Здравствуйте, дорогие читатели. Как вам известно, алмаз, несмотря на свой завораживающий внешний вид, является простым веществом. В этой статье вы узнаете что из себя представляет формула алмаза и обеспечивает.
Камень ведет себя во многих ситуациях достаточно нестандартно, многие эксперименты и определения некоторых значений из-за этого затруднены. Однако свойства камня настолько высоки, что по-прежнему проводятся различные исследования, выдвигаются гипотезы, продолжаются попытки создания аналогов и даже веществ, превосходящих по своим свойствам алмаз.
Химическая формула алмаза
На самом деле все очень просто:
Формула алмаза — C
Это объясняется тем, что состав камня почти на 100% состоит из углерода. Но остальных элементов настолько мало, что в формуле они не учитываются. Вообще, в природе углерода не так уж много – всего 0,15% от общего числа элементов. Порядковый номер углерода в таблице 6 (то есть он имеет 6 протонов внутри ядра). Это означает, что алмаз имеет тот же порядковый номер (если еще раз взглянуть на его формулу).
Ниже приведены краткие характеристики минерала, многие из которых зависят от исходной химической формулы.
Краткие характеристики алмаза и факты о нем
- Алмаз имеет , в среднем оцениваемую как 3,5 г/см.
- Чистый алмаз является прозрачным, но часто имеет цвета и оттенки (редкие цвета ценятся выше).
- Очень блестящий благодаря показателям дисперсии и преломления.
- При всей твердости очень хрупкий.
- Очень плохо проводит электрический ток.
- Пока удается превращать в алмаз только графит, другие аллотропные модификации углерода этому не поддаются. Но обратной реакции добиться проще (превращение минерала обратно в графит), хоть это и происходит при куда более высоких температурах.
- Химическая формула не оказывает влияния на значительную разницу в свойствах разновидностей углеродных модификаций. Это обусловливается только разницей в строении кристаллических решеток веществ.
- «Упакован» минерал очень плотно, имеет всего 18 атомов.
Происхождение
Предполагается, что на создание алмаза уходит огромное количество времени, миллионы лет, также большое давление и температура. Но речь идет о природных условиях.
Ученые не исключают вероятность появления камня из-за пределов земной орбиты. Предположение строится на основании большого количества камня в окружающем нас космическом пространстве. При этом доля самого углерода на Земле не высока.
Эта гипотеза подтверждается еще и обнаруживаемыми разновидностями алмаза в космических метеоритах (например, лонсдейлит).
Химические свойства
- Алмазу присуща инертность в силу своей твердости. В связи с этим реакция горения для камня является основной:
2C + O2 = 2CO
C + O2 = CO2
- Все атомы камня расположены наикратчайшим друг от друга образом. То есть каждый атом углерода находится в середине тетраэдра, а остальные атомы располагаются по вершинам.
- Молярная масса составляет порядка 12 г/моль.
На видео представлена структура алмаза в наиболее удобной модели. Тут же вы можете узнать о некоторых свойствах камня.
Применение камня
Камень широко используется в ювелирном деле. Но помимо этого он находит свое применение в электронике, оптике и даже строительстве. С помощью него создают специализированные шкурки, им покрывают сверла, проверяют металл на прочность в установках с алмазными наконечниками.
Алмаз используется в химических опытах в качестве надежной защиты от очень едких реактивов вроде плавиковой кислоты. В хирургии без минерала также не обойтись, ведь он обеспечивает точность и миниатюрность надрезов. Алмазные скальпели – настоящая находка для врачей.
Получение минерала
Сейчас существует множество способов получения камня, так как для производства это выгоднее, чем использовать природные алмазы. Стоимость таких камней также значительно ниже. Хотя и свойства природных камней куда выше и лучше, из-за чего их добыча не прекращается несмотря на большое количество добротных аналогов, в том числе имеющих схожий состав, но алмазами не являющихся: фуллерены, лонсдейлит, графит, карбид и некоторые другие.
