Химическая структура алмаза. Физические свойства алмаза. Для чего используют алмазы

Химический элемент углерод (C) - один из самых важных в природе. Он входит в основные строительные соединения человеческой ДНК, имеет множество соединений с другими элементами. Получаемые в результате вещества используются во многих сферах жизни. Под давлением элемент имеет свойство перестраивать свою внутреннюю структуру, превращаясь сначала в графит, а при усилении воздействия образуется кристаллическая решётка алмаза.

Строение кристалла и способ образования

В химико-физическом смысле - это аллотропная разновидность химического элемента углерода . Имеет так называемую эталонную твёрдость в шкале Мооса - она равняется десяти и делает его самым прочным материалом на Земле. В естественных условиях на поверхности практически вечен, если находится долгое время в разреженной газовой среде, то возможно его превращение в графит.

Алмаз имеет кристаллическую решётку в форме куба. Являясь самым компактным видом взаимного расположения атомов вещества, именно она является причиной всех его свойств, относящихся к прочности.

Другие характеристики алмаза:

• Хоть и твёрдый, но очень хрупок. Для того чтобы легко разрушить кристалл, достаточно одного резкого удара.
• Имеет сравнительно высокую температуру плавления - около тысячи градусов Цельсия. Под давлением в десять гигапаскалей может выдерживать и втрое большие термические нагрузки.
• Природный цвет - бледно-жёлтый. Если в составе присутствуют добавления железа или других естественных металлов, может иметь оранжевые, красные или даже зелёные оттенки.

Кубический тип кристаллической решётки алмаза состоит из 18 атомов углерода. Они сгруппированы по четыре, формируя правильные пирамиды с четырьмя вершинами - тетраэдры. Связаны между собой все эти структуры самым прочным видом связи между различными химическими соединениями - ковалентным. Это происходит из-за того, что сам кристалл в основном состоит из одноатомного вещества.

Способы применения вещества

Всевозможные пути использования алмаза обусловлены его прочностью и способностью преломлять свет. Его способностью хорошо поддаваться огранке уже давно используется в изготовлении красивейших ювелирных изделий. Основные отрасли производства , в которых используются эти кристаллы:

• Квантовые компьютеры . Используются при построении вычислительных единиц, кубитов, которые одновременно являются и оперативной памятью, и процессором таких устройств. Для использования в качестве кубита алмаз должен быть «дефектным» - содержать в своей толще атом другого вещества. Тогда хранить информацию на таком кристалле можно с использованием электронов чужеродного вещества. С помощью их спинов можно не только записывать, но и обрабатывать блоки данных. В качестве таких атомов используются, как правило, азот или кремний.
• Ядерная энергетика - отработанные в качестве замедлителей и облучённые радиоактивными изотопами графитовые стержни устаревших реакторов можно использовать в качестве вторичного топлива для более новых. Для этого стержни нагреваются, часть радиоактивных изотопов углерода высвобождается в газообразной форме и улавливается специальными датчиками. После этого такой газ прессуется в искусственные алмазы. Имея в радиоактивном состоянии некоторое значение электропроводимости, такие кристаллы впитывают ими же выпущенные гамма-лучи, являясь довольно эффективной формой топлива.
• Промышленность - кристаллы алмазов используются для изготовления режущих инструментов, причём как при заточке новых средств обработки, так и при модернизации старых путём напыления на их кромку тонкой плёнки из алмазной пыли.

Самым распространённым является, конечно, применение огранённых алмазов - бриллиантов - в ювелирном деле. В зависимости от того, какой тип кристаллической решётки у алмаза, а так же от его размера и естественной формы получаются разные вариации огранки этого вещества. Тип изделия тоже накладывает свои ограничения на форму камня - например, круглая огранка применяется в кулонах, перстнях или ожерельях, тогда как фантазийная может использоваться для украшения подвесок или сережек.

При огранке исходный кусок теряет больше половины своей массы. Масса бриллиантов измеряется в каратах, равных одной пятой грамма или 200 миллиграммам. Типичный камень, поддающийся огранке, например, в Индии, очень мелкий, массой до трети карата.

Другие лидеры в сфере производства бриллиантов - Израиль, Соединённые Штаты, Россия, Украина - занимаются огранкой камней среднего и крупного размера. Всё зависит от оплаты труда специалистов этой области в конкретной стране.

