Алмаз и графит не отличаются химическим составом. Аллотропные вещества: алмаз и графит

Бакаева Анастасия

Всё началось с простого карандаша! А вернее с его стержня. На уроке физики мы проходили тему «Строение твёрдых, жидких и газообразных тел», и оказалось, что углерод, графит и алмаз «родственники». Но как, же так, ведь углерод – это газ, а графит и алмаз, твёрдые вещества, обладающие кристаллическими решётками, но графит – «пишет», а алмаз настолько твёрдый, что им можно резать стекло и металлы, и украшать ювелирные изделия! Нам стало интересно. Оказывается, стержень (грифель) простого карандаша - это специально обработанная смесь графита, глины, воска. Когда мы рисуем, происходит расслоение кристаллической решётки графита и его атомы ложатся на поверхность шестиугольными плоскостями, а в состав цветных карандашей графит не входит! Просто так, для справки, приведу ориентировочный состав цветного карандаша: Органический краситель пластификатор (стеарин, например, из которого делают свечки) тальк (кстати, самый мягкий минерал по шкале Мооса) каолин (белая глина, её используют в производстве фарфора и ещё в косметике) клей КМЦ (KарбоксиМетилЦеллюлоза) - здесь связующее вещество. О как интересно! Мы подготовили небольшое сообщение о карандаше, а учитель предложила расширить эту тему и превратить её в исследовательский проект.

Скачать:

Предварительный просмотр:

МОУ «СОШ № 2 г. Ершов Саратовская область»

Исследовательский проект

Углерод, графит, алмаз

Бакаева Анастасия

8 «А» класс

руководитель: учитель физики I категории Филиппова Е.В.

2015


Введение
Основная часть
Историческая справка
Углерод
Графит
Алмаз
Практическая часть
Изготовление моделей кристаллических решёток
Графит
Алмаз
Выращивание кристаллов медного купороса
Заключение
Список литературы
Приложения

Введение

Органический краситель
пластификатор (стеарин, например, из которого делают свечки)
тальк (кстати, самый мягкий минерал по шкале Мооса)
каолин (белая глина, её используют в производстве фарфора и ещё в косметике)
клей КМЦ (KарбоксиМетилЦеллюлоза) - здесь связующее вещество.

О как интересно!

Мы подготовили небольшое сообщение о карандаше, а учитель предложила расширить эту тему и превратить её в исследовательский проект.

Цели работы:

Изучить строение, физические свойства углерода, графита и алмаза

Узнать о применении углерода, графита и алмаза в технике, промышленности, ювелирном производстве и науке

Узнать о создании искусственных алмазов

Задачи

Создать наглядные пособия для изучения кристаллических тел (кристаллические решётки)

Вырастить самостоятельно кристалл медного купороса (он же тоже обладает кристаллической решёткой, как графит, алмаз и даже соль и сахар…)

Историческая справка.

Графит, алмаз и углерод известны с древности. Издавна известно, что графитом можно маркировать другой материал, и само название "графит", происходящее от греческого слова, означающего "писать", предложено А.Вернером в 1789. Однако история графита запутана, часто за него принимали вещества, обладающие сходными внешними физическими свойствами, например молибденит (сульфид молибдена), одно время считавшийся графитом. Среди других названий графита известны "черный свинец", "карбидное железо", "серебристый свинец". В 1779 К.Шееле установил, что графит можно окислить воздухом с образованием углекислого газа. Впервые алмазы нашли применение в Индии, а в Бразилии драгоценные камни приобрели коммерческое значение в 1725; месторождения в Южной Африке были открыты в 1867. В 20 в. основными производителями алмазов являются ЮАР, Заир, Ботсвана, Намибия, Ангола, Сьерра-Леоне, Танзания и Россия. Искусственные алмазы, технология которых была создана в 1970, производятся для промышленных целей. «Углерод встречается в природе как в свободном, так и в соединенном состоянии, в весьма различных формах и видах. В свободном состоянии углерод известен по крайней мере в трех видах: в виде угля, графита и алмаза. В состоянии соединений углерод входит в состав так называемых органических веществ, т.е. множества веществ, находящихся в теле всякого растения и животного. Он находится в виде углекислого газа в воде и воздухе, а в виде солей углекислоты и органических остатков в почве и массе земной коры. Разнообразие веществ, составляющих тело животных и растений, известно каждому. Воск и масло, скипидар и смола, хлопчатая бумага и белок, клеточная ткань растений и мускульная ткань животных, винная кислота и крахмал – все эти и множество иных веществ, входящих в ткани и соки растений и животных, представляют соединения углеродистые. Область соединений углерода так велика, что составляет особую отрасль химии, т.е. химии углеродистых или, лучше, углеводородистых соединений».

