Тип хімічного зв'язку між атомами у алмазі. Природний мінерал алмаз: структура, фізичні та хімічні властивості

Для полегшення розуміння міжатомної взаємодії ми розглядатимемо типи хімічного зв'язкуу дещо спрощеному вигляді, а саме, розглянемо: а) гомеополярний, або ковалентний зв'язок, б) гетерополярний, або іонний зв'язок, в) металевий зв'язок та г) поляризаційний зв'язок, або зв'язок Ван-дер-Ваальса.

Об'єднання атомів у молекули речовини, а також об'єднання атомів або іонів у тверде тіловідбувається під впливом хімічних зв'язків. Об'єднання молекул у речовину, що знаходиться в рідкому або газоподібному станіздійснюється під дією сил міжмолекулярної взаємодії, які називаються силами Ван-дер-Ваальса. Природа хімічних та молекулярних зв'язків єдина – електрична. Розрізняють кілька типів хімічного зв'язку, основні з них – це ковалентна та іонна.

Ковалентний зв'язокздійснюється за рахунок утворення однієї чи кількох спільних парелектронів, які раніше належали різним атомам. Ковалентний зв'язок може бути одинарним (водень, хлор) або багаторазовим (наприклад, азот – 3). Ковалентний зв'язок утворюється між атомами одного чи кількох хімічних елементівіз близькими іонізаційними потенціалами. У чистому виглядіковалентний зв'язок реалізується при взаємодії елементів із наполовину заповненими електронними оболонками.

Розглянемо схематичну будову атома та молекули водню, рис.1. Електрони під час руху орбітами частіше перебувають між ядрами, що сприяє зближенню атомів. Радіус атома водню дорівнює 0,53 ангстрему, а відстані між ядрами атомів у молекулі водню дорівнює лише 0,74 ангстрема.

Поява між позитивно зарядженими іонами пари негативно заряджених електронів призводить до того, що обидва іони притягуються до узагальнених електронів і тим самим притягуються один до одного. Кожен атом взаємодіє з обмеженою кількістюсусідів, причому число сусідів дорівнює числу валентних електронів атома. Отже, ковалентний зв'язок насичений. Крім того, атом взаємодіє лише з тими сусідами, з якими він обмінявся електронами, тобто ковалентний зв'язок спрямований.

Відношення розміру позитивно зарядженого ядра до розміру валентної електронної оболонки надзвичайно мало, тому під час аналізу сили тяжіння вважатимуться, що взаємодіють точкові заряди, тобто сила тяжіння описується найпростішим виглядом кулонівського закону: сила тяжіння обернено пропорційна квадрату відстані між зарядами. При зближенні атомів починається взаємне відштовхування внутрішніх електронних оболонок, і відштовхування атомів описується більше складним законом: сила відштовхування обернено пропорційна відстані між атомами в ступені n, де n >2.

Збільшення порядкового номера елемента веде до зростання кількості електронних оболонок, що екранують взаємодію позитивно заряджених ядер з валентними електронами. Тому знижується сила взаємного тяжіннята зменшується глибина потенційної ями. В результаті, зі зростанням порядкового номера елемента падає температура плавлення, зростає коефіцієнт теплового розширеннязменшується модуль пружності.

Якщо молекула складається з атомів одного і того ж хімічного елемента, то в ній центри розташування позитивних і негативних зарядівзбігаються. Власний електричний дипольний момент μ такої молекули дорівнює нулю. Діелектрик, утворений такими неполярними молекулами, також є неполярним.

Якщо молекула складається з атомів різних хімічних елементів, то електронна пара зміститься у бік одного з атомів, що має більшу електронегативністю. Внаслідок цього відбудеться поляризація молекули. Полярною чи дипольною стане й сама молекула. Електричний дипольний момент μ такий молекули дорівнюватиме

μ = q * l, Кл*м

де q – абсолютне значеннязаряду диполя, l– плече диполя, відстань між центрами різноїменних зарядів. Дипольний момент часто вимірюють у дебаях (D). 1D = 3.33∙10 -30 Кл∙м. Молекула води є полярною, оскільки електронні пари між киснем та воднем зміщені у бік атома кисню (рис. 2).

За наявності полярних ковалентних зв'язківможуть утворюватись і неполярні молекули, якщо дипольні моменти цих зв'язків врівноважують один одного. Таке явище притаманно складних органічних молекул. Наприклад, поліетилен, трансформаторна олія, парафін є неполярними речовинами, хоча зв'язок «вуглець-водень» є полярним.

