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
В этой статье:
Алмаз является красивым минералом, а после огранки в виде бриллианта ценится любителями ювелирных украшений. Но не все знают, что скрывается в составе этого вещества, в чем заключается секрет его популярности, а также почему камень является действительно уникальным? В этих вопросах поможет разобраться кристаллическая решетка алмаза, его химический состав и свойства камня.
Формы углерода и их кристаллические решетки
Если описывать строение решетки, то можно использовать атомный и молекулярный типы вещества. Правда, такого понятия, как молекула углерода, в природе не существует, поэтому можно говорить только об атомном типе строения. Именно атом, а не молекула, лежит в основе решетки и образует соединения между остальными атомами.
Структура алмаза
А говоря о химических модификациях углерода, то ученые в конце восьмидесятых годов ХХ века вывели такое понятие, как фуллерен. Это шестидесятиатомная молекула, которая внешне напоминает строением футбольный мяч. Позже обнаружили молекулу фуллерена, которая имела еще больше атомов в своем составе. Это помогло исследовать графит, а также другие модификации углерода с использованием лазерного спектра.
Кристаллическая решетка рассматривает строение вещества с точки зрения соединения атомов элемента между собой. Существует несколько типов связи:
- ионная;
- ковалентная;
- металлическая;
- водородная.
В данном случае алмаз имеет ковалентные связи, которые образуются между одинаковыми атомами и считаются самыми прочными в химии. Алмаз является чистой кристаллической модификацией углерода, а его кристаллическая решетка имеет форму куба. Это самая плотная упаковка атомов, которая существует.
Если выражаться по-научному, то минерал кристаллизуется в кубической сингонии. Соответственно, в каждой вершине куба располагается атом углерода, а гранями куба выступают ковалентные связи. При этом в центре каждой грани размещено еще по одному атому углерода, которые также связаны между собой.
Форма кристаллической решетки изображается схематически, потому что точно неизвестно из скольких кубов состоит целостный алмаз. Но именно благодаря такому расположению атомов камень и является самым твердым минералом на планете.
Аллотропные модификации камня
Если химический состав алмаза - углерод в чистом виде, то стоит выяснить, что это за элемент, а также разобраться в его модификациях и физических формах. Согласно мнению ученых, это вещество изначально входило в газовое облако, из которого постепенно образовывались планеты. Так или иначе, в составе каждой из планет Солнечной системы присутствует углерод в каком-то агрегатном состоянии.
Если говорить о земной коре, то она на 0,14% состоит из этого неметаллического элемента. А также по одной из теорий происхождения человека считается, что углерод - один из четырех макроэлементов, являющихся «стройматериалом» тела. Наиболее известные модификации одного углерода называют так:
- алмаз - наиболее дорогая форма;
- графит - известное вещество, которое используется в промышленности;
- карбин;
- лонсдейлит - содержится в метеоритах;
- фуллерены - наиболее молодые формы, которые были открыты;
- углеродные нанотрубки - применяются в каркасах к наноизделиям;
- графен;
- уголь - вещество, которое используется в качестве промышленного сырья для получения тепла;
- сажа.
Казалось бы, что общего может быть у кристально чистого алмаза с графитом или углем? А вот состав этих веществ говорит об обратном и наглядно демонстрирует важность расположения атомов в кристаллической решетке. Притом, что кроме углерода, в веществах ничего нет.
Вполне реально, что кроме этих элементов, существуют другие не открытые формы. А их исследование во многом зависит от алмазов, поскольку во время работы с этим драгоценным камнем ученые пытаются расшифровать его структуру, чтоб производить искусственно, и, вместе с тем, находят новые модификации элемента.
Исходя из структуры алмаза, можно сделать вывод, что камень абсолютно прозрачен и пропускает весь видимый спектр через себя. Но ничего идеального в природе не существует. Поэтому даже у такого кристалла могут быть примеси в решетке. Если рассматривать наиболее чистые экземпляры камня, то там содержится до 1018 атомов на 1 кубический сантиметр. И это нормальное явление, поскольку количество примесей зависит от процессов, в которых рос камень. И не факт, что посторонние вещества будут видны невооруженным глазом.