Также в производство отправляются камни с высоким содержанием примесей, которые в ювелирном деле не пригодятся. Таких включений должно быть более 5% в целом и более 2% одного конкретного вещества (им может оказаться кальций, азот, бор и некоторые другие). В этом случае внешний вид минерала сильно видоизменяется и никаким образом это не исправить.
В природе камень встречается в так называемых кимбрелитовых и лампроитовых трубках, также россыпях. В лабораторных же условиях и на производстве создают минерал совершенно иначе.
Исследования алмазов и эксперименты с ними продолжаются, поскольку камень очень перспективен с точки зрения своих свойств. Ученые и исследователи не оставляют попыток найти и более выгодные способы создания искусственных камней.
Таким образом алмаз благодаря своим формуле и строению обладает большим количеством полезных свойств, присущих в таких диапазонах только ему. Заходите на ресурс почаще и узнаете еще много нового о камнях и минералах.
Команда ЛюбиКамни
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.
Что такое алмаз и графит
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.
Как получить драгоценный камень из графита
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:
Алмаз - минерал, имеющий природное происхождение. Само название этого камня означает «твердый», а многие истории о его ценности и красоте уже давно обратились в легенды. Среди вас, любителей драгоценных и полудрагоценных камней, наверняка есть те, кто желает знать все об алмазах - в том числе и то, как выглядит алмаз в природной среде и после профессиональной обработки ювелирами.
Из истории алмаза
Впервые алмазные камни были упомянуты около третьего тысячелетия до нашей эры, но применять их в качестве украшений стали сравнительно недавно - менее 500 лет назад, когда мастера ювелирного дела начали осваивать методику огранки этого камня, позволяющую сделать из него бриллиант.
Известно, что русская императрица Екатерина II очень любила драгоценные камни: алмаз, безусловно, снискал ее особое расположение как наиболее прекрасный из всех минералов, а слово «бриллиант» в русском разговорном обиходе быстро стало синонимом роскоши, достатка и богатства.
Это может показаться странным, но время, когда алмаз был точно обнаружен, не удается установить до сих пор. Принято считать, что этот камень является одним из самых красивых и роскошных по внешним признакам, но таково общепринятое заблуждение, которое имеет мало общего с реальностью.
Природный алмаз, не обработанный человеком, часто выглядит даже не как драгоценный камень, а похож на кристаллический горный хрусталь неопределенной формы. Алмаз в природе часто бывает бесцветный, либо прозрачный, и неискушенный взор далеко не всегда распознает в нем тот самый вид камня, который может оказаться бесценным экземпляром для хорошего специалиста.
На разных языках твердость алмаза выражается почти одинаково. По арабски это звучит как «алмас», то есть, «тверже всех». В греческом языке описание этого камня выражено словом «адамас», что в переводе означает «несокрушимый». В русском языке понятие «алмаз» впервые прозвучало из уст знаменитого путешественника Афанасия Никитина в XV веке, что получило свое описание в известном литературном произведении «Хождение за три моря».
Есть ли в природе что-либо тверже?
Твердость алмазного камня давно уже известна, и считается, что ему нет в этом равных. Однако любопытное человечество уже давно задается вопросом: может, есть в природе какая-нибудь горная порода или иные полезные ископаемые, которые могли бы составить конкуренцию алмазу по показателю его легендарной «несокрушимости»?
Сразу хотелось бы точно заверить всех интересующихся: алмаз - самый твердый минерал, и равных ему в этой области, действительно, нет. Он полностью соответствует своему названию, и тверже него может стать только он сам, если его обработать с помощью специального способа.
От чего зависит твердость, которой так славятся алмазные камни? Этот показатель напрямую зависит от состава их кристаллической решетки. Если кристаллическую решетку обработать путем определенного метода, удалив из нее все возможные дефекты, то синтетическим путем возможно получить новое лабораторное вещество под названием «гипералмаз». Это алмаз, кристалл которого настолько идеален, что по прочности в одиннадцать раз превышает показатель натурального материала. За основу был взят тип прочной «решетки», которую подарила ученым редкая разновидность алмаза под названием «карбонадо»: камень черного цвета.