Углерод

Растения добывают углерод из углекислого газа - двуокиси углерода - содержащегося в атмосфере, и используют его как строительный материал для корней, стеблей и листьев. Животные получают его, поедая эти растения. А в почве он накапливается при разложении тел умерших существ. Из всех форм существования чистого углерода наиболее известным и, возможно, наиболее ценным для людей является уголь. Он примерно на 4/5 состоит из углерода, а остаток составляют водород и другие элементы. Ценность угля проистекает из химических свойств углерода, главным из которых является то, что он охотно взаимодействует с кислородом. Этот процесс протекает при сжигании угля на воздухе, при этом выделяется большое количество тепловой энергии, которую можно использовать для самых различных целей. Однако углерод в неживой природе можно обнаружить не только в виде угля. Две другие формы его существования в чистом виде, резко отличающиеся друг от друга,- графит и алмаз. Графит очень мягкий и жирный на ощупь. Он служит прекрасным смазочным материалом для многих механизмов. И еще, как вы знаете, из него изготовляют грифели карандашей. В этом случае графит смешивается с глиной для уменьшения его мягкости. Алмазы, напротив, являются самыми прочными из веществ, известных человеку. Их используют для создания особо прочных резцов, а также ювелирных украшений. Атомы углерода могут образовывать связи между собой и с атомами других элементов. В результате получается огромное множество углеродных соединений. Углерод входит в состав растений и животных (~18 %). Кругооборот углерода в природе включает биологический цикл, выделение СО 2 в атмосферу при сгорании ископаемого топлива , из вулканических газов, горячих минеральных источников, из поверхностных слоев океанических вод и др. Биологический цикл состоит в том, что углерод в виде СО 2 поглощается из тропосферы растениями. Затем из биосферы вновь возвращается в геосферу : с растениями углерод попадает в организм животных и человека, а затем при гниении животных и растительных материалов - в почву и в виде СО 2 - в атмосферу. В парообразном состоянии и в виде соединений с азотом и водородом углерод обнаружен в атмосфере Солнца , планет, он найден в каменных и железных метеоритах . Углерод реагирует со многими элементами с образованием карбидов (Карби́ды - соединения металлов и неметаллов с углеродом ). Углерод широко используется в металлургии. (Металлургия - совокупность связанных между собой отраслей и стадий производственного процесса от добычи сырья до выпуска готовой продукции - чёрных и цветных металлов и их сплавов ). Благодаря способности углерода образовывать полимерные цепочки, существует огромный класс соединений на основе углерода, которых значительно больше, чем неорганических, и изучением которых занимается органическая химия . Среди них наиболее обширные группы: углеводороды , белки , жиры и др. Углерод играет огромную роль в жизни человека. Его применения столь же разнообразны, как сам этот многоликий элемент. Углерод является основой всех органических веществ. Любой живой организм состоит в значительной степени из углерода. Углерод - основа жизни. Источником углерода для живых организмов обычно является углекислый газ из атмосферы или воды. В результате фотосинтеза он попадает в биологические пищевые цепи, в которых живые существа пожирают друг друга или останки друг друга и тем самым добывают углерод для строительства собственного тела. Биологический цикл углерода заканчивается либо окислением и возврашением в атмосферу, либо захоронением в виде угля или нефти. Углерод в виде ископаемого топлива: угля и углеводородов (нефть , природный газ ) - один из важнейших источников энергии для человечества . Углерод в сталелитейной промышленности один из важнейших компонентов сплавов железо-углерод (производство чугуна и стали ). Углерод входит в состав атмосферных аэрозолей, в результате чего может изменяться региональный климат, уменьшаться количество солнечных дней. Частицы углерода поглощают солнечное излучение, что может вызвать нагревание поверхности Земли. Углерод поступает в окружающую среду в виде сажи в составе выхлопных газов автотранспорта, при сжигании угля на ТЭС (Тепловая электростанция), при открытых разработках угля, подземной его газификации, получении угольных концентратов и др. Концентрация углерода над источниками горения 100-400 мкг/м³, крупными городами 2,4-15,9 мкг/м³, сельскими районами 0,5 - 0,8 мкг/м³. С газоаэрозольными выбросами АЭС в атмосферу поступает (6-15) 10 9 Бкг/сут углекислого газа. Высокое содержание углерода в атмосферных аэрозолях ведет к повышению заболеваемости населения, особенно верхних дыхательных путей и легких . Профессиональные заболевания - в основном антракоз и пылевой бронхит . Содержание углерода в атмосферном воздухе максимальная разовая 0,15, среднесуточная 0,05 мг/м³. Токсическое действие углерода, вошедшего в состав молекул белков (особенно в ДНК и РНК ), определяется радиационным воздействием бета частиц и ядер отдачи азота и трансмутационным эффектом - изменением химического состава молекулы в результате превращения атома углерода в атом азота.