Среди примесей встречаются такие элементы, как:
- азот;
- кремний;
- кальций;
- магний;
- алюминий.
Конечно, если их много, то от этого страдает чистота камня и, соответственно, падает стоимость. Или же такие алмазы направляют для использования в промышленность. При этом в алмазах встречаются не только твердые, но и жидкие и даже газообразные формы включений. Они могут располагаться неравномерно, а также скапливаться в центре либо на периферии камня. Все они влияют на свойства камня, на его оттенок и способность преломлять свет. Например, азот влияет на люминисцентность алмаза.
По спектрам поглощения в ИК- и УФ-диапазонах выделяют три типа алмазов:
- Первый тип. В них азот содержится либо в виде пар атомов и плоских встроек, либо в виде одиночных атомов, которые равномерно распределены по объему камня.
- Второй тип. В них азот, как правило, отсутствует. В подтипе IIа нет примесей, а в подтипе IIб присутствуют атомы бора.
- Третий тип может включать в себя примеси кремния.
Синтетические алмазы
Открытие аллотропных модификаций дало ученым надежду на синтетическое произведение алмазов. И у них отчасти это получилось, хотя сам процесс нельзя назвать легким. С химической точки зрения, тот же графит, например, должен получить сигма-связи. Такие условия воссоздать можно только в самых мощных лабораториях под действием больших температур и давления.
- HPHT - тип алмаза получается из растворения графита и оседания его в катализаторе на затравочном минерале. После этого вещество начинает выстраивать необходимые связи.
- CVD тип - основывается на пленочном осаждении графита с использованием паров метана.
- Метод взрывного синтеза - наиболее естественный, с использованием углерода под высоким давлением.
Пока даже эти методы осуществляются с трудом, поэтому стоимость алмазов остается высокой. Но технологии продолжают развиваться в этом направлении.
Свойства алмазов
Благодаря своему составу и строению, алмаз получил такие свойства, как:
- Стойкость к воздействию химических веществ, кислот, щелочей.
- Наивысшая твердость вещества (абсолютный показатель, который равняется 10 по шкале Мооса), но при этом хрупкость камня.
- При нагреве без доступа кислорода взрывается и превращается в графит, а дальнейшее плавление алмаза аномально. С кислородом температура плавления находится на уровне 4 тысяч градусов по Цельсию.
- 20-24 Вт/см - это показатель теплопроводности. Настоящий алмаз не нагреется, даже если его долго держать в руке.
- Алмаз отлично подходит в роли изолятора.
- Камень обладает уникальным свойством преломлять лучи и при этом светиться.
Если говорить об отличиях алмаза и графита, самого доступного для нас вещества, то стоит сказать, что свойства разнятся из-за строения кристаллической решетки. О строении алмаза уже известно, а вот у графита ситуация обстоит по-другому. Его кристаллическая решетка имеет два типа связи: ковалентная сигма-связь находится только в одной плоскости, а в других плоскостях связь между атомами не такая устойчивая - ковалентная пи-связь. Такое строение позволяет электронам графита перемещаться на другие уровни, а также этот эффект объясняет наличие металлических свойств графита. Решетка алмаза и графита обусловила свойства и применение каждого вещества.
Для облегчения понимания межатомного взаимодействия мы будем рассматривать типы химической связи в несколько упрощенном виде, а именно, рассмотрим: а) гомеополярную, или ковалентную связь, б) гетерополярную, или ионную связь, в) металлическую связь и г) поляризационную связь, или связь Ван-дер-Ваальса.
Объединение атомов в молекулы вещества, а также объединение атомов или ионов в твердое тело происходит под действием химических связей. Объединение молекул в вещество, находящееся в жидком или газообразном состоянии осуществляется под действием сил межмолекулярного взаимодействия, называемыми силами Ван-дер-Ваальса. Природа химических и молекулярных связей единая – электрическая. Различают несколько типов химической связи, основные из них – это ковалентная и ионная.
