворим кислотами и водой, теплостойкий. Температура плавления 2500 – 3000 градусов. Не горит до 250-300 градусов, но при сжигании с температурой выше 300 и до 1000 превращается в углекислый газ.

Сравнительная характеристика

Сравним строение алмаза и графита и их физические свойства: твердость, теплопроводность, электропроводность, особенности химической связи.

О характеристиках минералов расскажет подробная сравнительная таблица:

Применение в промышленности

Ювелиры ограняют состоящий из углерода алмаз, и он получает блеск бриллианта. Об этом читайте в статье «Что такое бриллиант и для чего он нужен».

В промышленности используют камни, которые имеют трещины, сколы, иные дефекты. Из них делают подшипники, сверла. Необработанные острые кристаллы применяют в электронике в качестве игл, в микросхемах, счетчиках прослойки из алмазов. Из алмазного порошка производят детали различных механизмов, обрамляют шлифовочные круги. Подробнее об этом – в статье «Области применения технических алмазов».

Алмаз имеет меньше ценности в промышленности, чем графит. Черный мягкий минерал встречается и в канцелярском карандаше, и в числе компонентов литейного производства, и в электроугольной промышленности. Электропроводные свойства графита используют для изготовления электродов.

Источник: https://PulsKamnya.ru/dragotsennie/almazy-i-brillianty/kristallicheskaya-reshetka

Кристаллическая решетка и свойства алмаза

Кристалл решетка алмаза. Графит и алмаз: кристаллическая решетка и свойства. Получение искусственных алмазов

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

Источник: https://DedPodaril.com/yuvelirka/kamni/kristallicheskaya-reshetka-almaza.html

Кристаллическая решетка алмаза: тип, строение, сходство с графитом

Кристалл решетка алмаза. Графит и алмаз: кристаллическая решетка и свойства. Получение искусственных алмазов

Алмаз — это минерал, который является кристаллической модификацией чистого углерода (С). Алмаз обладает самой большой из всех известных в природе материалов твёрдостью, благодаря которой он применяется во многих важных отраслях промышленности.

Известны три кристаллические модификации углерода: кубическая (сам алмаз) и две гексагональные — графит и лонсдейлит. Последняя найдена в метеоритах и получена искусственно.

Кристаллическая решетка алмаза

Элементарная ячейка структуры алмаза имеет форму куба. Если говорить более научным языком, то алмаз кристаллизуется в кубической системе (так называемой «сингонии»).

В каждой вершине этого куба расположено по атому. По одному атому находится в центре каждой грани, четыре — внутри куба. Каждый из атомов, расположенных в центрах граней, является общим для двух ячеек, а каждый из атомов, находящихся в вершинах куба,— общим для восьми ячеек. Кубическая система — самая плотная упаковка атомов.

Попробуем выразить ту же мысль еще одним способом. Каждый атом углерода в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома. Каждый из атомов связан со своими четырьмя ближайшими соседями, симметрично расположенными по его вершинам (тетраэдра), наиболее «прочной» химической связью — ковалентной.

Различают несколько типов химической связи: ионная, ковалентная, металлическая, водородная.

Идеальный кристалл алмаза можно представить себе как одну гигантскую молекулу.

В результате получается очень плотное расположение атомов, прочные связи между которыми в структуре алмаза обусловливают его исключительную твердость  и другие характерные свойства.

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.

Источники:

Структура кристалла алмаза и его кристаллическая решетка

https://okaratah.com/dragocennye/almaz/kristallicheskaya-reshetka-almaza.html

Источник: https://vseprokamni.ru/svoistva/kristallicheskaja-reshetka-almaza.html

Какая кристаллическая решетка у алмаза и в чем ее уникальность

Кристалл решетка алмаза. Графит и алмаз: кристаллическая решетка и свойства. Получение искусственных алмазов

Кристаллической решеткой алмаза ученые заинтересовались давно. Благодаря ее характеристикам, камень имеет особые свойства и ценность. Существуют аллотропные модификации, используемые в промышленности, электронике, медицине, космонавтике, авиации. В настоящее время развивается отрасль по созданию искусственных алмазов, но она требует больших затрат.