Графит

Графит (назван Абрахамом Готтлобом Вернером в 1789 г, (с греческого графен - «тянуть/писать», использовался в карандашах) - один из самых обычных аллотропов углерода. Встречается в природе. Графит является самой устойчивой формой углерода при стандартных условиях. Применяется для изготовления электродов , нагревательных элементов, твердых смазочных материалов, наполнителя пластмасс, замедлителя нейтронов в ядерных реакторах , стержней карандашей , при высоких температурах и давлениях (более 2000 °C и 5 ГПа) для получения синтетического алмаза.

Алмаз

Hobby-live.ru

www.encycl.yandex, www.krugosvet, www.rmika.

И алмаз, и графит — это разные формы одного и того же элемента — углерода. У мягкого, крошащегося графита и у самого твердого кристалла в мире одна и та же формула — С. Как такое возможно?

Свойства алмаза и графита

Алмазы встречаются в природе в хорошо выраженной кристаллической форме. Это прозрачный и чаще всего бесцветный кристалл, хотя бывают и алмазы, окрашенные в голубой, красный и даже черный цвета. Такое цветовое отступление от правила связано с особенностями природных условий формирования кристалла и наличия в нем примесей. Очищенный и отшлифованный алмаз приобретает особый блеск, который и оценили люди.

Алмазы хорошо отражают свет и, обладая сложной формой, хорошо его преломляют. Это дает знамений блеск и перелив очищенного кристалла. Он является проводником тепла, но по отношению к электричеству является изолятором.

Графит представляет собой антипод алмаза. Это не кристалл, а совокупность тонких пластинок. Он черный с серым отливом. По внешнему виду напоминает сталь с преобладанием чугуна.

Несмотря на стальной вид, на ощупь он жирный, а при использовании оказывается еще и мягким. При малейшем надавливании он крошится, что и привлекает человека, использующего графит в качестве средства запечатления информации на бумаге.

Графит, как и алмаз, является хорошим проводником тепла, но, в отличие от своего собрата по молекулярному строению, хорошо проводит и электричество.

Этих разных представителей полиморфности молекулярного углерода отличает друг от друга только одно — строение молекулярной решетки. Все остальное — лишь следствие главного.

В графите кристаллическая решетка организована по плоскостному принципу. Все его атомы размещены в шестиугольнике, которые находятся в одной плоскости. Поэтому связи между атомами разных шестиугольников такие непрочные, а сам графит слоистый, и его слои плохо связаны друг с другом. Такое строение кристаллической решетки определяет его мягкость и разнообразную полезность, но сам графит при этом разрушается. Однако именно такое строение кристаллической решетки позволяет, используя особые условия и другие вещества, сделать из графита алмаз. Такие же процессы происходят с этим минералом в природе при аналогичных условиях.

Алмазная решетка построена по принципу объемных связей всех с каждым и всех со всеми. Атомы образуют правильный тетраэдр. Атом в каждом тетраэдре окружен другими атомами, каждый из которых образует вершину другого тетраэдра. Получается, что тетраэдров в каждом кусочке алмаза гораздо больше, чем молекул, образующих эти тетраэдры, поскольку каждый из тетраэдров является частью другого тетраэдра. По этой причине алмаз является самым неразрушимым минералом.