Ковалентная связь осуществляется за счет образования одной или нескольких общих пар электронов, ранее принадлежавших разным атомам. Ковалентная связь может быть одинарной (водород, хлор) или многократной (например, азот – 3). Ковалентная связь образуется между атомами одного или нескольких химических элементов с близкими ионизационными потенциалами. В чистом виде ковалентная связь реализуется при взаимодействии элементов с наполовину заполненными электронными оболочками.
Рассмотрим схематическое строение атома и молекулы водорода, рис.1. Электроны при движении по орбитам чаще находятся между ядрами, что способствует сближению атомов. Радиус атома водорода равен 0,53 ангстрема, а расстояния между ядрами атомов в молекуле водорода равняется всего лишь 0,74 ангстрема.
Появление между положительно заряженными ионами пары отрицательно заряженных электронов приводит к тому, что оба иона притягиваются к обобществленным электронам и, тем самым, притягиваются друг к другу. Каждый атом взаимодействует с ограниченным числом соседей, причем число соседей равно числу валентных электронов атома. Следовательно, ковалентная связь насыщенна. Кроме того, атом взаимодействует только с теми соседями, с которыми он обменялся электронами, то есть ковалентная связь направлена.
Отношение размера положительно заряженного ядра к размеру валентной электронной оболочки чрезвычайно мало, поэтому при анализе силы притяжения можно считать, что взаимодействуют точечные заряды, то есть сила притяжения описывается простейшим видом кулоновского закона: сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами. При сближении атомов начинается взаимное отталкивание внутренних электронных оболочек, и отталкивание атомов описывается более сложным законом: сила отталкивания обратно пропорциональна расстоянию между атомами в степени n, где n >2.
Увеличение порядкового номера элемента ведет к росту количества электронных оболочек, экранирующих взаимодействие положительно заряженных ядер с валентными электронами. Поэтому снижается сила взаимного притяжения и уменьшается глубина потенциальной ямы. В результате, с ростом порядкового номера элемента падает температура плавления, растет коэффициент теплового расширения, уменьшается модуль упругости.
Если молекула состоит из атомов одного и того же химического элемента, то в ней центры расположения положительных и отрицательных зарядов совпадают. Собственный электрический дипольный момент μ такой молекулы равен нулю. Диэлектрик, образованный такими неполярными молекулами также является неполярным.
Если молекула состоит из атомов различных химических элементов, то электронная пара сместится в сторону одного из атомов, обладающего большей электроотрицательностью
. В результате произойдет поляризация молекулы. Полярной или дипольной станет и сама молекула. Электрический дипольный момент μ
такой молекулы будет равен
μ = q * l , Кл*м
где q – абсолютное значение заряда диполя, l – плечо диполя, расстояние между центрами разноименных зарядов. Дипольный момент часто измеряют в дебаях(D). 1D = 3.33∙10 -30 Кл∙м. Молекула воды является полярной, так как электронные пары между кислородом и водородом смещены в сторону атома кислорода (рис. 2).
При наличии полярных ковалентных связей могут образовываться и неполярные молекулы, если дипольные моменты этих связей уравновешивают друг друга. Такое явление характерно для сложных органических молекул. Например, полиэтилен, трансформаторное масло, парафин являются неполярными веществами, хотя связь «углерод-водород» является полярной.
Ионная связь возникает между атомами, имеющими очень большую разность электроотрицательности. В этом случае электронная пара настолько сильно смещается в сторону одного из атомов, что тот фактически становится отрицательным ионом. Таким образом, ионная связь образуется за счет перехода электрона от одного атома молекулы к другому. Типичный пример такой связи – поваренная соль:
NaCl = Na+ + Cl-.
Границ между полярной ковалентной и ионной связью весьма условна, принципиального различия в механизме образования этих связей нет. Но эти связи сильно отличаются между собой по величине энергии, которую нужно затратить на разрыв такой связи.
Ионная связь образуется при взаимодействии атомов с малым количеством валентных электронов и атомов с большим количеством электронов на валентных оболочках. При этом наружные электроны атомов с низкими потенциалами ионизации переходят на валентные оболочки атомов с высокими ионизационными потенциалами. В результате образуются положительно и отрицательно заряженные ионы, взаимно притягивающиеся электростатическими силами. Ионная связь ненасыщенна, поскольку каждый из отрицательно заряженных ионов притягивает к себе положительно заряженные, а каждый из положительно заряженных ионов притягивает к себе все отрицательно заряженные. Однако ионная связь направлена, поскольку ион притягивает к себе разноименно заряженные ионы и отталкивает одноименно заряженные.