Строение кристалла и способ образования

Камень алмаз – кубическая аллотропная форма углерода, шестого элемента таблицы Менделеева. Образуется после сверхбыстрого охлаждения под действием сильного давления. Добывается в кимберлитовых трубках – вертикальных образованиях, возникших при прорыве магмы сквозь кору земли.

Под фразой «кристаллическая решетка алмаза» понимают пространственное расположение и соединения атомов углерода, обусловливающие твердость минерала.

По сути алмаз – это модификация углерода.

К какому типу относится кристаллическая решетка алмаза

Минерал имеет атомную кристаллическую решетку, т. е. в узлах расположены атомы углероды.

Особенности строения кристаллической решетки алмаза обусловливают его прочность, т. к. каждый атом находится в центре тетраэдра (треугольная или трехгранная пирамида) и связан ковалентными связями. При этом каждый атом плотно связан с четырьмя соседними атомами.

Минерал плохо или практически совсем не проводит электрический ток (диэлектрик). Это связано с тем, что между атомами одинаковое расстояние и нет свободных электронов.

Для алмаза характерна кубическая сингония, т. е. элементарная ячейка представлена в форме куба.

Строение кристаллической решетки алмаза:

  • по одному атому углерода – на вершинах куба;
  • по одному атому – в каждой грани;
  • четыре атома – внутри куба.

Атомы, расположенные в центре граней – общие для двух ячеек. Атомы, расположенные на вершинах – общие для восьми ячеек. Между собой они соединены наиболее прочным подвидом ковалентной связи – сигма-связью.

Всего химики выделяют 4 типа связи атомов между собой:

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

Последний тип связи, формирующий кристаллическую решетку у алмаза, считается самым прочным.

Не все алмазы состоят исключительно из углерода. Иногда в составе встречаются посторонние примеси (кальций, алюминий, бор, магний, кремний, гранит, газы). Если примеси расположены поверхностно, то их можно удалить при огранке. Если же внутри камня, то такие алмазы не представляют ювелирной ценности и используются в промышленности.

Пример кристаллической решетки камня в видео:



Способы применения вещества

Обработанные и ограненные камни высокого качества – бриллианты с идеальной кристаллической решеткой и составом (без примесей и дефектов) – используют для производства ювелирных украшений. Это наиболее прибыльная сфера применения минерала.

Дефектные камни идут на другие нужды:

  • производство подшипников, сверл;
  • использование в электронике и телекоммуникациях;
  • изготовление механизмов из алмазного порошка;
  • обрамление шлифовочных кругов;
  • создание оптических линз;
  • использование в качестве абразивов;
  • создание квантовых компьютеров;
  • применение в ядерной энергетике;
  • изготовление медицинского инструментария.

Получение искусственных минералов

В настоящее время разработаны методики получения алмаза из графита.

По HPHT методу, формирование искусственного камня достигается воздействием 3000-градусной температуры при давлении более 1000 Па и добавлением металлов. Это приводит к изменению ковалентных связей в кристаллической решетке и образованию пористых мутных камней.

Получить небольшие, но геометрически идеальные и прозрачные самоцветы, можно с помощью применения ударной волны (метод взрывного синтеза).

Но считается, что лучший способ получения искусственных самоцветов – это выращивание при температуре 1500 градусов. Но это затратный метод, как и создание алмазов с помощью ультразвука. Поэтому принято получать камни из паров метана. Метод основан на пленочном осаждении графита.

Технологии неуклонно развиваются, и возможно в скором будущем, ученые научатся синтезировать искусственные алмазы при минимальных затратах.

Источник: https://zakamnem.ru/interesno/kristallicheskaya-reshetka-almaza

Алмаз и графит: сущность, применение и сравнение по физическим свойствам

Кристалл решетка алмаза. Графит и алмаз: кристаллическая решетка и свойства. Получение искусственных алмазов

Такие разные по цвету, прочности, на ощупь материалы. Грифель карандаша и прозрачный, играющий блеском, бриллиант состоят из углерода. Удивительное вещество присутствует во многих структурах биосферы.

