Властивості, якими володіють і алмаз, і графіт
І алмаз, і графіт - це різні форми одного і того ж елемента - вуглецю. У мякого, кришиться графіту і у самого твердого кристала в світі одна і та ж формула - С. Як таке можливо?
Властивості алмазу і графіту
Алмази зустрічаються в природі в добре вираженою кристалічній формі. Це прозорий і найчастіше безбарвний кристал, хоча бувають і алмази, забарвлені в блакитний, червоний і навіть чорний кольори. Таке колірне відступ від правила повязано з особливостями природних умов формування кристала і наявності в ньому домішок. Очищений і відшліфований алмаз набуває особливого блиску, який і оцінили люди.
Алмази добре відбивають світло і, володіючи складною формою, добре його заломлюють. Це дає знамень блиск і перелив очищеного кристала. Він є провідником тепла, але по відношенню до електрики є ізолятором.
Графіт являє собою антипод алмазу. Це не кристал, а сукупність тонких пластинок. Він чорний з сірим відливом. За зовнішнім виглядом нагадує сталь з переважанням чавуну.
Незважаючи на сталевий вид, на дотик він жирний, а при використанні виявляється ще й мяким. При найменшому натисканні він кришиться, що і привертає людини, що використовує графіт як засіб фіксації інформації на папері.
Графіт, як і алмаз, є хорошим провідником тепла, але, на відміну від свого побратима по молекулярному будові, добре проводить і електрику.
Цих різних представників полиморфности молекулярного вуглецю відрізняє один від одного тільки одне - будова молекулярної решітки. Все інше - лише наслідок головного.
У графіті кристалічна решітка організована по площинному принципом. Всі його атоми розміщені в шестикутнику, які знаходяться в одній площині. Тому звязку між атомами різних шестикутників такі неміцні, а сам графіт шаруватий, і його шари погано повязані один з одним. Така будова кристалічної решітки визначає його мякість і різноманітну корисність, але сам графіт при цьому руйнується. Однак саме така будова кристалічної решітки дозволяє, використовуючи особливі умови та інші речовини, зробити з графіту алмаз. Такі ж процеси відбуваються з цим мінералом в природі при аналогічних умовах.
Алмазна решітка побудована за принципом обємних звязків всіх з кожним і всіх з усіма. Атоми утворюють правильний тетраедр. Атом в кожному тетраедра оточений іншими атомами, кожен з яких утворює вершину іншого тетраедра. Виходить, що тетраедрів в кожному шматочку алмазу набагато більше, ніж молекул, що утворюють ці тетраєдри, оскільки кожен з тетраедрів є частиною іншого тетраедра. З цієї причини алмаз є самим незруйновними мінералом.
Доля вуглецю в графіті і алмазі
Вуглець відноситься до наймасовіших елементам біосфери і всієї планети Земля. Він в тих чи інших станах присутня в атмосфері (вуглекислий газ), у воді (розчинений вуглекислий газ і інші сполуки) і в літосфері. Тут, в тверді земної, він входить до складу великих покладів вугілля, нафти, природного газу, торфу і т.п. Але в чистому вигляді він представлений покладами алмазу і графіту.
Найбільше вуглецю сконцентровано в живих організмах. Будь-які організми будують своє тіло з вуглецю, концентрація якого в живих тілах перевищує вміст вуглецю в неживої матерії. Мертві організми осідають на поверхні літосфери або океану. Там вони розкладаються в різних умовах, утворюючи родовища, багаті вуглецем.
Походження чистих покладів алмазів і графіту викликає багато суперечок. Є думка, що це колишні організми, що потрапили в особливі умови і мінералізовані зразок вугілля. Вважається також, що алмази мають магматичної походження, а графіт - метаморфічне. Це означає, що в концентрації алмазів на планеті беруть участь складні процеси в надрах землі, де мимовільно в присутності кисню виникає вибух і горіння. В результаті взаємодії молекул метану і кисню і виникають кристали алмазу. При цих же процесах, але в певних умовах можлива поява і графіту.