Уменьшение размера иона и увеличение его заряда ведет к росту энергии связи, а следовательно, к росту температуру плавления материала, уменьшению коэффициента теплового расширения и к увеличению модуля упругости.
Металлическая связь образуется между атомами одного или нескольких химических элементов, у которых валентные электронные оболочки застроены меньше чем на половину. Поскольку энергия иона минимальна при полностью заполненной внешней оболочке, атомы отдают внешние валентные электроны и превращаются в положительно заряженные ионы, между которыми находятся свободные электроны (электронный газ).
Каждый из положительно заряженных ионов притягивается к свободным электронам, и, тем самым, ионы притягиваются друг к другу. Металлическая связь ненаправлена и ненасыщена, и число ближайших соседей у иона определяется в основном геометрическим и энергетическими факторами. Следовательно, кристаллические решетки металлов упакованы плотно. Под действием электрического поля не связанные с ионами электроны перемещаются, то есть металлы обладают высокой электропроводностью. Свободные электроны могут легко ускоряться и замедляться, то есть менять свою кинетическую энергию. Вследствие этого металлические материалы поглощают кванты электромагнитного поля любой энергии, то есть металлы непрозрачны для радио- и световых волн в широком диапазоне частот. Поглотив квант электромагнитного поля, свободный электрон возбуждается, и, переходя в стационарное состояние, испускает аналогичный квант. Иначе говоря, металлические материалы отражают радио- и световые волны.
Поляризационная связь, или связь Ван-дер-Ваальса. Образуется при сближении молекул или атомов инертных газов. Рассмотрим возникновение поляризационной связи на примере инертных атомов.
У одиночного атома электронная оболочка симметрична. При сближении двух атомов их электронные оболочки электрически взаимодействуют и деформируются (см. рис. 6). В итоге атомы превращаются в диполи, которые взаимно притягиваются. Чем больше порядковый номер атома, тем больше у него электронных оболочек, а следовательно, связь валентных электронов с ядром ослабевает, и деформировать ее становится легче. Следовательно, возрастает дипольный момент атома и увеличивается энергия связи между атомами. Поэтому температура кипения тяжелых инертных газов заметно выше температуры кипения легких газов.
Аналогичные процессы происходят и при сближении электрически нейтральных молекул. Причем чем выше молекулярный вес, тем больший дипольный момент молекул и выше энергия связи. Поэтому вещества с низким молекулярным весом при комнатной температуре являются газами, вещества с большим молекулярным весом - жидкостями, а вещества с еще большим молекулярным весом - твердыми телами.
Важно иметь в виду, что в одном и том же материале одновременно могут реализовываться несколько типов химических связей. Так, внутри молекулы полиэтилена связь ковалентная, а между молекулами поляризационная. В алмазе атомы углерода связаны ковалентной связью, а у графита три электрона образуют ковалентную связь, один электрон идет на образование металлической связи, и образующиеся плоские молекулы связаны поляризационной связью.
В ряде случаев наблюдается изменение типа связи при изменении внешних условий. Так, олово является элементом четвертой группы, и в нем должна реализовываться ковалентная связь, но у олова пять электронных оболочек, и валентные электроны слабо связаны с ядром. Поэтому при термическом возбуждении электроны отрываются от атомов, и связь становится металлической. До температуры 13*С межатомная связь в олове ковалентная, и он является типичным полупроводником «серое» олово. Выше 13*С связь становится металлической, и олово ведет себя как типичный металл – «белое» олово. Важно отметить, что превращение белого олова в серое олово не может произойти строго при 13*С. Это вызвано существенным различием в плотности упаковки атомов. При перестройке кристаллических решеток в материале появляются упругие напряжения, которые повышают энергию системы. Поэтому превращение начинается при существенном переохлаждении. Упругие напряжения, возникающие при превращении, разрушают материал, поэтому серое олово существует в виде порошка. Превращение белого олова в серое было причиной гибели экспедиции Роберта Скотта. Поскольку канистры с горючим были пропаяны оловом, то при охлаждении белое олово превратилось в серое и горючее вытекло.