Іонний зв'язоквиникає між атомами, що мають дуже велику різницю електронегативності. У цьому випадку електронна пара настільки сильно зміщується у бік одного з атомів, що той фактично стає негативним іоном. Таким чином, іонний зв'язокутворюється за рахунок переходу електрона від одного атома молекули до іншого. Типовий прикладтакого зв'язку – кухонна сіль:

NaCl = Na + + Cl-.

Кордонів між полярним ковалентним та іонним зв'язком дуже умовна, принципової відмінності в механізмі утворення цих зв'язків немає. Але ці зв'язки дуже відрізняються між собою за величиною енергії, яку потрібно витратити на розрив такого зв'язку.

Іонний зв'язок утворюється при взаємодії атомів з малою кількістю валентних електронів та атомів з великою кількістюелектронів на валентних оболонках При цьому зовнішні електрони атомів з низькими потенціаламиіонізації переходять на валентні оболонки атомів із високими іонізаційними потенціалами. В результаті утворюються позитивно і негативно заряджені іони, що взаємно притягуються. електростатичними силами. Іонний зв'язок ненасичений, оскільки кожен із негативно заряджених іонів притягує до себе позитивно заряджені, а кожен із позитивно заряджених іонів притягує до себе всі негативно заряджені. Однак іонний зв'язок спрямований, оскільки іон притягує до себе різноіменно заряджені іони та відштовхує однойменно заряджені.

Зменшення розміру іона та збільшення його заряду веде до зростання енергії зв'язку, а отже, до зростання температури плавлення матеріалу, зменшення коефіцієнта теплового розширення та збільшення модуля пружності.

Металевий зв'язокутворюється між атомами одного або кількох хімічних елементів, у яких валентні електронні оболонки забудовані менше ніж на половину. Оскільки енергія іона мінімальна при повністю заповненій зовнішньої оболонкиатоми віддають зовнішні валентні електрониі перетворюються на позитивно заряджені іони, між якими знаходяться вільні електрони (електронний газ).

Кожен із позитивно заряджених іонів притягується до вільних електронів, і, тим самим, іони притягуються один до одного. Металевий зв'язок ненаправлений і ненасичений, і число найближчих сусідів у іона визначається в основному геометричним і енергетичними факторами. Отже, кристалічні ґрати металів упаковані щільно. Під дією електричного поляне пов'язані з іонами електрони переміщуються, тобто метали мають високу електропровідність. Вільні електрони можуть легко прискорюватися і сповільнюватися, тобто змінювати свою кінетичну енергію. Внаслідок цього металеві матеріали поглинають кванти. електромагнітного полябудь-якої енергії, тобто метали непрозорі для радіо- та світлових хвиль у широкому діапазоні частот. Поглинувши квант електромагнітного поля, вільний електрон збуджується, і, переходячи в стаціонарний стан, Випускає аналогічний квант. Інакше висловлюючись, металеві матеріали відбивають радіо- і світлові хвилі.

Поляризаційний зв'язок або зв'язок Ван-дер-Ваальса.Утворюється при зближенні молекул чи атомів інертних газів. Розглянемо виникнення поляризаційного зв'язку з прикладу інертних атомів.

У одиночного атома електронна оболонка симетрична. При зближенні двох атомів їх електронні оболонки електрично взаємодіють та деформуються (див. рис. 6). У результаті атоми перетворюються на диполі, які взаємно притягуються. Чим більше порядковий номератома, тим більше в нього електронних оболонок, отже, зв'язок валентних електронів з ядром слабшає, і деформувати її легшає. Отже, зростає дипольний момент атома та збільшується енергія зв'язку між атомами. Тому температура кипіння важких інертних газів помітно вища за температуру кипіння легких газів.

Аналогічні процеси відбуваються при зближенні електрично нейтральних молекул. Причому чим вища молекулярна вага, тим більший дипольний момент молекул і вища енергія зв'язку. Тому речовини з низькою молекулярною вагою при кімнатній температуріє газами, речовини з великою молекулярною вагою – рідинами, а речовини з ще більшою молекулярною вагою – твердими тілами.

Важливо мати на увазі, що в тому самому матеріалі одночасно можуть реалізовуватися кілька типів хімічних зв'язків. Так, усередині молекули поліетилену зв'язок ковалентний, а між молекулами поляризаційний. В алмазі атоми вуглецю пов'язані ковалентним зв'язком, а у графіту три електрони утворюють ковалентний зв'язок, один електрон йде на утворення металевого зв'язку, і плоскі молекули, що утворюються, пов'язані поляризаційним зв'язком.