Судьба углерода в графите и алмазе

Углерод относится к самым массовым элементам биосферы и всей планеты Земля. Он в тех или иных состояниях присутствует в атмосфере (углекислый газ), в воде (растворенный углекислый газ и иные соединения) и в литосфере. Здесь, в тверди земной, он входит в состав больших залежей угля, нефти, природного газа, торфа и т.п. Но в чистом виде он представлен залежами алмаза и графита.

Больше всего углерода сконцентрировано в живых организмах. Любые организмы строят свое тело из углерода, концентрация которого в живых телах превышает содержание углерода в неживой материи. Мертвые организмы оседают на поверхности литосферы или океана. Там они разлагаются в разных условиях, образуя месторождения, богатые углеродом.

Происхождение чистых залежей алмазов и графита вызывает много споров. Есть мнение, что это бывшие организмы, попавшие в особые условия и минерализовавшиеся наподобие угля. Считается также, что алмазы имеют магматическое происхождение, а графит — метаморфическое. Это означает, что в концентрации алмазов на планете участвуют сложные процессы в недрах земли, где самопроизвольно в присутствии кислорода возникает взрыв и горение. В результате взаимодействия молекул метана и кислорода и возникают кристаллы алмаза. При этих же процессах, но в определенных условиях возможно появление и графита.

Как получить из графита алмаз

Получение при современном уровне развития химии давно не является проблемой. То, что природа делает за миллионы лет, человек может сделать за гораздо более короткий срок. Главное — воспроизвести условия, в которых в природе одна форма чистого углерода переходила в другую, то есть создать высокую температуру и очень высокое давление.

Впервые такие условия были созданы с помощью взрыва. Взрыв — это мгновенное горение под большим давлением. После того как собрали то, что удалось собрать, выяснилось, что в графите появились маленькие алмазы. Такое фрагментарное превращение произошло потому, что взрыв создает большое разнообразие давления и температуры. Там, где создались условия для перехода из графита в алмаз, это и произошло.

Эта неустойчивость процессов сделала взрывы неперспективными для производства алмазов из графита. Ученых это, однако, не остановило, и они с упорством продолжали подвергать графит всяким испытаниям в надежде заставить его стать алмазом. Стабильный результат дало нагревание графитового бруска импульсами до температуры в 2000°С, что дало возможность получить алмазы значимых размеров.

Опыты с высоким давлением дали неожиданные результаты — графит превращался в алмаз, но при уменьшении давления переходил в свое исходное состояние. Стабильно уменьшить расстояние между атомами углерода только с помощью одного давления не удавалось. Тогда стали сочетать давление и высокую температуру. Наконец, удалось выяснить диапазон сочетаний температуры и давления, при котором можно получить кристаллы алмаза. Правда, при этом получался только технический алмаз, использование которого в ювелирном деле было затруднено.

Кроме больших затрат на энергетическое обеспечение процесса перевода графита в алмаз существовала еще одна проблема — при увеличении длительности воздействия высокой температурой начинается графитизация алмаза. Все эти тонкости усложняют промышленное производство алмазов. По этой причине в природе, крайне разрушительная для нее, остается актуальной и прибыльной.

Чтобы получить алмаз, предназначенный для ювелирных целей, стали выращивать кристаллы, используя затравку. Готовый кристалл алмаза подвергался воздействию температуры в 1500°, что стимулировало рост сначала быстрый, а потом медленный. Чем больше кристалл, тем медленнее он рос. Этот эффект сделал интересный опыт лишь опытом, поскольку его производство в промышленных масштабах стало нерентабельным. Не улучшило ситуацию и применение метана в качестве «подкормки» растущего алмаза. При высоких давлении и температуре метан разрушается до углерода и водорода. Этот углерод и является «кормом» для алмаза.

Применение алмаза и графита

Оба минерала широко используются в промышленности.

Алмазы применяют:

в электротехнике;
приборостроении;
радиоэлектронике;
на буровых установках
в ювелирном деле.

Графит используется при:

производстве тиглей и иного огнеупорного оборудования;
изготовлении смазочных материалов;
изготовлении карандашей;
производстве оборудования для электроугольной промышленности.