Любителям драгоценных камней весьма интересна тема про строение алмаза, описание его и основные физические, механические и химические свойства. Этот красивый камень по своей химической структуре относится к неметаллам и имеет кристаллическую структуру. Говоря языком химиков, адамант — это кубическая аллотропная форма углерода. В ювелирном искусстве эта форма углерода считается самым дорогим из драгоценных камней, и украшения с адамантом стоят очень дорого. Это связано с тем, что блеск кристаллов этого вещества невозможно сравнить ни с чем. И к тому же он не тускнеет и не царапается. То есть полированная поверхность кристаллов в украшениях всегда радует глаз.
Как ни парадоксально звучит, но адамант и графит имеют одинаковое строение. И эти два таких диаметрально противоположных вещества имеют одну природу. Дело в том, что и диамант, и графит образованы атомами углерода. Рассмотрим подробнее строение и свойства бриллианта.
По структуре кристалл алмаза имеет форму тетраэдра, и при этом атомы углерода располагаются в центре. Вершинами в таком тетраэдре служат самые близкорасположенные атомы углерода. Получается очень стабильная атомарная связь в самой структуре кристалла, и этим объясняется повышенная прочность вещества. Между собой атомы, из которых состоит элементарная ячейка, связаны ковалентной связью. Этой особенностью объясняется высокая плотность алмаза.
В целом кристалл алмаза можно представить как молекулу гигантских размеров. Напомним, что молярная масса этого кристалла равна 12. Форма кристалла не связана с количеством граней у ювелирного камня. Грани алмаза появляются при его обработке.
По химической структуре алмаз является чистым углеродом. Но в его состав все же входят и примеси. Проведенный химический анализ позволил определить наличие некоторого количества других веществ. К примесям относятся такие вещества, как:
- азот;
- магний;
- алюминий;
- кремний.
И еще много других химических элементов таблицы Менделеева. Причем многие из элементов представляют собой изоморфные включения. Но люди используют алмазы не только для изготовления ювелирных украшений. Широкое применение получил этот кристалл в технике. И все это благодаря своим уникальным свойствам и высочайшей прочности.
Представленное видео хорошо показывает кристаллическую структуру бриллианта.
Физические свойства алмаза
Алмаз — это самое твердое вещество, которое встречается в природе.
Одна из разновидностей адаманта — корунд — имеет сходное строение, но боле низкую твердость (твердость корунда ниже, чем у адаманта в 150 раз).Стоит упомянуть, что твердость веществ определяется по шкале Мооса. По этому ранжиру алмазу присваивается самый высокий показатель твердости — 10.
Стало быть, его можно использовать для обработки металлов, в том числе и высокопрочных, и твердых минералов, таких как берилл, гранат, сапфир и другие. Алмазный инструмент очень устойчив к истиранию. Твердость и плотность алмаза выше, чем у кварца и корунда.
Но при всей твердости у диаманта высокая хрупкость. И даже выраженная в высокой степени плотность не снижает вероятность раскола при падении. Ведь чистый кристаллический углерод, каким и является диамант, имеет многослойную структуру. И при резких ударах о твердую поверхность возможен его раскол в тех местах структуры, где связь между атомами весьма слабая. Именно в местах спайности атомов и происходит раскол.
И при всей износоустойчивости и долговечности этого вещества его нужно уберегать от падений на твердую поверхность. У этой разновидности углерода и самая высокая теплопроводность среди всех твердых тел. Теплопроводность алмаза составляет от 20 до 24 Вт/см. Также нужно сказать, что диамант является диэлектриком. Это объясняется особенностями атомарных связей в кристалле этого вещества.
Температура горения диаманта в кислороде составляет 800°С. Эта разновидность углерода горит красивым голубым пламенем. А вот при температуре 2000°С и при отсутствии кислорода этот красивый минерал превращается в графит. Показатели температуры плавления у алмаза равняются 3700-4000°С.