У ряді випадків спостерігається зміна типу зв'язку при зміні зовнішніх умов. Так, олово є елементом четвертої групи, і в ньому має реалізовуватись ковалентний зв'язок, але у олова п'ять електронних оболонок, і валентні електрони слабо пов'язані з ядром. Тому при термічному збудженні електрони відриваються від атомів і зв'язок стає металевим. До температури 13*С міжатомний зв'язок в олові ковалентний, і він є типовим напівпровідником - "сіре" олово. Вище 13*С зв'язок стає металевим, і олово поводиться як типовий метал- "біле" олово. Важливо, що перетворення білого олова на сіре олово не може відбутися строго при 13*С. Це спричинено істотною відмінністю щільності упаковки атомів. При перебудові кристалічних решіток у матеріалі з'являються пружні напруги, що підвищують енергію системи. Тому перетворення починається при суттєвому переохолодженні. Пружні напруги, що виникають при перетворенні, руйнують матеріал, тому сіре олово існує у вигляді порошку. Перетворення білого олова на сіре було причиною загибелі експедиції Роберта Скотта. Оскільки каністри з пальним були пропаяні оловом, то при охолодженні біле олово перетворилося на сіре та пальне витекло.

ПІДРУЧНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНИЙ ПРАКТИКУМНАУКОВІ РОЗПОВІДІ ДЛЯ ЧИТАННЯ

Продовження. Див. № 4-14, 16-28, 30-34, 37-44, 47, 48/2002;
1–10, 12–15, 16, 17, 18, 19, 20/2003

§ 5.3. Речовина
у кристалічному стані

У речовині, що знаходиться в кристалічному стані, частинки розташовані у певному порядку, утворюючи кристалічну решітку. Кристалічна решіткає просторовим періодичне розташуваннячастинок у кристалі. Точки кристалічних грат, у яких розташовані частинки, називаються вузлами кристалічних ґрат.
Залежно від природи частинок, що утворюють кристал, та типу хімічного зв'язку між ними кристали поділяються на атомні, молекулярні, іонні, металеві.
У атомних кристаліватоми пов'язані ковалентним неполярним зв'язком. Характерним прикладом таких речовин є алмаз, у кристалічній решітці якого всі найближчі між'ядерні відстані та всі кути між чотирма зв'язками атома вуглецю рівні. Тетраедричний кут між цими зв'язками свідчить про sp 3-гібридному стані валентних електронних орбіталей атома вуглецю.
Модель кристалічних ґрат алмазу показана на рис. 5.3 а.

Алмаз - надзвичайно стійка форма вуглецю, і не відомо жодного випадку мимовільного переходу при звичайних умовахалмазу у графіті. Ми говоримо про кінетичну стійкість алмазу, тому що термодинамічно більш стійкою формою вуглецю є графіт. При нагріванні алмазу без доступу повітря вище за температуру 1200 °С починається його перехід у графіт.

З алмазів особливим огранюванням, що спеціально виявляє його блиск, виготовляють діаманти, сяючи всіма кольорами веселки у відбитому світлі. Діаманти - дуже дороге дорогоцінне каміння (маса діаманта вимірюється в каратах, 1 карат = 0,2 г). Діамант не проводить електричний струм.

Графіт – чорна речовина, що бруднює папір і руки, що проводить електричний струм. Кристалічна структура графіту зовсім не схожа на структуру алмазу. Атоми вуглецю у графіті розташовані плоскими сітками, причому кути між зв'язками дорівнюють 120°. Це дозволяє припустити, що валентні електронні орбіталі атома вуглецю знаходяться в sp 2-гібридному стані і кожен атом пов'язаний з трьома іншими атомами (рис. 5.3 б). Цікаво зауважити, що зв'язки С–С у графіті міцніші, ніж зв'язки в алмазі.
У площині перекривання гібридних орбіталей (зв'язку) електрони міцно закріплені при своїх атомах вуглецю (локалізовані). Однак графіт – добрий провідник струму. (Перелічіть побутові та промислові вироби, де використовується графіт як провідник струму.)
Електропровідність графіту найкращим чиномпояснюється тим, що негібридна р-орбіталь атома вуглецю, що розташовується перпендикулярно до площини перекривання. sp 2-гібридних орбіталей, що перекривається своїми бічними областями з трьома подібними орбіталями трьох сусідніх атомів. Таким чином, вище та нижче цієї площини знаходяться єдині для всіх атомів вуглецю зони-перекривання. У цій спільній електронній хмарі електрони вже не належать до будь-якого певному атомувуглецю, а належать всім атомам, що знаходяться на площині. Графіт проводить електричний струм шаром атомів, але з між шарами. Це чудовий приклад анізотропії кристала!
У графіті шари атомів легко ковзають щодо один одного. Коли ви пишете графітовим олівцем по паперу, на ньому залишаються шари атомів, що змістилися і прилипли до паперу. У той самий час графіт не розсипається на шари атомів, це свідчить у тому, що вони взаємодіють між собою. Зв'язки між площинами (шарами) дуже слабкі, їх довжина майже в 2,5 рази більша, ніж міжядерна відстань С–С у площині. За ці зв'язки відповідальні сили Ван-дер-Ваальса.
Графіт та алмаз – це різні кристалічні форми, побудовані з однакових атомів. Явище зміни кристалічної структури однієї й тієї ж речовини при зміні зовнішніх умов називається поліморфізмома самі ці речовини з різною кристалічною структурою називаються поліморфними модифікаціями. Алмаз та графіт – поліморфні модифікації вуглецю. Поліморфізм відноситься лише до кристалічних речовин.