Несмотря на разнообразие применения как графита, так и алмаза в различных отраслях промышленности, можно смело говорить о большей пользе графита. Алмаз по причине идеальности своей кристаллической решетки инертен. Его можно использовать только как алмаз. Большая часть добываемых в природе алмазов уходит на нужды ювелирной промышленности, поскольку минерал является одним из самых дорогих драгоценных камней, становясь бриллиантом, он стимулирует оборот денег, и это его основное свойство в экономике.

Графит, изъятый из природы, становится не самодостаточной ценностью, а великим тружеником производства. Благодаря своим свойствам он используется и в своем истинном, природном виде, то есть как графит, и в качестве средства, на основе которого могут быть получены новые вещества, например, тот же алмаз.

Графит, брат угля и алмаза

На картинках, иллюстрирующих нахождение углерода в минеральной природе, графит ненапрасно располагают между углем и алмазом. По свойствам графит действительно частично схож с обычным каменным углем, а частично – с благородным алмазом.

Самородный графит не всегда одинаков. Добытый из недр, он чаще всего черен, плотен, мягок и прекрасно пишет по твердой поверхности. За это греки и прозвали черный минерал «графитом»: «графо» - значит «пишу».

Народы, менее склонные к писательству, звали графит (в вольном переводе на русский) и «черным свинцом», и «углистым железом», а также «сливовиком» и даже «скальником» - поскольку графитовые обнажения чаще всего таятся в расселинах скал.

Природный графит может быть не только черным, но и серым, с явным металлическим отблеском. Графитовая масса нередко полна примесей – в том числе и золота – и промышленникам приходится использовать многоэтапные технологии очищения графита.

Между тем, каждому металлургу известно, как много графита выделяет остывающий чугун. Так не проще ли вместо добычи ископаемого графита использовать графит искусственный?

Разновидности графита

Графит имеет слоистое строение. Атомы углерода в графите объединены в пластины толщиной в одну молекулу. В идеале пластины плотно прилегают друг к другу и срастаются в шестиугольные таблитчатые кристаллы. Кристаллические разрастания графита могут принимать столбчатую, чешуйчатую или сфероподобную форму. Графитовые сферолиты порой образуют массивные грозди, округлости которых напоминают бока темных слив, покрытых глянцевым налетом.

Природный графит может быть смешан с аморфной углистой или глинистой массой, газами, битумами и соединениями чужеродных элементов, но в нем всегда наблюдается кристаллическая структура, и он достаточно легко очищается и доводится до нужных производству параметров.

Доменный графит, выделяясь в среду отдельными мельчайшими пластинками, представляет собой трудноуловимое вещество. Его улавливают и утилизуют – обычно прямо на предприятии, используя как добавку к шихте – но технология дорога и масштабы этой утилизации невелики.

Более производительным является метод изготовления графита из высокоуглеродистого сырья – летучих углеводородов, антрацита, кокса, пека. Основой метода является нагревание твердой сырьевой массы до 2800°С, а газообразной среды – до 3000°С при повышенном до 500 атм. давлении.

Технологии добычи природного и получения искусственного графита весьма затратны. Однако целесообразность подобных расходов неоспорима: свойства графита уникальны, и как материал он во многих случаях просто незаменим.

Свойства графита

Главное практическое свойство графита – устойчивость к запредельным термическим нагрузкам , инертность в диапазоне температур ниже 2500°С, высокая электропроводность, низкий коэффициент трения в парах графит-металл. Помимо того, графит легко расщепляется на чешуйки, которые, в свою очередь, без задержки прилипают к любой поверхности. Таким образом, мелкодисперсная графитная пыль становится отличным смазывающим веществом.

Температура плавления графита близка к 4000°С, что позволяет использовать материал в качестве лабораторной среды для работы с тугоплавкими металлами. Находит свое применение и высокая теплопроводность минерала.

Пластичность графита дает возможность формовать из него детали любой формы. Прессованный графит прекрасно поддается механической обработке.

Важнейшим свойством графита является его способность к перерождению в алмаз.

Алмаз из графита и графит из алмаза

Разница между графитом и алмазом состоит в плотности укладки углеродных слоев. Практически разобщенные в графите, в алмазе они соединены столь плотно, что кристаллическая решетка минерала принимает кубическую форму. То есть каждый атом углерода в алмазе находится одновременно в трех взаимно перпендикулярных слоях.