Алмаз и графит без них невозможно представить жизнь человека.

Коротко об аллотропном углероде и карбине. В периодической таблице Менделеева этот тип неметалла расположен под номером 6. Валентное состояние углерода коренным образом влияет на свойства вещества, в котором он присутствует.

Несмотря на то, что алмаз от графита отличается по всем характеристикам, оба минерала построены из свободного углерода.

Химические свойства

Структура кристалла алмаза пространственная. Алмаз и графит – это прочно связанные между собой тетраэдры, внутри которых атомы с ковалентной связью удалены друг от друга на равные расстояния. Доля углерода приближается к 99,8%. Незначительные примеси влияют на «чистоту» и оттенок самородка. Известно о химической стойкости к воздействию кислот и щелочей.

Важно помнить о том, что при высокой температуре сжигания от 800 до 1000 градусов на воздухе молекулы алмаза превращаются в кучку графита.

Сущность кристаллической решетки графита состоит из слоев. Отдельные слои выглядят как связанные между собой шестиугольники, похожие на пчелиные соты. Расположение слоев относительно друг друга не структурированное и может различаться в самородках.

Атомы связаны прочно только в пределах одного пласта. Соседние слои жестких связей между атомами не имеют. Содержат различные включения. Графит не растворяется в кислотах. При высокой температуре сгорает до аморфного газа, взаимодействуя с кислородом.

Щелочные металлы и соли могут образовывать с ним «соединения включения».

Физические свойства

Различие в строении алмаза и графита обуславливает и разные физические свойства:

  1. Твердость. Алмаз – это самый твердый и плотный из созданных природой минералов. Он обладает минимальным коэффициентом сжатия. Графит имеет мягкую структуру, на ощупь жирный. Несмотря на разное значение плотности, оба они хрупкие и рассыпаются при падении или ударе.
  2. Прозрачность. Непрозрачный, серый или темно-серый графит поглощает свет. При трении отслаивается и оставляет темные следы на поверхности. Металлические включения дают самородку блеск. Строение кристаллов в алмазе дает прозрачность. Природные самоцветы не всегда абсолютно прозрачные и бесцветные. Некоторые имеют цветной оттенок. Мутные кристаллы ценятся ниже.
  3. Теплопроводность. Алмаз обладает самым высоким показателем, в сравнении с другими твердыми телами. Отличный полупроводник, способный работать при высоких температурах. У графита этот показатель теплопроводности крайне низкий.
  4. Электропроводность. Если замерять этот параметр вдоль слоев графита, результат окажется довольно высоким, приближенным к металлу. Поперек плоскостей он в сотни раз меньше, а самый высокий – у рекристаллизованного графита. Алмаз не проводит электричество, он – диэлектрик.

При сравнении основных характеристик обнаруживаются существенные различия. Некоторые качественные параметры прямо противоположные.

По десятибалльной шкале Мооса алмаз имеет твердость, равную 10, а графит – 1.

Свет может легко проходить сквозь кристалл самоцвета. Используя это свойство, самоцвет гранят особым образом и получают бриллиант. Отраженные от граней лучи играют всеми цветами радуги. Графит непрозрачный и поглощает свет.

Графит обладает магнитной восприимчивостью.

Теплопроводность алмаза – от 900 до 2300, а графита – не выше 350 Вт/(м·К). Первый является диэлектриком, а электропроводимость второго приближается к показателям металлов.

Интересно, что при нагреве алмаз сохраняется до 720 градусов по Цельсию, а графит – до 3700. При нагревании до 700 градусов по Кельвину графит сжимается, а при дальнейшем росте температуры – расширяется.

Запасы природных ископаемых конечны. Промышленность стремительно развивается. Алмаз и графит применяют с целью роста потребности в материалах с данными свойствами. Если исходные минералы состоят из одного и того же элемента, можно ли получить из графита алмаз?