У загальному випадкуздатність простої речовиниіснувати в різних формахназивається алотропією. Графіт та алмаз можна назвати алотропними модифікаціями вуглецю та одночасно його поліморфними модифікаціями.
Газоподібний кисень Про 2 і озон Про 3 – це алотропні модифікаціїкисню, але не поліморфні.

Молекулярні кристалічні гратипобудована з молекул речовини. Зазвичай такі речовини мають низькі температуриплавлення та кипіння, що говорить про слабкий зв'язок частинок між собою. До такого типу речовин відносяться, наприклад, тверді водень Н 2 азот N 2 кисень О 2 галогени (фтор, хлор, бром, йод), вуглекислий газСО 2 («сухий лід»), всі шляхетні елементи VIII групи(неон, аргон та ін.) та багато органічних речовин.
На рис. 5.4 показаний фрагмент кристалічних ґрат йоду, у вузлах яких знаходяться молекули I 2 . Атоми йоду в молекулі пов'язані досить міцним ковалентним зв'язком, а молекули між собою слабкими силамиВан-дер-Ваальса. У зв'язку з цим при незначному нагріванні йод, не плавлячись, переходить із кристалічного стану в газоподібно

Серед кристалів із молекулярною структурою особливе місцезаймає кристалічна вода – лід. У льоду молекули води пов'язані між собою водневими зв'язками.
Іонні кристалічні гратипобудовані із протилежно заряджених іонів. На рис. 5.5 зображено фрагмент кристалічних ґрат хлориду натрію NaCl. Завдяки сильній електростатичній взаємодії іонів поряд з хімічним зв'язком між ними іонні кристали відрізняються. високою температуроюплавлення.

Список нових та забутих понять та слів

О.С.ЗАЙЦЕВ

Друкується із продовженням

У кристалах мають місце наступні типизв'язків:

● Ковалентний зв'язок;
● Іонний зв'язок;
● Металевий зв'язок;
● Молекулярний зв'язок;
● Водневий зв'язок.

Розглянемо їх докладніше.

Ковалентний зв'язок

Нейтральні атоми розміщені у вузлах кристалічних ґрат. Зв'язок утворюється спрямованими валентними електронними хмарами.
Зв'язок, що поєднує в кристалі (а також і в молекулі) нейтральні атоми, називається гомеополярним або ковалентним. Сили взаємодії при гомеополярному зв'язку мають, як і у випадку з гетерополярним зв'язком, електричний (але не кулоновський) характер. Гомеополярний зв'язок здійснюється електронними парами. Це означає, що у забезпеченні зв'язку між двома атомами бере участь по одному електрону від кожного атома. Тому гомеополярний зв'язок має спрямований характер.

Кристали з ковалентним зв'язком діелектрики чи напівпровідники. Типовими прикладами атомних кристалів можуть бути алмаз, германій і кремній.

Іонний зв'язок

У вузлах кристалічних ґрат поміщаються позитивно і негативно заряджені іони. Сили взаємодії між вузлами є переважно електростатичними (кулонівськими). Зв'язок між такими частинками називається гетерополярним або іонним.

Кристали з іонним зв'язком за низьких температур є діелектриками. При тепературах близьких до температури плавлення стають провідниками електрики. Прикладом кристалів з іонними гратами є кристали кам'яної солі (NaCl).

Металевий зв'язок

У всіх вузлах кристалічних ґрат розташовані позитивні іониметалу. Між ними безладно, подібно до молекул газу, рухаються електрони, що відщепилися від атомів при утворенні іонів. Ці електрони грають роль цементу, утримуючи разом позитивні іони; в іншому випадку грати розпалися б під дією сил відштовхування між іонами. Разом з тим і електрони утримуються іонами в межах кристалічних ґрат і не можуть її покинути.

Більшість металів має кристалічні решітки одного з трьох типів: кубічну об'ємно-центровану, кубічну гранецентровану і так звану щільну гексагональну.