Получение искусственных алмазов

В природе алмазные кристаллы получаются в результате действия на протяжении очень большого времени геологических процессов. Для того чтобы появился естественный кристалл, должно пройти несколько тысяч или даже миллионов лет. Вещество, которое превращается в него, должно быть на протяжении всего чудовищно длительного периода под чрезвычайно высоким давлением. Поэтому советскими учёными в конце 30-х годов XX века были сначала сформулированы оптимальные физические условия для получения искусственных алмазов.

Только почти через 15 лет, после большого количества неудачных попыток, в Швеции были синтезированы первые камни. К концу девяностых годов прошлого века был разработан и опробован ещё один метод - взрывной. Для этого использовалась углеродсодержащая взрывчатка. На месте её подрыва всегда можно было обнаружить некоторое количество алмазной пыли.

Создавать искусственные алмазы можно и с помощью ультразвука. Это очень дорогой и трудозатратный метод, который пока не применяется в широких производственных целях.

Основной метод создания камней - подвергание графитовых стержней одновременному воздействию высоких температуры и давления. Примерные характеристики установок:

• Максимальная температура нагрева - 1500 градусов Цельсия.
• Предельно возможное давление - 5 гигапаскалей.

Под прессом и воздействием нагрева кристаллическая решётка графита постепенно преобразуется из гексагональной (десятиугольной) в кубическую постепенным передвиганием атомов углерода внутрь вещества.

Несмотря на то что процесс очень энергозатратный, а установки, позволяющие проводить его, очень сложны в конструкции, около 95% всех алмазов, используемых в промышленных целях на производстве - искусственные.

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, тип кристаллической решетки, тип химической связи?

1. тип кристаллической рештки алмаза тетрагональный.

   Элементарная ячейка структуры алмаза имеет форму куба. В каждой вершине этого куба расположено по атому. По одному атому находится в центре каждой грани, четыре внутри куба. Эти четыре атома, находящиеся внутри куба, принадлежат ему безраздельно и составляют душу кристалла. Каждый из атомов, расположенных в центрах граней, является общим для двух ячеек, а каждый из атомов, находящихся в вершинах куба, общим для восьми ячеек. Кубическая система самая плотная упаковка атомов.

   тип химических связей у алмаза - ковалентная,
   характерна для молекул, состоящих из одинаковых атомов каркасных структур.
   различают несколько типов химической связи: ионная, ковалентная, металлическая, водородная.
   Двойная и, тем более, тройная ковалентные связи прочнее обычной, так как энергия разрыва этих связей гораздо больше.
   Ковалентные связи являются одними из основных типов реально существующих химических связей, которые в действительности имеют промежуточный характер.

2. Алмаз, тип кристаллической решетки, тип химической связи.

   Кристаллическая рештка кубическая гранецентрированная, а = 0,357 нм = 3,57 #197; , z = 4, пространственная группа Fd3m (по Герману Могену) .

   Химическая связь - ковалентная.

   Чуть подробнее.

   Алмаз минерал, кубическая аллотропная форма углерода (кристаллическая модификация чистого углерода (С) . При нормальных условиях метастабилен, то есть может существовать неограниченно долго.

   Алмаз кристаллизуется в кубической сингонии.
   Сингония кубическая.

   Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии sp#179;-гибридизации. Каждый атом С в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра и связан с 4 ближайшими соседями, симметрично расположенными по его вершинам (тетраэдра) , наиболее "прочной" химической связью - ковалентной.

   Каждый атом углерода, вершинами которого тетраэдра служат четыре ближайших атома. Именно прочная связь атомов углерода объясняет высокую тврдость алмаза.

   Важнейшие кристаллографические формы алмаза: плоскогранные - октаэдр, ромбододекаэдр, куб и различные их комбинации; кривогранные - додекаэдроиды, октаэдроиды и кубоиды.

Инструкция

Как легко можно догадаться из самого называния, металлический тип решетки встречается у металлов. Эти вещества характеризуются, как правило, высокой температурой плавления, металлическим блеском, твердостью, являются хорошими проводниками электрического тока. Запомните, что в узлах решеток такого типа находятся или нейтральные атомы или положительно заряженные ионы. В промежутках между узлами – электроны, миграция которых и обеспечивает высокую электропроводимость подобных веществ.

Ионный тип кристаллической решетки. Следует запомнить, что он присущ и солям. Характерный – кристаллы всем известной поваренной соли, хлорида натрия. В узлах таких решеток попеременно чередуются положительно и отрицательно заряженные ионы. Такие вещества, как правило, тугоплавки, с малой летучестью. Как легко догадаться, они имеют ионный тип .

