Какие свойства алмаза и графита

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.

Свойства алмаза и графита

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.

Отличия между графитом и алмазом

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.

Как получить из графита алмаз

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.

Применение алмаза и графита

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.

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.