Як отримати з графіту алмаз
отримання штучних алмазів при сучасному рівні розвитку хімії давно не є проблемою. Те, що природа робить за мільйони років, людина може зробити за набагато коротший термін. Головне - відтворити умови, в яких в природі одна форма чистого вуглецю переходила в іншу, тобто створити високу температуру і дуже високий тиск.
Вперше такі умови були створені за допомогою вибуху. Вибух - це миттєве горіння під великим тиском. Після того як зібрали те, що вдалося зібрати, зясувалося, що в графіті зявилися маленькі алмази. Така фрагментарна перетворення сталося тому, що вибух створює велику різноманітність тиску і температури. Там, де мають місце умови для переходу з графіту в алмаз, це і сталося.
Ця нестійкість процесів зробила вибухи неперспективними для виробництва алмазів з графіту. Вчених це, однак, не зупинило, і вони із завзятістю продовжували піддавати графіт всяким випробувань в надії змусити його стати алмазом. Стабільний результат дало нагрівання графітового бруска імпульсами до температури в 2000 ° С, що дало можливість отримати алмази значні обсяги.
Досліди з високим тиском дали несподівані результати - графіт перетворювався в алмаз, але при зменшенні тиску переходив в свій початковий стан. Стабільно зменшити відстань між атомами вуглецю тільки за допомогою одного тиску не вдавалося. Тоді стали поєднувати тиск і високу температуру. Нарешті, вдалося зясувати діапазон поєднань температури і тиску, при якому можна отримати кристали алмазу. Правда, при цьому виходив тільки технічний алмаз, використання якого в ювелірній справі було утруднено.
Крім великих витрат на енергетичне забезпечення процесу переведення графіту в алмаз існувала ще одна проблема - при збільшенні тривалості впливу високою температурою починається графитизация алмазу. Всі ці тонкощі ускладнюють промислове виробництво алмазів. З цієї причини видобуток алмазів в природі, вкрай руйнівна для неї, залишається актуальною і прибутковою.
Щоб отримати алмаз, призначений для ювелірних цілей, стали вирощувати кристали, використовуючи приманку. Готовий кристал алмазу піддавався впливу температури в 1500 °, що стимулювало зростання спочатку швидкий, а потім повільний. Чим більше кристал, тим повільніше він ріс. Цей ефект зробив цікавий досвід лише досвідом, оскільки його виробництво в промислових масштабах стало нерентабельним. Чи не поліпшило ситуацію і застосування метану як «підживлення» зростаючого алмазу. При високому тиску і температурі метан руйнується до вуглецю і водню. Цей вуглець і є "кормом" для алмазу.
Застосування алмазу і графіту
Обидва мінералу широко використовуються в промисловості.
Алмази застосовують:
- в електротехніці;
- приладобудуванні;
- радіоелектроніці;
- на бурових установках
- в ювелірній справі.
Графіт використовується при:
- виробництві тиглів і іншого вогнетривкого обладнання;
- виготовленні мастильних матеріалів;
- виготовленні олівців;
- виробництві обладнання для електровугільного промисловості.
Незважаючи на різноманітність застосування як графіту, так і алмазу в різних галузях промисловості, можна сміливо говорити про більшу користь графіту. Алмаз через ідеальності своєї кристалічної решітки інертний. Його можна використовувати тільки як алмаз. Велика частина видобутих в природі алмазів йде на потреби ювелірної промисловості, оскільки мінерал є одним з найдорожчих дорогоцінних каменів, стаючи діамантом, він стимулює оборот грошей, і це його основна властивість в економіці.
Графіт, вилучений з природи, стає самодостатньою цінністю, а великим трудівником виробництва. Завдяки своїм властивостям він використовується і в своєму справжньому, природному вигляді, тобто як графіт, і як засіб, на основі якого можуть бути отримані нові речовини, наприклад, той же алмаз.
