Алмаз и его химические свойства

Формула алмаза

Что такое алмаз известно почти каждому человеку в мире. Это безумно дорогой драгоценный камень. В сознании людей все, что связано с алмазами признаки богатства (алмазные украшения, алмазный фонд). И только специалисты могут с точностью ответить, какой химический состав алмаза, какие его свойства.

Аллотропные модификации

Алмаз в идеальном представлении — кристаллическая форма углерода. Формула строения алмаза и химическая формула углерода эквивалентны. Углерод — представитель распространённых элементов во вселенной и входил в газовое облако, из чего по предположению учёных образовались планеты солнечной системы. Углерод — не металлический элемент. Около 0,14 % земной коры состоит из углерода. Обозначен в таблице Менделеева буквой С (carboneum), и химическая формула минерала алмаза имеет такой же вид. Кроме того, углерод имеет и другие аллотропные модификации с различными формами связывания атомов углерода между собой, точное число указать трудно. Наиболее известные модификации:

  • алмаз;
  • графит;
  • карбин;
  • лонсдейлит;
  • фуллерены;
  • углеродные нанотрубки;
  • графен;
  • уголь;
  • сажа и другие.

Новые свойства углерод приобретает при изменении ковалентной связи. Рассмотрим алмаз и графит, как самые распространенные и внимательно изученные аллотропные модификации углерода.

Углерод и алмаз

Графит и алмаз, химический состав и химические свойства

Редкий алмаз и привычный графит — вещества, образованные одним и тем же элементом и могут превращаться друг в друга. Нагретый до 2000оС без доступа кислорода в специальной печи технический алмаз превращается в черный порошок графит. Значит ли это что алмаз и графит одно и то же вещество? И да, и нет. Алмаз и графит представляют собой различные аллотропные модификации углерода.

Атом углерода состоит из 6 электронов, расположенных на 2 энергетических уровнях: на первом 2 S-электрона, на втором 2 S-электрона и 2 P-электрона. При возбуждении атома (переход на более высокий уровень энергии) происходит перемещение 1 S-электрона на Р подуровень. Арбиталии двух электронов гибридизируются и атом приобретает форму тетраэдра.

Возможны и другие формы гибридизации. Например SP2. Если в перестройке участвует не 1, а 2 P-электрона, то гибридные облака располагаются симметрично в плоскости, а не затронутые гибридизацией Р-облака в перпендикулярной области. Атомы углерода образуют двойные связи между собой: сигма связи (прочный тип ковалентной связи) и пи связи (менее прочный тип ковалентной связи).

При такой гибридизации образуется кристаллическая решетка графита. В ней связи атомов, лежащих в одной плоскости чрезвычайно прочны, а связи в другой плоскости — нет. Это обусловлено силами межмолекулярного взаимодействия и блуждающими свободными электронами. Такой вид кристаллической решетки графита объясняет его металлические свойства, таких как электропроводность.

Графит устойчив при высоких температурах.

Он применяется для изготовления электродов для электродуговых приборов и электропечей.

Графит способен расслаиваться под действием приложенных сил, что позволяет использовать его в качестве сухой смазки для уменьшения трения. Графит обладает свойствами замедлять нейтроны. Поэтому его используют в урано-графитовых реакторах ядерных электростанций. Крупные месторождения графита находятся на юге Украины и в Краснодарском крае.

Алмаз — другая аллотропная форма углерода. Природные минералы могут иметь самую различную форму. Кристаллическая решетка алмаза для всех форм одинаковая. Элементарная ячейка кристалла алмаза представлена в виде тетраэдра, где в вершинах расположены атомы углерода, имеющие прочные сигма связи. Атомы в вершинах тетраэдров образуют центры новых тетраэдров. Хотя связи направлены к вершинам тетраэдра, решетка алмаза имеет кубическую симметрию. Расстояние между атомами равно 154 пика метрам.

Итак, аллотропные модификации углерода графит и алмаз отличаются тем, что у графита прочные плоскостные связи, а у алмаза пространственные.

Алмаз и графит - родственники!

Атомные и молекулярные формы углерода

При описании химических решеток используются всего два вида: молекулярный тип и атомный тип. Нужно отметить, что понятие молекула не входит в описание химического строения алмаза, так как именно атом, а не молекула является ячейкой кристаллической решетки. Кстати, нет и понятия молекула углерода, в природе элемент создает химические соединения.