Молекулярний зв'язок

У вузлах кристалічних ґрат поміщаються певним чином орієнтовані молекули. Сили зв'язку між молекулами в кристалі мають таку ж природу, як і сили тяжіння між молекулами, що призводять до відхилення газів від ідеальності. З цієї причини їх називають вандерваальсівськими силами.
Для кристалів з молекулярними зв'язками характерні низькі температури плавлення та висока стисливість.

Водневий зв'язок

Особливий різновид молекулярного зв'язку - водневий зв'язок. Це найсильніший молекулярний зв'язок. При певних умоватом водню може бути пов'язаний досить міцно із двома іншими атомами. Маючи лише одну стабільну орбіталь, атом водню здатний утворювати лише один ковалентний зв'язок. Цей зв'язок може, однак, резонувати між двома положеннями. Найбільше значеннямають ті водневі зв'язки, які утворюються між двома сильно електронегативними атомами, особливо між атомами азоту, кисню та фтору.

Водневі зв'язки, що утворюються молекулами води, зумовлюють напрочуд високі точки плавлення льоду та кипіння води, існування максимуму щільності води, розширення води при замерзанні. Багато особливі властивостінеорганічних та органічних молекул, наприклад димеризація жирних кислот, Пояснюються утворенням водневих зв'язків. Водневий зв'язок – особливо важлива структура білків, особливість білків і нуклеїнових кислот.

Молекулярні зв'язки утворюють, наприклад, наступні речовини: H2, N2, O2, CO2, H2O.

Типи хімічного зв'язку – це зручне спрощення. Більш точно поведінка електрона в кристалі описується законами квантової механіки. Говорячи про типі зв'язку в кристалі, необхідно мати на увазі наступне: зв'язок між двома атомами ніколи повністю не відповідає одному з описаних типів. В іонному зв'язку завжди є елемент ковалентного зв'язку і т.п.
Різноманітність сполуки вуглецю пов'язана з тим, що в складних речовинахзв'язок між різними атомамиможе бути різного типу. Так, наприклад, в кристалі білка зв'язок в молекулі білка ковалентна, а між молекулами (або різними частинами однієї молекули) воднева. Існують чотири алотропні модифікації вуглецю: алмаз, графіт, карбін і букібол.

Кристалічна решітка алмазу складається з атомів вуглецю, з'єднаних між собою дуже міцними s-зв'язками. У кристалі алмазу всі зв'язки еквівалентні та атоми утворюють тривимірний каркас із зчленованих тетраедрів. Алмаз – найтвердіша речовина, знайдена у природі.

Графіт являє собою темно-сіре з металевим блиском, м'яка, жирна на дотик речовина. Добре проводить електричний струм. У графіті атоми вуглецю розташовані у паралельних шарах, утворюючи гексагональну сітку. Усередині шару атоми пов'язані набагато сильніше, ніж один шар з іншим, тому властивості графіту сильно різняться за різними напрямками.

Карбін – отриманий штучним шляхом. Існує два види карбину: полікумулен = С = С = С = С = і поліїн - C = C-C = C-C = C -.
Букібол – отриманий у 1985 р., має сферичну форму (як футбольний м'яч), складається з 60 чи 70 атомів вуглецю.
Вуглець у вигляді сажі, коксу, деревного вугілля, кісткового вугілля широко використовується в металургії, синтезі. органічних речовиняк паливо, в побуті.

Особливості будови вуглецю. Сполуки, до складу яких входить вуглець, називаються органічними. Крім вуглецю, вони майже завжди містять водень, часто - кисень, азот і галогени, рідше - фосфор, сірку та інші елементи. Однак сам вуглець і деякі найпростіші сполуки, такі як оксид вуглецю (II), оксид вуглецю (IV), вугільна кислота, карбонати, карбіди і т.п., за характером властивостей неорганічних сполук. В атомі вуглецю можна збільшити кількість неспарених електронів на зовнішньому другомушарі, якщо розпарити електронну пару 2s-підрівня, «виселивши» електрон у вільну атомну орбіталь на р-підрівні. Тоді атом вуглецю зможе утворити чотири зв'язки з іншими атомами, виявляючи валентність IV.

В цій статті:

Алмаз є гарним мінералом, а після огранювання у вигляді діаманту цінується аматорами. ювелірних прикрас. Але не всі знають, що ховається у складі цієї речовини, в чому полягає секрет її популярності, а також чому камінь є справді унікальним? У цих питаннях допоможе розібратися кристалічні грати алмазу, його хімічний складта властивості каменю.