Как известно, обычные алмазы, состоящие из одного кристалла (или монокристаллические), несовершенны и имеют много природных изъянов и трещин. Бывает, что они не выдерживают очень высоких температур и давления. Но после того, как у специалистов получилось воспроизвести в лабораторных условиях поликристаллическую структуру карбонадо, можно с уверенностью сказать, что тверже такого материала камня точно нет. Из него можно создавать изделия, имеющие самые разнообразные размеры и формы, которые являются сверхустойчивыми к любым температурным условиям.
Состав и свойства камня
Алмазный камень имеет углеродное происхождение. Самый распространенный его вид - это прозрачный алмаз, который может быть как бесцветным, так и иметь определенные оттенки той или иной цветовой гаммы, придающие ему особенную привлекательность. Блеск алмаза на солнце очень ярок - вероятно, именно он когда-то и привлек человека к себе, побудив его начать использовать разные виды алмазов в качестве украшений, а впоследствии - к созданию уникальных бриллиантовых экземпляров, получивших великолепную рукотворную огранку.
Атомы кристаллической решетки камня имеют кубическую форму. Именно она является причиной высоких показателей твердости: шкала Мооса дает ему самую высокую оценку в десять баллов. Но есть одна тонкость, которую в свое время мастера не могли учитывать: это так называемая совершенная спайность, по причине которой алмазные кристаллы, несмотря на прочность, являются очень хрупкими . Именно такое парадоксальное свойство часто становилось причиной того, что ценные виды алмаза подвергались разрушению.
Как уже говорилось, алмазы, природные свойства которых не были облагорожены рукой хорошего мастера-ювелира, выглядят весьма скромно и порой даже невзрачно. Как выглядит алмаз, только что найденный в том или ином месторождении? Обычно, он представляет собой небольшой окаменевший конгломерат, поверхность которого выглядит матовой, а если ее взять в руки, то сразу можно почувствовать приятную шероховатость.
Кристаллы алмаза чаще встречаются единичные (или обособленные), но бывают и сросшиеся экземпляры, представляющие собой мелкокристаллические образования, либо разновидности алмазов более крупной формы.
Где и как они образуются
Теорий, рассказывающих о том, существует несколько. Наиболее обоснованная и логичная из них - это магматическая теория . Если опираться на нее, то атомы углерода под воздействием высокого давления (как минимум, пятьдесят тысяч атмосфер) могут изменять структуру своей кристаллической решетки, формируя этот замечательный камень. При этом глубина его залегания составляет 100 км и более. В дальнейшем при извержении вулканов алмазы выносятся магмой на поверхность Земли.
Классификация алмазов, которая сортирует их на основании форм кристаллов, цветового показателя и иных свойств, выделяет интереснейшие метеоритные виды этих камней. Вероятно, что такая разновидность алмаза имеет неземное происхождение и возникла еще до того, как в нашей Галактике появилось Солнце. Также есть доказательства того, что в природе имеются кристаллы, которые образовались на падающих метеоритах вследствие действия на них огромного давления и температурных факторов.
Примечательным фактом является и то, что любые типы алмазов - это не что иное, как «близкие родственники» графита, который и подвергается процессам кристаллизации в недрах Земли под высочайшим давлением и температурой на большой глубине. Когда вулканическая лава выбрасывает уже «подготовленные» природой камни наверх, происходит образование кимберлитовых трубок: так называются все коренные алмазные месторождения.
Когда на Землю падает метеорит, показатель температуры в тот момент, когда он ударяется о ее поверхность, составляет 3000°С, а давление поднимается до 100 гПа. Поскольку такие экстремальные условия приближены по цифрам к тем процессам, которые происходят в недрах нашей планеты, это и становится реальной почвой для образования импактного вида горной породы, в состав которой входят кристаллы алмазов.