Атомный тип кристаллической решетки присущ простым веществам – неметаллам, которые при нормальных условиях представляют собою твердые тела. Например, сере, фосфору, . В узлах таких решеток находятся нейтральные атомы, связанные друг с другом ковалентной химической связью. Таким веществам свойственна тугоплавкость, нерастворимость в воде. Некоторым (например, углероду в виде ) – исключительно высокая твердость.

Наконец, последний тип решетки - молекулярный. Он встречается у веществ, находящихся при нормальных условиях в жидком или газообразном виде. Как опять-таки легко можно понять из названия, в узлах таких решеток – молекулы. Они могут быть как неполярного вида (у простых газов типа Cl2, О2), так и полярного вида (самый известный пример – вода H2O). Вещества с таким типом решетки не проводят ток, летучи, имеют низкие температуры плавления.

Таким образом, чтобы с уверенностью определить, какой тип кристаллической решетки имеет то или иное вещество, вам следует разобраться, к какому классу веществ оно относится и какие физико-химические свойства имеет.

Источники:

• тип решетки

В кристаллах химические частицы (молекулы, атомы и ионы) расположены в определенном порядке, в некоторых условиях они образуют правильные симметричные многогранники. Выделяют четыре типа кристаллических решеток - ионные, атомные, молекулярные и металлические.

Кристаллы

Кристаллическое состояние характеризуется наличием дальнего порядка в расположении частиц, а также симметрией кристаллической решетки. Твердыми кристаллами называют трехмерные образования, у которых один и тот же элемент структуры повторяется во всех направлениях.

Правильная форма кристаллов обусловлена их внутренним строением. Если в них заменить молекулы, атомы и ионы точками вместо центров тяжести этих частиц, получится трехмерное регулярное распределение - . Повторяющиеся элементы ее структуры называют элементарными ячейками, а точки - узлами кристаллической решетки. Выделяют несколько типов кристаллов в зависимости от частиц, которые их образуют, а также от характера химической связи между ними.

Ионные кристаллические решетки

Ионные кристаллы образуют анионы и катионы, между которыми есть . К данному типу кристаллов относятся соли большинства металлов. Каждый катион притягивается r аниону и отталкивается от других катионов, поэтому в ионном кристалле невозможно выделить одиночные молекулы. Кристалл можно рассматривать как одну огромную , причем ее размеры не ограничены, она способна присоединять новые ионы.

Атомные кристаллические решетки

В атомных кристаллах отдельные атомы объединены ковалентными связями. Как и ионные кристаллы, их также можно рассматривать как огромные молекулы. При этом атомные кристаллы очень твердые и прочные, плохо проводят электричество и тепло. Они практически нерастворимы, для них характерна низкая реакционная способность. Вещества с атомными решетками плавятся при очень высоких температурах.

Молекулярные кристаллы

Молекулярные кристаллические решетки образуются из молекул, атомы которых объединены ковалентными связями. Из-за этого между молекулами действуют слабые молекулярные силы. Такие кристаллы отличаются малой твердостью, низкой температурой плавления и высокой текучестью. Вещества, которые они образуют, а также их расплавы и растворы плохо проводят электрический ток.

Металлические кристаллические решетки

В кристаллических решетках металлов атомы расположены с максимальной плотностью, их связи являются делокализованными, они распространяются на весь кристалл. Такие кристаллы непрозрачны, отличаются металлическим блеском, легко деформируются, при этом хорошо проводят электричество и тепло.

Данная классификация описывает лишь предельные случаи, большинство кристаллов неорганических веществ принадлежит к промежуточным типам - молекулярно-ковалентным, ковалентно-ионным и др. В качестве примера можно привести кристалл графита, внутри каждого слоя у него ковалентно-металлические связи, а между слоями - молекулярные.

Источники:

• alhimik.ru, Твердые вещества

Алмаз - это минерал, относящийся к одной из аллотропных модификаций углерода. Отличительной чертой его является высокая твердость, которая по праву приносит ему звание самого твердого вещества. Алмаз достаточно редкий минерал, но вместе с этим и самый широко распространенный. Исключительная его твердость находит свое применение в машиностроении и промышленности.

Инструкция

Алмаз имеет атомную кристаллическую решетку. Атомы углерода, составляющие основу молекулы, располагаются в виде тетраэдра, благодаря чему алмаз имеет такую высокую прочность. Все атомы связаны прочными ковалентными связями, которые образуются, исходя из электронного строения молекулы.

Атом углерода имеет sp3-гибридизацию орбиталей, которые располагаются под углом в 109 градусов и 28 минут. Перекрывание гибридных орбиталей происходит по прямой линии в горизонтальной плоскости.