Форми вуглецю та їх кристалічні решітки

Якщо описувати будову решітки, то можна використовувати атомну і молекулярні типиречовини. Щоправда, такого поняття, як молекула вуглецю, у природі немає, тому можна говорити лише про атомний тип будови. Саме атом, а чи не молекула, є основою решітки і утворює сполуки між іншими атомами.

Структура алмазу

А говорячи про хімічні модифікації вуглецю, то вчені наприкінці вісімдесятих років ХХ століття вивели таке поняття, як фулерен. Це шістдесятиатомна молекула, що зовні нагадує будовою футбольний м'яч. Пізніше виявили молекулу фулерену, яка мала ще більше атоміву своєму складі. Це допомогло дослідити графіт та інші модифікації вуглецю з використанням лазерного спектру.

Кристалічна решітка розглядає будову речовини з погляду сполуки атомів елемента між собою. Існує кілька типів зв'язку:

• іонна;
• ковалентна;
• металева;
• воднева.

У даному випадкуалмаз має ковалентні зв'язки, які утворюються між однаковими атомами і вважаються найміцнішими в хімії. Алмаз є чистою кристалічною модифікацією вуглецю, яке кристалічна решітка має форму куба. Це найщільніша упаковка атомів, яка існує.

Якщо висловлюватись по-науковому, то мінерал кристалізується в кубічної сингонії. Відповідно, у кожній вершині куба розташовується атом вуглецю, а гранями куба виступають ковалентні зв'язки. При цьому в центрі кожної грані розміщено ще один атом вуглецю, які також пов'язані між собою.

Форма кристалічних грат зображується схематично, тому що точно невідомо з кількох кубів складається цілісний алмаз. Але саме завдяки такому розташуванню атомів камінь і є найтвердішим мінералом на планеті.

Алотропні модифікації каменю

Якщо хімічний склад алмазу - вуглець у чистому вигляді, варто з'ясувати, що це за елемент, а також розібратися в його модифікаціях і фізичних формах. На думку вчених, ця речовина спочатку входила в газову хмару, з якої поступово утворювалися планети. Так чи інакше, у складі кожної із планет Сонячна системає вуглець у якомусь агрегатному стані.

Якщо говорити про земної кори, то вона на 0,14% складається з цього неметалевого елемента. А також за однією з теорій походження людини вважається, що вуглець – один із чотирьох макроелементів, які є «будматеріалом» тіла. Найбільш відомі модифікації одного вуглецю називають так:

• алмаз – найдорожча форма;
• графіт - відома речовина, що використовується у промисловості;
• карбін;
• лонсдейліт - міститься у метеоритах;
• фулерени - наймолодші форми, які були відкриті;
• вуглецеві нанотрубки - застосовуються в каркасах до нановиробів;
• графен;
• вугілля - речовина, яка використовується як промислова сировина для отримання тепла;
• сажа.

Здавалося б, що спільного може бути у кристально чистого алмазу з графітом чи вугіллям? А ось склад цих речовин говорить про зворотне і наочно демонструє важливість розташування атомів у кристалічній решітці. До того ж, крім вуглецю, в речовинах нічого немає.

Цілком реально, що крім цих елементів, існують інші відкриті форми. А їхнє дослідження багато в чому залежить від алмазів, оскільки під час роботи з цим дорогоцінним каменемвчені намагаються розшифрувати його структуру, щоб виробляти штучно, і водночас знаходять нові модифікації елемента.

Виходячи зі структури алмазу, можна дійти невтішного висновку, що камінь абсолютно прозорий і пропускає весь видимий спектрчерез себе. Але нічого ідеального у природі немає. Тому навіть у такого кристала можуть бути домішки у ґратах. Якщо розглядати найчистіші екземпляри каменю, там міститься до 1018 атомів на 1 кубічний сантиметр. І це нормальне явище, оскільки кількість домішок залежить від процесів, у яких зростав камінь. І не факт, що сторонні речовини будуть видні неозброєним оком.

Серед домішок зустрічаються такі елементи, як:

• азот;
• кремній;
• кальцій;
• магній;
• алюміній.

Звичайно, якщо їх багато, то від цього страждає чистота каменю і відповідно падає вартість. Або такі алмази направляють для використання в промисловість. При цьому в алмазах трапляються не тільки тверді, але й рідкі і навіть газоподібні форми включень. Вони можуть розташовуватися нерівномірно, і навіть накопичуватися у центрі чи периферії каменя. Всі вони впливають на властивості каменю, на його відтінок та здатність заломлювати світло. Наприклад, азот впливає на люмінісцентність алмазу.