Самое основное и ценное свойство бриллианта — это его показатель преломления и высокая степень дисперсии. Блеск диамантов зависит от этих характеристик и является отличительным признаком этого драгоценного минерала. Вес бриллиантов измеряется в каратах. При этом вес одного карата алмаза равен примерно 0,2 грамма. Для определения этой величины у ювелиров существуют необходимые таблицы и сведения.
Один из аллотропных модификации углерода. Кристаллы алмаза обладают такими ценными физико-механическими свойствами, как исключительная твердость, износостойкость, высокая теплопроводность, коррозионная стойкость, высокие показатель преломления и дисперсия спета. Эти свойства и определили области его применении: механическая обработка различных материалов, приборостроение, полупроводниковая электроника, ювелирной промышленность.
Теоретические и экспериментальные исследования алмазов ведутся в направлении изыскания возможностей как для наиболее эффективною использования их в традиционных областях, гак и для расширения областей применения, а также в направлении разработки новых методов синтеза монокристаллов с заданными свойствами. Наиболее изучены оптические свойства алмазов, значительно меньше - их теплопроводность, работа разрушения, электромагнитные свойства в широком температурном интервале.
Благодаря твёрдости алмаз широко применяется для резки стекла, бурения твёрдых пород, в машинах для волочения проволоки, шлифовальных дисках и т.д. Для этих целей этих целей используют алмазы, загрязнённые разными примесями.
Чистые бесцветные кристаллы подвергают огранке и шлифовке алмазным порошком и превращают в бриллианты. Чем больше граней тем больше « играет » он. Бриллианты бывают чаще всего небольшими, их вес измеряется в каратах (1 карат равен 0,2 г) , но встречаются и крупные бриллианты.
Структура модификаций углерода алмаза
Основное состояние атома - это состояние с максимальным чистом неспаренных валентных электронов. Образованию химической связи между атомами углерода предшествует переход атомов в возбужденное состояние с максимальным числом неспаренных электронов по схеме 2 s ² 2 p ² → 2s ¹ 2 p ¹ 2 p ¹ 2 p ¹ . Потенциал ионизации атома углерода 11,256 эВ. Атомы углерода, соединяясь, образуют ковалентные связи (металлическая связь не может образоваться, так как слишком велика энергия отрыва электрона: сродство к электрону атома углерода - 1,27 эВ).
В результате s p ³ -гибридизации валентных электронов образуются четыре равноценные σ -связи под углом 109 ° 28′ друг к другу, направленные к вершинам правильного тетраэдра. Так связаны атомы в алмазе, лонсдейлите, метане, адамантане.
Атомы углерода (алмаз)могут быть в состоянии, при котором происходит 2 sp ² — гибридизация электронов. Каждый атом углерода образует три σ -связи в одной плоскости под углом 120 ° относительно друг друга и, кроме того, дополнительно имеет по одному p -электрону. Вследствие перекрывания электронных облаков над и под плоскостью, в которой находятся атомы с σ -связями, р-электроны образуют π -связи. Так связаны атомы углерода в графите и ароматических соединениях.
Возможна также sp -гибридизация атомов углерода, при которой образуются две σ -связн под углом 180° друг к другу и в результате перекрывания двух орбиталей каждого из атомов углерода две π -связи. Так связаны атомы в карбине, ацетилене и его производных.
Существуют аморфные и частично кристаллические переходные формы углерода (сажа, кокс, стеклоуглерод и др.), и которых сочетаются различные типы связей.
Модификации с sp ³ -гибридизацией валентных электронов
Алмаз. кубическая; ячейка решетки - гранецентрированный куб, в четырех из восьми октантов которого также размещены атомы углерода; Z = 8; К. Ч. - 4; а 0 = 0,357 нм; меж плоскостные расстояния ρ 0 = 3,515 г/см ³ ; экспериментально определенные значения ρ э , природных алмазов, г/см ³ ; тип I - 3,51537 ± 0,00005, тип II - 3,51506 ± 0,00005; ρ э , синтетических алмазов зависит от совершенства строения кристаллов, содержания механических включений и имеет значения 3,485-3,580
Вы читаете, статья на тему алмаз