Для того чтобы углеродные слои связались воедино, не придумано ничего лучше кроме сильного сдавливания и подъема температуры. Первые синтетические алмазы были получены при разогреве графита до 1800°С под давлением в 120 тысяч атмосфер. Сегодня практикуется производство мелкой алмазной крошки при температурах порядка 1200°С и краткосрочном повышении давления до 300 тыс. атм.

Реакция обратима. Любой алмаз, разогретый до 1000°С, начинает превращаться в графит. При 2000°С процесс протекает очень быстро.

Использование графита

И природный, и синтетический графит находят применение в промышленности. В металлургии цветных и тугоплавких металлов графит незаменим как материал для обработки или изготовления литьевых форм. Способность графита растворяться в разогретых сплавах используется для придания изделиям заданных свойств.

Работоспособность подшипников скольжения обеспечивается за счет использования графита. Что важно, темп износа графитовой опоры или обоймы постоянен во всем диапазоне рабочих температур подшипников, нередко насчитывающем сотни градусов.

Графит обладает не только смазывающими, но и абразивными способностями. Тончайшие полировочные пасты содержат в себе графит. Введенный в состав фрикционных материалов, минерал повышает устойчивость изделий к нагреву.

Керамика, замешанная на графите, отличается особой огнеупорностью. Электропроводность и стойкость материала к эрозии дает возможность изготавливать из графита высоковольтные контакты, облицовку сопел и дюз.

Инертность графита делает его отличным защитным покрытием для всевозможных конструкций. Краски, созданные на основе графитовой взвеси в растворителе-пластификаторе, работают и на твердых (бетон, сталь), и на упругих (древесина, алюминий) поверхностях.

Введение

1.1.Общая характеристика алмаза

1.2. Общая характеристика графита

2. Промышленные типы месторождений гранита и алмаза

3. Природные и технологические типы алмазосодержащих и графитовых руд

4. Разработка месторождений гранита и алмаза

5. Области применения гранита и алмаза

Заключение

Список используемой литературы.

Введение

Алмазная промышленность нашей страны находится в стадии развития, внедрения новых технологий обработки минералов.

Найденные месторождения алмазов вскрываются лишь процессами эрозии. Для разведчика это означает, что существует множество «слепых» месторождений, не выходящих на поверхность. Об их присутствии можно узнать по обнаруженным локальным магнитным аномалиям, верхняя кромка которых располагается на глубине в сотни, а если повезет – то в десятки метров. (А. Портнов).

Исходя из вышесказанного, я могу судить о перспективности развития алмазной промышленности. Именно поэтому я выбрала тему – «Алмаз и графит: свойства, происхождение и значение».

В своей работе я попыталась проанализировать связь между графитом и алмазом. Для этого сравнила эти вещества с нескольких точек зрения. Я рассмотрела общую характеристику данных минералов, промышленные типы их месторождений, природные и технические типы, разработку месторождений, области применения, значение данных минералов.

Несмотря на то, что графит и алмаз полярные по своим свойствам, они являются полиморфными модификациями одного и того же химического элемента - углерода. Полиморфные модификации, или полиморфы - это вещества, которые имеют одинаковый химический состав, но различную кристаллическую структуру. С началом синтеза искусственных алмазов резко возрос интерес к исследованию и поискам полиморфных модификаций углерода. В настоящее время, кроме алмаза и графита, достоверно установленными можно считать лонсдейлит и чаотит. Первый во всех случаях был найден только в тесном взаимопрорастании с алмазом и поэтому называется еще гексагональным алмазом, а второй встречается в виде пластинок, чередующихся с графитом, но расположенных перпендикулярно его плоскости.

1. Полиморфные модификации углерода: алмаз и графит

Единственный минералообразующий элемент алмаза и графита - это углерод. Углерод (С) - химический элемент IV группы периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева, атомный номер - 6, относительная атомная масса - 12,011(1). Углерод устойчив в кислотах и щелочах, окисляется только дихроматом калия или натрия, хлористым железом или алюминием. Углерод имеет два стабильных изотопа С(99,89%) и С(0,11%). Данные изотопного состава углерода показывают, что он бывает разного происхождения: биогенного, небиогенного и метеоритного. Многообразие соединений углерода, объясняющееся способностью его атомов соединяться друг с другом и атомами других элементов различными способами, обусловливает особое положение углерода среди других элементов.