За спектрами поглинання в ІЧ- та УФ-діапазонах виділяють три типи алмазів:

• Перший тип. Вони азот міститься у вигляді пар атомів і плоских встроек, або вигляді одиночних атомів, які рівномірно розподілені за обсягом каменю.
• Другий тип. Вони азот, зазвичай, відсутня. У підтипі IIа немає домішок, а підтипі IIб присутні атоми бору.
• Третій тип може включати домішки кремнію.

Синтетичні алмази

Відкриття алотропних модифікацій дало вченим надіюна синтетичний добуток алмазів. І вони частково це вийшло, хоча сам процес не можна назвати легким. З хімічної точки зору, той самий графіт, наприклад, повинен отримати сигма-зв'язки. Такі умови відтворити можна лише у найпотужніших лабораторіях під дією великих температурта тиску.

• HPHT - тип алмазу виходить з розчинення графіту і осідання його в каталізаторі на мінералі. Після цього речовина починає вибудовувати необхідні зв'язки.
• CVD тип - ґрунтується на плівковому осадженні графіту з використанням парів метану.
• Метод вибухового синтезу – найбільш природний, з використанням вуглецю під високим тиском.

Поки навіть ці методи здійснюються важко, тому вартість алмазів залишається високою. Але технології продовжують розвиватися у цьому напрямі.

Властивості алмазів

Завдяки своєму складу та будові, алмаз отримав такі властивості, як:

• Стійкість до дії хімічних речовин, кислот, лугів.
• Найвища твердість речовини ( абсолютний показник, Що дорівнює 10 за шкалою Мооса), але при цьому крихкість каменю.
• При нагріванні без доступу кисню вибухає і перетворюється на графіт, а подальше плавлення алмазу аномально. З киснем температура плавлення становить 4 тисяч градусів за Цельсієм.
• 20-24 Вт/см – це показник теплопровідності. Справжній алмаз не нагріється, навіть якщо його довго тримати у руці.
• Алмаз чудово підходить у ролі ізолятора.
• Камінь має унікальну властивість заломлювати промені і при цьому світитися.

Якщо говорити про відмінності алмазу і графіту, найдоступнішої для нас речовини, то варто сказати, що властивості відрізняються через будову кристалічних ґрат. Про будову алмазу вже відомо, а ось у графіту ситуація по-іншому. Його кристалічна решітка має два типи зв'язку: ковалентний сигма-зв'язок знаходиться тільки в одній площині, а в інших площинах зв'язок між атомами не такий стійкий - ковалентний пі-зв'язок. Така будова дозволяє електронам графіту переміщатися на інші рівні, а також цей ефект пояснює наявність металевих властивостейграфіту. Грати алмазу та графіту зумовили властивості та застосування кожної речовини.

Діамант - мінерал, який є не чим іншим, як модифікацією вуглецю. Чистий алмаз має формулу, що складається лише з одного елемента. Камінь має унікальними властивостямиу природі, тому кристалічні грати алмазу зацікавили вчених, і структура речовини продовжує вивчатися.

Ідеальний алмаз можна як гігантську молекулу вуглецю. Склад мінералу вчені вивчили лише у кінці XVIIIстоліття. З того моменту почалися спроби штучного синтезу алмазу в лабораторіях, але вони були безглуздими, оскільки відбудувати решітку з нуля не виходило.

Структура алмазу

А ще техніка не була на такому рівні, щоб створити умови для утворення алмазу. Лише у п'ятдесятих роках ХХ століття вчені змогли синтезувати алмаз самостійно. Цим займалися такі країни, як СРСР, США та ПАР.

Будова речовини

Вся проблема і складність виробництва полягала в унікальній структурі алмазу. Між атомами в хімії може сформуватися чотири типи зв'язку:

• ковалентна;
• іонна;
• металева;
• воднева.

Найміцніша з них – ковалентний зв'язок. Вона також має свої підвиди: сигма-зв'язку та пі-зв'язку. Другий підвид менш міцний. У алмазі є кілька мільйонів атомів вуглецю, які з'єднані між собою за допомогою ковалентних зв'язків.

Просторове розташування атомів та їх сполуки називаються кристалічною решіткою. Саме її будова обумовлює таку характеристику, як твердість речовини. Елементарна комірка структури алмазу виглядає як куб. Тобто алмаз кристалізується у кубічній сингонії, якщо користуватися науковою термінологією.

На вершинах цього куба знаходиться атом вуглецю. По одному атому розташовується у кожній грані, а ще чотири – усередині куба. Центральні атоми в гранях є спільними для двох осередків, а ті, що знаходяться у вершинах куба, - загальні для восьми осередків. Між собою атоми з'єднані ковалентними сигма-зв'язками.

Така структура та упаковка вважається найбільш щільною. Кожен атом вуглецю розташовується в центрі тетраедра і пов'язаний з усіх боків. Оскільки валентність вуглецю дорівнює чотирьом, то всі зв'язки виявляються перекритими, і взаємодія з речовиною з боку неможлива.