В естественных условиях самородки алмаза образовались при высоком давлении и резком охлаждении. В лаборатории смоделировали взрыв, получив переход графита во множество маленьких кристаллов алмаза. После многочисленных опытов, когда графит нагревали до разных температур при разных сочетаниях давления, ученые разработали методику получения искусственных алмазов.

Процесс заключается в преобразовании ковалентных связей. Кристаллическая решетка графита разрушается под воздействием высокой температуры и давления. При использовании катализатора вырастает новый кристалл – алмаз. Технология сложная.

Все происходит в прочной камере. Пресс создает высокое давление в 1010 Па. «Раствор» графита, смешанного с агентом, нагревают почти до 3000 градусов с помощью электрического тока.

После синтеза алмаза температуру и давление постепенно снижают.

Кристаллы получаются с требуемыми свойствами, но непрозрачные. Для массового использования в промышленности «чистота» — не решающий показатель. С середины прошлого века искусственный алмаз заменил в технических изделиях свой природный аналог. Выращивание крупных и чистых кристаллов оказалось делом дорогим и нерентабельным.

«Взрыв», или «ударная волна», широко не используется. Работы по изучению этого метода продолжаются. Прозрачные кристаллы, полученные таким образом, сходны с природными образцами, но размер их маленький.

Первые искусственные алмазы

Первые расчеты по теме в далеком 1939 году в СССР выполнил Лейпунский, выдающийся физик, сделавший не одно открытие в термодинамике. Только после окончания войны возобновились работы по синтезу алмазов. В 1953-54 годах это удалось в Швеции и США, а 1960 году – в Советском Союзе. С тех пор производство искусственных кристаллов растет. Методы совершенствуются и усложняются.

Оба эти вещества используются человеком как в промышленности, так и в быту. Характерные свойства обуславливают область применения.

Различают ювелирные и технические алмазы. В ювелирном деле используется не более 22% самоцветов. Для этого отбирают лучшие, как правило, природные камни. Их гранят, учитывая структуру.

Из полученных бриллиантов создают всевозможные украшения. Синтетические камни тоже используют. Изделия из них выглядят красиво, но есть отличия.

Наличие мельчайших вкраплений, оттенок граней и влияние магнита выдадут искусственный бриллиант.

В технических изделиях используют второсортный материал. В справедливое дело идут целые кристаллы, осколки и даже «пыль» от шлифовки минерала. На подшипники, наконечники буров, сверла отбирают алмазы соответствующего вида и размера.

Необработанные кристаллы с острой верхушкой применяются в электронике. Мелкие, с дефектами экземпляры и осколки измельчают в алмазный порошок. Крошка напыляется на кромки и плоскости режущих и точильных дисков, шлифовальных кругов.

Есть утверждение, что при бурении скважин в плотных породах применение алмазной коронки дает экономию времени, ресурсов и снижает общие затраты.

Инструменты с алмазным напылением предназначены для шлифовки поверхностей. С давних пор алмаз применяется для резки стекла, металла и других материалов. Часовая промышленность не обходится без этих камней.

Более тысячи промышленных товаров содержат различные виды самоцветов.

Сфера применения графита также обширна. В быту минерал используют при изготовлении грифелей для карандашей.

Графит – основа твердых смазочных материалов и входит в состав пластмасс, красок, электропроводящих клеев.

В электрических машинах присутствует в щетках, токосъемниках, реостатах и везде, где нужен подвижный электроконтакт. В металлургии при выплавке стали и алюминия применяют необработанный графит и сажу.

В ядерной энергетике графитовые стержни, замедляющие нейтроны в ядерных реакторах, – важнейший элемент реактора. В военных и космических целях применяется для защиты корпуса ракеты от перегрева.

Источник: https://velestone.ru/mineraly/almaz-i-grafit/

Свойства, которыми обладают и алмаз, и графит

Кристалл решетка алмаза. Графит и алмаз: кристаллическая решетка и свойства. Получение искусственных алмазов

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.

Судьба углерода в графите и алмазе

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.

Источник: https://vseokamnyah.ru/almaz/i-almaz-i-grafit.html

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.