1.1 Общая характеристика алмаза

При слове «алмаз» сразу же вспоминаются тайные истории, повествующие о поисках сокровищ. Когда-то люди, охотившиеся за алмазами, и не подозревали, что предметом их страсти является кристаллический углерод, который образует сажу, копоть и уголь. Впервые это доказал Лавуазье. Он поставил опыт по сжиганию алмаза, используя собранную специально для этой цели зажигательную машину. Оказалось, алмаз сгорает на воздухе при температуре около 850-1000*С, не оставляя твердого остатка, как и обычный уголь, а в струе чистого кислорода сгорает при температуре 720-800*С. При нагревании до 2000-3000*С без доступа кислорода он переходит в графит (это объясняется тем, что гомеополярные связи между атомами углерода в алмазе очень прочны, что обусловливает очень высокую температуру плавления.

Алмаз - бесцветное, прозрачное кристаллическое вещество, чрезвычайно сильно преломляющее лучи света.

Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии sp3-гибридизации. В возбужденном состоянии происходит распаривание валентных электронов в атомах углерода и образование четырёх неспаренных электронов.

Каждый атом углерода в алмазе окружен четырьмя другими, расположенными от него в направлении от центра в вершинах тетраэдра.

Расстояние между атомами в тетраэдрах равно 0,154 нм.

Прочность всех связей одинакова.

Весь кристалл представляет собой единый трехмерный каркас.

При 20*С плотность алмаза составляет 3,1515 гр/см. Этим объясняется его исключительная твердость, которая по граням различна и уменьшается в последовательности: октаэдр - ромбододекаэдр - куб. В то же время алмаз обладает совершенной спайностью (по октаэдру), а предел прочности на изгиб и сжатие у него ниже, чем у других материалов, поэтому алмаз хрупок, при резком ударе раскалывается и при дроблении сравнительно легко превращается в порошок. Алмаз обладает максимальной жесткостью. Сочетание этих двух свойств позволяет использовать его для абразивных и других инструментов, работающих при значительном удельном давлении.

Показатель преломления (2,42) и дисперсия (0,063) алмаза намного превышают аналогичные свойства других прозрачных минералов, что в сочетании с максимальной твердостью обусловливает его качество как драгоценного камня.

В алмазах обнаружены примеси азота, кислорода, натрия, магния, алюминия, кремния, железа, меди и других, обычно в тысячных долях процента.

Алмаз чрезвычайно стоек к кислотам и щелочам, не смачивается водой, но обладает способностью прилипать к некоторым жировым смесям.

Алмазы в природе встречаются как в виде хорошо выраженных отдельных кристаллов, так и поликристаллических агрегатов. Правильно образованные кристаллы имеют вид многогранников с плоскими гранями: октаэдр, ромбододекаэдр, куб и комбинации этих форм. Очень часто на гранях алмазов имеются многочисленные ступени роста и растворения; если они неразличимы глазом, грани кажутся искривленными, сферическими, в форме октаэдроида, гексаэдроида, кубоида и их комбинаций. Различная форма кристаллов обусловлена их внутренним строением, наличием и характером распределения дефектов, а также физико-химическим взаимодействием с окружающей кристалл средой.

Среди поликристаллических образований выделяются - баллас, карбонадо и борт.

Баллас - это сферолитовые образования с радиально-лучистым строением. Карбонадо - скрытокристаллические агрегаты с размером отдельных кристаллов 0,5-50 мкм. Борт - яснозернистые агрегаты. Балласы и особенно карбонадо имеют самую высокую твердость из всех видов алмазов.

Рис.1 Строение кристаллической решетки алмаза.

Рис.2 Строение кристаллической решетки алмаза.

1.2 Общая характеристика графита

Графит - серо-черное кристаллическое вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь, по твердости уступает даже бумаге.

Структура графита слоистая, внутри слоя атомы связаны смешанными ионно-ковалентными связями, а между слоями - существенно металлическими связями.

Атомы углерода в кристаллах графита находятся в sp2-гибридизации. Углы между направлениями связей равны 120*. В результате образуется сетка, состоящая из правильных шестиугольников.