Відстань між атомами однакова, вільних електронівні, тому мінерал є добрим діелектриком. Твердість алмазу досягається саме завдяки такій будові. Ці характеристики, у свою чергу, і спричинили широкого використаннякаміння. Вони застосовуються не тільки в ювелірній справі, але і як абразив, а також покриття для інструментів.

Але не все у природі ідеально. Навіть у алмазах часто зустрічаються домішки. Така структура дозволяє мінералу виглядати абсолютно прозорим без включень. Але камені, що видобуваються, не завжди мають ювелірні властивості через великої кількостідефектів та домішок.

Кристал алмазу може містити такі речовини:

• алюміній;
• кальцій;
• магній;
• граніт.

Іноді у складі зустрічається вода, вуглекислота чи інші гази. Домішки в кристалі розташовуються нерівномірно і дещо порушують кристалічну структуру. Якщо дефекти розташовуються на периферії, що частіше, тоді з ними можна боротися за допомогою огранювання.

Алотропні модифікації

Не тільки алмаз має подібний тип будови кристалічних ґрат. Інші елементи четвертої групи також мають схожу структуру. Але вся справа в атомній масі. Атоми вуглецю розташовуються на близької відстаніодин від одного, що робить зв'язки міцнішими. А ось із збільшенням атомної масиелементи розташовуються далі та міцність з'єднань між ними падає.

А також у вуглецю є в природі алотропні модифікації, куди, крім алмазу, входять інші речовини:

• графіт;
• лонсдейліт;
• сажа, вугілля;
• фулерени;
• вуглецеві нанотрубки.

Вчених цікавила можливість перетворення графіту на алмаз. Зробити це можна тільки під діями дуже високого тискута температури.

Вся справа в тому, що графіт відрізняється за просторовим розташуванням атомів та зв'язків між ними. Якщо у алмазу всі зв'язки ковалентно-сигма, то просторові зв'язки графіту - пі-з'єднання. А також у ґратах графіту залишається кілька вільних електронів у атомів, які переміщаючись, створюють ефект електропровідності. Така форма ґрат називається гексагональною. Тому графіт за шкалою твердості має показник одиницю.

Лонсдейліти ще вивчені остаточно, оскільки їх добувають або штучно, або з метеоритів, що впали на землю.

А ось фулерени мають кристалічну решітку, що нагадує м'яч, складений із восьмикутників. По кутах постатей розташовані не атоми, а молекули вуглецю. Ці речовини продовжують досліджувати.

Хімічний склад алмазу записується формулою чи елементом З.

Крім показника твердості - 10 з 10 за шкалою Моосу - алмаз має такі характеристики:

• Щільність – 3,5 г/см3.
• Камінь досить крихкий. Незважаючи на жорсткість, алмаз можна зруйнувати різким ударом.
• Спайність. Щільність речовини нерівномірна. Камінь розколюється по паралельних гранях кристала. Спайність повинна враховуватися при ограновуванні каменю, оскільки розрахунок ювеліра та наступний удар визначає площину сколу та відсікає непотрібні домішки.
• Камінь має бути прозорим. Тоді після огранювання він гратиме на світлі. Найдорожчі екземпляри називають алмазами чистої води. Але все одно зустрічається до 5% домішок у структурі, що спотворює кристалічну решітку, а іноді псує вигляд каменю.
• Якщо вплинути на камінь рентгенівськими променямито міцність ковалентних зв'язків порушиться. В результаті грати стануть пухкими і твердість речовини також знизиться. Але після цієї процедури з'явиться цікава властивість: камінь випромінюватиме світло в синій та зеленій частині спектру.

У природі видобутий мінерал має форму кристала з різною кількістюграней. Іноді видобувають не повне каміння, а тільки відколи від великих алмазів. Визначити скол це або повноцінний мінерал можна, вивчивши будову кристалічних ґрат. Грані мінералів часто вкриті наростами та поглибленнями.

Колір алмазу також відрізняється різноманітністю. Зустрічаються жовті, червоні або навіть темні відтінки алмазів. Звісно, ​​кристалічні грати біля каменів змінено. Але властивості від цього страждають не сильно. Такі мінерали називають фантазійними. Їхнє фарбування може бути нерівномірним і залежати від домішок у структурі.

Ідеальна будова існує лише у штучних алмазів. Виробництво цього каміння вимагає затравки у вигляді натурального кристала, а також великої кількості грошових вкладень та апаратури. Але саме вивчення кристалічних ґрат і вплинуло на розвиток цієї галузі.