Камни, имеющие явно внеземное происхождение, в больших количествах находили в США - в том самом Гранд-Каньоне, куда 30 000 лет назад упал огромный метеорит. Похожее месторождение, возникшее в результате падения метеорита, есть и в Якутии. Такие крупные метеоритные кратеры называются астроблемами и имеются в разных уголках Земли: кроме США и Якутии аналогичное месторождение в виде кратера имеется в северных регионах Сибири.
Несмотря на свою очевидную редкость, алмаз - это камень, который распространен очень широко. Его месторождения можно отыскать везде, кроме Антарктиды.
Разнообразие форм и размеров
Алмаз - это камень с весьма разнообразный по своим морфологическим признакам. Форма алмаза бывает как моно-, так и поликристаллической, от чего напрямую зависит и показатель прочности. Уже упоминавшийся черный карбонадо как раз имеет поликристаллическую структуру, которая и была скопирована учеными в лабораторных условиях для синтетического выведения суперпрочного камня. Кимберлитовые месторождения представляет исключительно тот алмаз, форма которого являет собой октаэдр или плоскогранник.
Бывают и сложные кристаллы с изначальной формой ромбов или кубов, среди которых встречаются экземпляры, имеющие типичные формы с округлыми гранями - ромбодекаэдроиды. Они возникают, когда алмазы растворяются под действием кимберлитового расплава. Что касается кубоидного вида кристаллов, их образование обеспечивает волокнистый рост алмазов, идущий по нормальному механизму. Кстати, алмазы, выведенные лабораторным путем, чаще всего характеризуются кубовидными кристаллами, что является одним из их отличий от природного камня.
Кристаллы у разных алмазов бывают разными: от тех, которые можно рассмотреть только под микроскопом, до очень крупных. Например, в 1905 году в Южной Африке был обнаружен экземпляр весом 0,621 кг, что составляет 3106 карат . Его изучали в течение нескольких месяцев, а потом раскололи на несколько частей. Редкими камнями считаются те, масса которых превышает 15 карат, редчайшими - с массой в 100 карат и более. Как правило, они непременно занимают особое место в истории, и им даже дают имена.
Цветовая гамма
Каких цветов бывают алмазы? В зависимости от примесей, содержащихся внутри них, а также особенностей химических реакций, которые протекали в процессе образования камня, цвет алмаза может варьироваться.
Необычайную красоту представляет собой камень, который не имеет никаких цветов, прозрачность алмаза такого типа иногда образно охарактеризовывается известной фразой «алмаз чистой воды». Чаще всего экземпляры имеют легкий оттенок какого-либо цвета или «нацвет». Камни же «чистой воды» попадаются среди них реже всего.
Процесс образования красных, розовых и коричневых камней до сих пор не изучен до конца, что придает им своеобразную мистичность и привлекательность
Если речь идет о камне синего цвета, алмаз, имеющий такую окраску, давно заслужил звание аукционного и уникального. Синий цвет ему придает замещение атомов кристаллической решетки с углерода на бор. Облагораживание природных алмазов синим цветом часто практикуется специалистами и в лабораторных условиях.
Также не менее редкими являются , миссия которых - представлять ценнейшие частные коллекции. Однако и здесь уже давно применяется технология «превращения» более распространенного желтого алмаза в голубой путем рукотворных химических реакций.
Зеленый цвет алмаза приобретается, когда на него длительное время действует природное радиационное излучение. Эти минералы, действительно, прекрасны своим насыщенным темно-зеленым оттенком и получают у ювелиров очень высокие оценки.
Черный алмаз залегает в верхних слоях земной коры, а структура его решетки состоит из микроскопических кристаллов, сросшихся между собой. Он необычайно красив и прочен - о нем уже неоднократно упоминалось в нашей статье.