Таким образом, при перекрывании орбиталей под таким углом образуется центрированный , который относится к кубической системе, поэтому можно сказать, что алмаз имеет кубическую структуру. Такая структура считается одной из самых прочных в природе. Все тетраэдры образуют трехмерную сеть из слоев шестичленных колец атомов. Такая устойчивая сеть ковалентных связей и трехмерное их распределение ведет к дополнительной прочности кристаллической решетки.

Большинство твёрдых веществ имеет кристаллическое строение, которое характеризуется строго определённым расположением частиц . Если соединить частицы условными линиями, то получится пространственный каркас, называемый кристаллической решёткой . Точки, в которых размещены частицы кристалла, называют узлами решётки . В узлах воображаемой решётки могут находиться атомы , ионы или молекулы .

В зависимости от природы частиц, расположенных в узлах, и характера связи между ними различают четыре типа кристаллических решёток: ионную , металлическую , атомную и молекулярную .

Ионными называют решётки, в узлах которых находятся ионы.

Их образуют вещества с ионной связью. В узлах такой решётки располагаются положительные и отрицательные ионы, связанные между собой электростатическим взаимодействием.

Ионные кристаллические решётки имеют соли , щёлочи , оксиды активных металлов . Ионы могут быть простые или сложные. Например, в узлах кристаллической решётки хлорида натрия находятся простые ионы натрия Na + и хлора Cl − , а в узлах решётки сульфата калия чередуются простые ионы калия K + и сложные сульфат-ионы S O 4 2 − .

Связи между ионами в таких кристаллах прочные. Поэтому ионные вещества твёрдые , тугоплавкие , нелетучие . Такие вещества хорошо растворяются в воде .

Кристаллическая решётка хлорида натрия

Кристалл хлорида натрия

Металлическими называют решётки, которые состоят из положительных ионов и атомов металла и свободных электронов.

Их образуют вещества с металлической связью. В узлах металлической решётки находятся атомы и ионы (то атомы, то ионы, в которые легко превращаются атомы, отдавая свои внешние электроны в общее пользование).

Такие кристаллические решётки характерны для простых веществ металлов и сплавов .

Температуры плавления металлов могут быть разными (от \(–37\) °С у ртути до двух-трёх тысяч градусов). Но все металлы имеют характерный металлический блеск , ковкость , пластичность , хорошо проводят электрический ток и тепло .

Металлическая кристаллическая решётка

Металлические изделия

Атомными называют кристаллические решётки, в узлах которых находятся отдельные атомы, соединённые ковалентными связями.

Такой тип решётки имеет алмаз - одно из аллотропных видоизменений углерода. К веществам с атомной кристаллической решёткой относятся графит , кремний , бор и германий , а также сложные вещества, например, карборунд SiC и кремнезём , кварц , горный хрусталь , песок , в состав которых входит оксид кремния(\(IV\)) Si O 2 .

Таким веществам характерны высокая прочность и твёрдость . Так, алмаз является самым твёрдым природным веществом. У веществ с атомной кристаллической решёткой очень высокие температуры плавления и кипения . Например, температура плавления кремнезёма - \(1728\) °С, а у графита она выше - \(4000\) °С. Атомные кристаллы практически нерастворимы .

Кристаллическая решётка алмаза

Алмаз

Молекулярными называют решётки, в узлах которых находятся молекулы, связанные слабым межмолекулярным взаимодействием.

Несмотря на то, что внутри молекул атомы соединены очень прочными ковалентными связями, между самими молекулами действуют слабые силы межмолекулярного притяжения. Поэтому молекулярные кристаллы имеют небольшую прочность и твёрдость , низкие температуры плавления и кипения . Многие молекулярные вещества при комнатной температуре представляют собой жидкости и газы . Такие вещества летучи . Например, кристаллические иод и твёрдый оксид углерода(\(IV\)) («сухой лёд») испаряются, не переходя в жидкое состояние. Некоторые молекулярные вещества имеют запах .

Такой тип решётки имеют простые вещества в твёрдом агрегатном состоянии: благородные газы с одноатомными молекулами (He , Ne , Ar , Kr , Xe , Rn ), а также неметаллы с двух- и многоатомными молекулами ( H 2 , O 2 , N 2 , Cl 2 , I 2 , O 3 , P 4 , S 8).

Молекулярную кристаллическую решётку имеют также вещества с ковалентными полярными связями: вода - лёд , твёрдые аммиак , кислоты , оксиды неметаллов . Большинство органических соединений тоже представляют собой молекулярные кристаллы (нафталин , сахар , глюкоза ).