Кристалічна решітка алмаза: тип, будова, схожість з графітом

Дізнавшись фізичні властивості алмазу і графіту, вчені відзначили, що це різні форми вуглецю. Перший – це дорогоцінний мінерал, один із самих твердих у світі. За прийнятою у геммологов шкалою Мооса алмаз має найбільший бал твердості – 10. Графіт за цією системою не дотягує навіть до 2. Блискуча коштовність і грифель простого олівця складаються з вуглецю. Різниця цих мінералів визначає тип кристалічної решітки. Але властивості їх сильно відрізняються один від одного. Про це читайте нижче.

Що таке алмаз і графіт

Алмаз – найтвердіший мінерал. Зовні це прозорий камінь, у якого чітко видно кристалічна форма. Діаманти безбарвні, але зустрічаються різні відтінки, серед яких навіть чорний. Колір залежить від природних умов, в яких формувався камінь, а також від різних домішок в його структурі.

Різниця з усіх боків

Графіт – крихке, жирне на дотик речовина, що має металевий блиск, що складається з молекул вуглецю, розташованих шарами і утворюють дрібні тонкі пластинки. При його натисканні на листку залишається слід.

склад мінералів

Перше, з чого почнемо розгляд характеристики алмазу і графіту, це склад мінералів. Обидва – з вуглецю, шостого елемента періодичної системи.

Оскільки алмаз і графіт складаються з частинок вуглецю, тип речовини у них – індивідуальний, а якісний склад утворений сполуками атомів вуглецю. Формула алмазу і графіту в хімії проста – С, вуглець. Цей хімічний елемент не має запаху, тому ні алмаз, ні графіт нічим не пахнуть.

Вона складається з частинок вуглецю

Хоча хімічна формула алмаза має схожість з формулою графіту, у структур, в які з’єднуються атоми вуглецю, утворюючи кристалічну решітку, є різниця.

Коли у мінералів кристалічні решітки мають відміну, але для них характерний ідентичний хімічний склад, їх називають поліморф. Розглянуті мінерали – різні види поліморфних модифікацій вуглецю.

Як і де знаходять вуглецеві мінерали

Подібність елементарного хімічного складу не обумовлює схожі властивості речовин. Відмінності пояснюються труднощами походження двох різних вуглецевих порід. Алмази утворюються під дією сильного тиску після надшвидкого охолодження. А якщо атмосферний тиск занижено, то при досить високій температурі утворюється графіт.

кімберлітові трубки

Підтвердженням того, що алмаз і графіт утворилися не однаково, служить їх знаходження в природі. Близько 80% всіх діамантів добувають в кімберлітових трубках – глибоких воронках, утворених магмою, що вийшла після вибуху і виходу назовні підземного газу.

Графітових же родовищ багато в осадових породах і пластах, утворених магмою.

Хімічна зв’язок в вуглецевих мінералах

Частинки, з яких складаються тверді речовини, з’єднані в кристалічні решітки. Науці відомі 4 види таких решіток – іонна, молекулярна, атомна і металева.

Зовні дорогоцінний кристал схожий з кристалами солі, але у солей іонна кристалічна решітка.

Кристалічна решітка алмаза

Тип кристалічної решітки алмазу, як і його поліморфа графіту, атомна. В її вузлах лежать атоми вуглецю. Агрегатний стан – тверде тіло. Але все ж за твердістю вуглецеві поліморфи різні.

Властивість алмаза бути таким міцним обумовлено силою хімічного зв’язку атомів. Структура Діамант тривимірна, атоми вуглецю в ньому розташовані в формі тригранної піраміди, тетраедра. Кожна атомарна частка однаково міцно з’єднується з усіма чотирма сусідніми, це здійснено за допомогою ковалентного зв’язку.

Атомарному графіт – це безліч шарів шестикутних фігур, в кожній вершині яких розташований атом вуглецю. Його шарувата структура двомірна. Зв’язок в шарах ковалентная сильна, а між шарами набагато слабкіше, як у речовин з молекулярною кристалічною решіткою. Пласти пов’язані неміцно. Тому твердість графіту менше в порівнянні з діамантом.

Кристалічна решітка графіту

Взаємозв’язок атомної будови і фізики мінералу

Розглянемо, як зовні проявляється геометрія атомів. Відмінність властивостей алмазу і графіту безпосередньо пов’язано з типом будови кристалічної решітки. Кристалічна решітка алмазу має ланки з 4 добре з’єднаних атомів вуглецю. Вони утворили надміцні ковалентні сигма-зв’язку. Оптичні властивості міжатомних з’єднань поглинають світло, роблячи кристал прозорим. А міцна фіксація негативно заряджених елементарних частинок в однорідних за силою зв’язках надає йому твердість і властивості діелектрика.