Применение
Как отличить настоящий алмаз от подделки
Развитие химической промышленности дает простор для распространения искусно выполненных подделок или имитаций, многие из которых пользуются известным успехом у покупателей по причине яркости и невысокой стоимости.
Однако всегда есть возможность отличить природный камень от рукотворного:
- Например, натуральный бриллиант обладает способностью сильно рассеивать световой поток . Если через камень направить световой луч, и он не изменит своего направления и останется однородным - это точно подделка.
- Природный алмаз начинает светиться при воздействии на него ультрафиолетовых лучей .
- Известный своей прочностью, настоящий алмаз не подвергается истиранию . В связи с этим имеет смысл внимательно рассмотреть все его грани через лупу: если на них есть царапины, трещины или потертости - камень фальшивый.
- Если условия позволяют, по грани камня можно провести маркером . Если линия прямая и не расплывается - алмаз, скорее всего, настоящий.
- Натуральный камень не запотевает , если на него слегка подышать.
- Также существует весьма «варварский», но целесообразный опыт погружения алмаза в кислоту - если это не подделка, с ним точно ничего не случится .
Часто за алмазы выдают фианиты - искусственные камни, разработанный в институте ФИАН почти пятьдесят лет назад. Отличить его от природного камня бывает непросто, но здесь следует обратить внимание на количество граней. У бриллианта их стандартное количество - 57, а у подделок - намного меньше. Обычно такой эксперимент проводится через лупу с 12-кратной степенью увеличения.
Алмаз - прекрасный камень, который всегда будет цениться среди любителей и профессионалов в ювелирном деле, а если уметь отличать натуральный минерал от подделки и знать о том, как определить алмаз на предмет подлинности, есть шанс приобрести украшение хорошего качества, которое будет служить вам в течение многих лет.
Алмаз - это простое вещество-неметалл, которое почти полностью состоит из углерода. Этот минерал известен благодаря своему широкому использованию в ювелирном деле, а также из-за своих необычных физических свойств, среди которых выделяется высочайшая прочность. При этом химическая формула алмаза такая же, как у обычного графита - C, а его уникальность и ценность обусловлена исключительно строением кристаллической решётки.
Формула и структура минерала
Углерод, он же карбон - это элемент, имеющий в таблице Менделеева шестой порядковый номер и записывающийся как C. Именно из него целиком состоит алмаз - количество примесей, если они есть, настолько мало, что они не учитываются в формуле. Помимо алмаза, углерод принимает такие аллотропные, то есть состоящие из одного вещества, формы:
- древесный уголь;
- сажа;
- графит;
- графен;
- карбин;
- кокс;
- алмаз гексагональный, или лонсдейлит;
- фуллерен;
- поликумулен;
- УНТ или углеродные нанотрубки.
Некоторым трудно поверить, что прозрачный и прочный алмаз имеет одинаковый состав с обычной сажей, углём или графитом, но это так. Дело в том, что, в отличие от прочих веществ, состоящих из углерода, атомы алмаза образуют кубическую упорядоченную структуру, чем и объясняются его необычные качества и внешний вид.
Кристаллическая решётка минерала имеет кубическую форму. Каждый атом в её структуре находится в центре тетраэдра, вершины которого представляют собой 4 других атома, при этом между ними образуется надёжная сигма-связь. Расстояние между всеми атомами одинаково и составляет примерно 0,15 нм. Кроме того, для решётки минерала характерна кубическая симметрия. Все эти качества и особенности структурной формулы алмаза и обусловливают его огромную прочность по сравнению с веществами-«родственниками».
Характеристики вещества
В идеале драгоценный камень должен состоять из чистого углерода, но в природе такое встречается редко. Примеси в минерале могут как отрицательно влиять на его качество, снижая цену, так и придавать ему красивые и необычные оттенки. Ещё на цвет иногда может повлиять радиоактивное излучение. Обычно натуральные алмазы - жёлтые , но встречаются и голубые, синие, зелёные, розовые и даже красные экземпляры. Несмотря на разнообразие оттенков, чистый минерал всегда должен быть прозрачен.