При нагревании без доступа воздуха графит не претерпевает никакого изменения до 3700 *С. При указанной температуре он выгоняется, не плавясь.

Кристаллы графита - это, как правило, тонкие пластинки.

В связи с низкой твердостью и весьма совершенной спайностью графит легко оставляет след на бумаге, жирный на ощупь. Эти свойства графита обусловлены слабыми связями между атомными слоями. Прочностные характеристики этих связей характеризуют низкая удельная теплоемкость графита и его высокая температура плавления. Благодаря этому, графит обладает чрезвычайно высокой огнеупорностью. Кроме того, он хорошо проводит электричество и тепло, устойчив при воздействии многих кислот и других химических реагентов, легко смешивается с другими веществами, отличается малым коэффициентом трения, высокой смазывающей и кроющей способностью. Все это привело к уникальному сочетанию в одном минерале важных свойств. Поэтому графит широко используется в промышленности.

Содержание углерода в минеральном агрегате и структура графита являются главными признаками, определяющими качество. Графитом часто называют материал, который, как правило, не является не только монокристаллическим, но и мономинеральным. В основном имеют в виду агрегатные формы графитового вещества, графитовые и графитсодержащие породы и продукты обогащения. В них, кроме графита, всегда присутствуют примеси (силикаты, кварц, пирит и др.). Свойства таких графитовых материалов зависят не только от содержания графитового углерода, но и от величины, формы и взаимных отношений кристаллов графита т.е. от текстурно-структурных признаков используемого материала. Поэтому для оценки свойств графитовых материалов необходимо учитывать как особенности кристаллической структуры графита, так и текстурно-структурные особенности других их составляющих.

Рис.3. Строение кристаллической решетки графита.

Рис.4. Вкрапленники графита в кальците.

2. Промышленные типы месторождений алмаза и графита

Месторождения алмазов подразделяются на россыпные и коренные, среди которых выделяются типы и подтипы, различающиеся по условиям залегания, формам рудных тел, концентрациям, качеству и запасам алмазов, условиям добычи и обогащения.

Коренные месторождения алмазов кимберлитового типа во всем мире являются основными объектами эксплуатации. Из них добывается около 80% природных алмазов. По запасам алмазов и размерам они разделяются на уникальные, крупные, средние и мелкие. С наибольшей рентабельностью отрабатываются верхние горизонты выходящих на дневную поверхность уникальных и крупных месторождений. В них сосредоточены основные запасы и прогнозные ресурсы алмазов отдельных алмазоносных кимберлитовых полей. Кимберлиты – это «вулканические жерла», заполненные брекчией. Брекчия состоит из обломков и ксенолитов, окружающих и осевших сверху пород, из обломков пород, вынесенных с глубин 45-90 км и более. Цементом является вулканический материал, туфы щелочно-ультроосновного состава, так называемые кимберлиты и лампроиты. Кимберлитовые трубки располагаются на платформах, лампроитовые – в их складчатом обрамлении. Время образования трубок разное – от архея до кайнозоя, а возраст алмазов, даже самых молодых из них, составляет около 2-3 млрд. лет. Образование трубок связано с прорывом вверх по узким каналам под большим давлением, на глубине свыше 80 км, при температуре около 1000*щелочно-ультроосновных расплавов. Большинство хорошо изученных кимберлитовых тел имеет сложное строение; в наиболее упрощенном случае в строении трубки участвуют две основные разновидности пород, образовавшихся в ходе двух последовательных фаз внедрения: брекчия (1-й этап) и массивный «крупнопорфировый» кимберлит (2-й этап). В строении некоторых кимберлитовых трубок выявлены также кимберлитовые дайки и жилы, связанные с трубками. Обнаружены слепые тела, образованные порциями кимберлитовой магмы, не доходившими до дневной поверхности. Месторождения, связанные с дайками и жилами кимберлитов, как правило, относятся к категории мелких, реже средних по запасам алмазов Во многих случаях прорыв вверх достигал палео-поверхности, но многие трубки взрыва могут быть «слепыми» и до сих пор не вскрыты эрозией, т.е. залегают где-то на глубине. Но и на поверхности Земли есть места, где возникают давления вполне достаточные для образования алмаза. Это места удара метеоритов, где алмаз встречается не только в Земле, но и в ряде самих метеоритов.

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.