Освічені ковалентні пі-з’єднання гексагональної кристалічної решітки графіту скріплюють атоми вуглецю в шари. При такого зв’язку кілька електронів залишаються вільними, тому пласти скріплені між собою незначно. Рух нелокалізованих елементарних частинок зі знаком мінус надає графіту електропровідність. У них відсутня світлова провідність, що позбавляє речовина прозорості, тому у графіту колір чорний.

Алотропні модифікації вуглецю

Аллотропия – це здатність хімічних елементів існувати в двох і більше фізичних формах (алотропія). Найширшої з усіх відкритих є аллотропия вуглецю.

Якщо ви перерахуєте основні вуглецеві аллотропние видозміни, то це будуть:

  • алмаз;
  • графіт;
  • карбин;
  • фуллерен.

Із зазначених вище два алотропія вуглецю синтезовані. Карбин і фуллерен – отримані штучно аллотропние видозміни вуглецю. Карбин – порошок з дрібних кристаликів чорного кольору. Після відкриття в лабораторії було знайдено і природна речовина. Фуллерен – синтезований в кінці минулого століття в США жовтий кристал близько 5 мм в діаметрі.

Карбин - порошок з дрібних кристаликів

Аллотропические форми вуглецю можуть трансформуватися. Сам по собі перехід діаманту в інший стан не відбудеться. Але при нагріванні кристала в безповітряному просторі до 1800 градусів він перетвориться на графіт.

Відомі методи, що дозволяють здійснити і зворотні перетворення.

Як отримати дорогоцінний камінь з графіту

Отримати алмаз можна з графіту. При тиску понад 1000 Па і температурі 3000 градусів з додаванням металів вуглець в графіті змінює ковалентні зв’язки. Отримані в результаті камені каламутні і пористі.

Інший метод – це застосування ударної хвилі, після якої можна милуватися чистими, прозорими кристалами правильної геометричної форми, але дуже маленького розміру.

Занадто маленького розміру

Недосконалість цих методів призвело до висновку, що алмази найкраще вирощувати. При нагріванні діаманта до 1,5 тисячі градусів він росте. Але це дорого, тому сьогодні штучні коштовності отримують з метану.

Фізичні та хімічні властивості

Алмаз не володіє електропровідністю, але тепло проводить. Добре переломлює і відображає світло. Прозорий, має блиск. Плавиться при 3700-4000 градусів. Лавуазьє вперше спалив домінують в 18 столітті.

Пізніше вчені з’ясували, що в поєднанні з киснем алмаз горить при 721-800 градусах, випаровуючись вуглекислим газом. Без повітря може перейти в графіт при нагріванні до 2001-3000 градусів. Хімічні властивості говорять про стійкість до впливу кислот.

Добре переломлює і відображає світло

Графіт електро-і-теплопровідний, не розчиняється кислотами і водою, теплостійкий. Температура плавлення 2500 – 3000 градусів. Не горить до 250-300 градусів, але при спалюванні з температурою вище 300 і до 1000 перетворюється на вуглекислий газ.

Порівняльна характеристика

Порівняємо будову алмазу і графіту і їх фізичні властивості: твердість, теплопровідність, електропровідність, особливості хімічного зв’язку.

Про характеристики мінералів розповість докладна порівняльна таблиця:

Порівняльна таблиця характеристик алмазу і графіту

Застосування в промисловості

Ювеліри огранювати що складається з вуглецю алмаз, і він отримує блиск діаманта. Про це читайте в статті «Що таке діамант і для чого він потрібен».

У промисловості використовують камені, які мають тріщини, відколи, інші дефекти. З них роблять підшипники, свердла. Необроблені гострі кристали застосовують в електроніці як голок, в мікросхемах, лічильниках прошарку з алмазів. З алмазного порошку виробляють деталі різних механізмів, обрамляють шліфувальні кола. Детальніше про це – у статті «Області застосування технічних алмазів».

алмазні підшипники

Алмаз має менше цінності в промисловості, ніж графіт. Чорний м’який мінерал зустрічається і в канцелярському олівці, і в числі компонентів ливарного виробництва, і в електровугільні промисловості. Електропровідні властивості графіту використовують для виготовлення електродів.

Напишіть, будь ласка, в коментарях, про які властивості алмазу і графіту ви дізналися вперше.

Якщо стаття вам сподобалася, ставте лайки і діліться посиланням на неї з друзями в соціальних мережах.

Ссылка на основную публикацию