В природе алмазы имеют самые разные формы. Чаще всего встречается кристалл с восемью гранями в форме правильного треугольника. На втором месте - ромбододекаэдр с двенадцатью гранями. Бывают также кубические и круглые камни, но они очень редки. При огранке минерала потери вещества стараются свести к минимуму, чтобы максимизировать прибыль от производства бриллиантов.
Добыча и производство
Ни один из этих способов пока что не может создать камни, по своему качеству близкие к натуральным, потому их редко используют в ювелирном деле. Кроме того, все виды производства далеки от массовых, потому старания учёных в этом деле пока продолжаются.
Применение алмаза
Огранённый алмаз, он же бриллиант - это очень популярный драгоценный камень, являющийся также одним из самых дорогих. Хотя на продажу в качестве ювелирных украшений поступает только малая часть минерала, именно она составляет основную часть дохода с его добычи. В значительной степени дороговизна камня обусловлена монополизацией производства бриллиантов - более 50% их оборота принадлежит одной компании.
Помимо ювелирного дела, есть ещё множество отраслей, в которой минерал нашёл своё применение. В основном ценится его высочайшая прочность, обусловленная структурной формулой алмаза. В химии его применяют для защиты от кислот и некоторых очень едких веществ. В промышленности алмазную плёнку наносят на резцы, свёрла, ножи, части добывающих установок и другие подобные инструменты Алмазную крошку используют как абразив для шлифования точильных поверхностей.
Используют его и в создании медицинских инструментов , так как острота и прочность алмазных изделий может обеспечить максимально точные надрезы при операциях. Ещё его применяют для изготовления деталей для современных квантовых компьютеров и часов, в ядерной промышленности, а также во многих других отраслях.
УЧЕБНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМНАУЧНЫЕ РАССКАЗЫ ДЛЯ ЧТЕНИЯ
Продолжение. См. № 4–14, 16–28, 30–34, 37–44, 47,
48/2002;
1–10, 12–15, 16, 17, 18, 19, 20/2003
§ 5.3. Вещество
в кристаллическом состоянии
В веществе, находящемся в кристаллическом
состоянии, частицы расположены в определенном
порядке, образуя кристаллическую решетку. Кристаллическая
решетка
представляет собой
пространственное периодическое расположение
частиц в кристалле. Точки кристаллической
решетки, в которых расположены частицы,
называются узлами кристаллической решетки.
В зависимости от природы частиц, образующих
кристалл, и типа химической связи между ними
кристаллы подразделяются на атомные,
молекулярные, ионные, металлические.
В атомных кристаллах
атомы связаны
ковалентной неполярной связью. Характерным
примером таких веществ является алмаз, в
кристаллической решетке которого все
наиближайшие межъядерные расстояния и все углы
между четырьмя связями атома углерода равны.
Тетраэдрический угол между этими связями
свидетельствует об sp
3 -гибридном
состоянии валентных электронных орбиталей атома
углерода.
Модель кристаллической решетки алмаза показана
на рис. 5.3, а.
Алмаз – чрезвычайно устойчивая форма углерода, и не известно ни одного случая самопроизвольного перехода при обычных условиях алмаза в графит. Мы говорим о кинетической устойчивости алмаза, т. к. термодинамически более устойчивой формой углерода является графит. При нагревании алмаза без доступа воздуха выше температуры 1200 °С начинается его переход в графит.
Из алмазов особой огранкой, специально выявляющей его блеск, изготовляют бриллианты , сверкающие всеми цветами радуги в отраженном свете. Бриллианты – очень дорогие драгоценные камни (масса бриллианта измеряется в каратах, 1 карат = 0,2 г). Алмаз не проводит электрический ток.
Графит – черное, пачкающее бумагу и руки
вещество, проводящее электрический ток.