Если рассмотреть другие химические модификации углерода, то молекула углерода найдена в фуллеренах. Она имеет форму замкнутых многогранников. Открытие фуллерена произошло в 1985 году, когда была открыта 60-атомная молекула С60, по своей форме очень похожу на футбольный мяч. Молекула — это плоская сетка из шестиугольников (графит), сшитая в замкнутую сферу (сфероид), изменяющиеся связи часть шестиугольников преобразуется в пятиугольники. Открытие помогли сделать исследования масс-спектра паров графита при лазерном облучении. Далее была найдена молекула С70, отличающаяся от С60 10 атомной вставкой. На сегодняшний день молекула фуллерена представлена формулами от С60 до С540.

Свойства алмаза

Алмаз мог появиться в период формирования центрального ядра земли, под влиянием гигантских давлений и температур. На поверхность земли камни попали при процессах горообразования с глубинными породами. В результате образовались глубинный тип месторождения — алмазная трубка. Согласно другой теории кимберлитовые трубки создавались в результате взрывов при поднятии магмы, богатой газами и парами. Алмаз обладает следующими уникальными свойствами:

  1. Наивысшая твердость среди минералов. В шкале твердости алмаз занимает первое место. Ни один минерал не может повредить поверхность алмаза. Сам же минерал может наносить царапины на любой материал. При исследовании его на твердомере было получено значение в 4,8 раза больше, чем твердость корунда.
  2. Алмаз великолепный изолятор.
  3. Он чрезвычайно стоик химически. На него не действуют кислоты, в которых активно растворяются металлы.
  4. Горюч. Температура плавления алмаза — 4000оС. С доступом кислорода горит при температуре 850-1000 °С, а при нагреве более 1800°C без доступа воздуха переходит в графит.
  5. Показатель теплопроводности — 20-24 Вт/см, самый высокий среди твердых тел. Если камень сжать в ладони, он не нагреется.
  6. Редкостное преломление света алмаза (люминесценция). Любые по происхождению лучи заставляют камень светиться.

Алмаз и графит считаю представителями чистого углерода, но это очень условное понятие. На самом деле они содержат множество разных примесей.

Как выращивают алмазы

Месторождения алмазов. Их применение

Долгое время поставщиком алмазов считалась Индия. Сейчас центр добычи алмазов находится в Южной Африке. Здесь был найден самый большой алмаз весом 3 106 карат. В России первая алмазная трубка была открыта в Якутии. Добыча алмазов ведется открытым способом. Алмазы определяют в породе с помощью рентгеновских лучей, в потоке которых они светятся. Только малая часть из них считаются ювелирными. В качестве промышленных используют три их вида:

  1. Борт, мелкозернистый тип минерала.
  2. Баллас, круглый, овальный, грушевидный тип камней.
  3. Карбонадо, камень черного цвета, назван в честь угля (от слова карбо). Цвет угля образуется из-за большого количества примесей: примеси самородного железа и сульфидов придают темную, серую или черную окраску.

Они различаются своей кристаллографической формой и широко применяются в промышленности, в качестве резцов для обработки цветных металлов и сплавов, мелкие чистые алмазы без пузырьков воздуха применяют при изготовлении тонкой проволоки. Один шлифовальный круг с 10 граммами порошка может сделать такой же объем, что и 500 кг корундовых абразивных кругов.

Искусственные алмазы

То обстоятельство, что аллотропные модификации переходят одна в другую, используется при создании искусственных алмазов. Сделать синтетический алмаз непросто. В этом случае, графит должен приобрести прочные пространственные связи — сигма-связи. Для выращивания синтетического алмаза используются следующие способы:

  1. Использование колоссального давления и огромной температуры (HPHT тип). Специальные приборы могут сделать условия для создания алмаза близкими к природным. Графит, растворяясь в металлическом катализаторе, оседает на поверхность затравочного алмаза, выстраивая кристаллические связи.
  2. Пленочный способ химического осаждения графита (CVD тип). Получение чистого алмаза из паров метана.
  3. Способ взрывного синтеза, метод создания алмаза за счет детонации взрывчатого вещества.

Сделать процесс выращивания искусственных алмазов быстрым, дешевым и в больших объемах пока не получается. Еще не создан такой тип оборудования, который с легкостью создаст давление порядка 6000 атм и температуру близкую к 2000оС. Наука не стоит на месте и еще порадует новыми открытиями.

Оцениваем!
0