Кристаллическая структура графита совсем не
похожа на структуру алмаза. Атомы углерода в
графите расположены плоскими сетками, причем
углы между связями равны 120°. Это позволяет
предположить, что валентные электронные
орбитали атома углерода находятся в sp
2 -гибридном
состоянии и каждый атом связан с тремя другими
атомами (рис. 5.3, б). Интересно заметить, что
связи С–С в графите более прочные, чем связи в
алмазе.
В плоскости перекрывания гибридных орбиталей (-связи) электроны
прочно закреплены при своих атомах углерода
(локализованы). Однако графит – хороший
проводник тока. (Перечислите бытовые и
промышленные изделия, где используется графит
как проводник тока.)
Электропроводность графита наилучшим образом
объясняется тем, что негибридная р
-орбиталь
атома углерода, располагающаяся перпендикулярно
плоскости перекрывания sp
2 -гибридных
орбиталей, перекрывается своими боковыми
областями с тремя подобными орбиталями трех
соседних атомов. Таким образом, выше и ниже этой
плоскости находятся единые для всех атомов
углерода зоны -перекрывания.
В этом общем электронном облаке электроны уже не
относятся к какому-либо определенному атому
углерода, а принадлежат всем атомам, находящимся
на плоскости. Графит проводит электрический ток
по слою атомов, но не между слоями. Это прекрасный
пример анизотропии кристалла!
В графите слои атомов легко скользят
относительно друг друга. Когда вы пишете
графитовым карандашом по бумаге, на ней остаются
сместившиеся и прилипшие к бумаге слои атомов. В
то же время графит не рассыпается на слои атомов,
это свидетельствует о том, что они
взаимодействуют между собой. Связи между
плоскостями (слоями) очень слабы, их длина почти в
2,5 раза больше, чем межъядерное расстояние С–С в
плоскости. За эти связи ответственны силы
Ван-дер-Ваальса
.
Графит и алмаз – это различные кристаллические
формы, построенные из одинаковых атомов. Явление
изменения кристаллической структуры одного и
того же вещества при изменении внешних условий
называется полиморфизмом
, а сами эти
вещества с различной кристаллической структурой
называются полиморфными модификациями
.
Алмаз и графит – полиморфные модификации
углерода. Полиморфизм относится только к
кристаллическим веществам.
В общем случае способность простого вещества существовать в различных формах называется аллотропией . Графит и алмаз можно назвать аллотропными модификациями углерода и одновременно его полиморфными модификациями.
Газообразные кислород О 2 и озон О 3 – это аллотропные модификации кислорода, но не полиморфные.
Молекулярная кристаллическая решетка
построена из молекул вещества. Обычно такие
вещества имеют низкие температуры плавления и
кипения, что говорит о слабой связи частиц между
собой. К такого типа веществам относятся,
например, твердые водород Н 2 , азот N 2 ,
кислород О 2 , галогены (фтор, хлор, бром, йод),
углекислый газ СО 2 («сухой лед»), все
благородные элементы VIII группы (неон, аргон и др.)
и многие органические вещества.
На рис. 5.4 показан фрагмент кристаллической
решетки йода, в узлах которой находятся молекулы
I 2 . Атомы йода в молекуле связаны довольно
прочной ковалентной -связью, а молекулы между собой –
слабыми силами Ван-дер-Ваальса. В связи с этим при
незначительном нагревании йод, не плавясь,
переходит из кристаллического состояния в
газообразно
Среди кристаллов с молекулярной
структурой особое место занимает
кристаллическая вода – лед. Во льду молекулы
воды связаны между собой водородными связями.
Ионные кристаллические решетки
построены из противоположно заряженных ионов. На
рис. 5.5 изображен фрагмент кристаллической
решетки хлорида натрия NaCl. Благодаря сильному
электростатическому взаимодействию ионов
наряду с химической связью между ними ионные
кристаллы отличаются высокой температурой
плавления.
Список новых и забытых понятий и слов
О.С.ЗАЙЦЕВ
Печатается с продолжением