Чем отличается графит от алмаза

Чем отличается графит от алмаза? С точки зрения специалиста по химии – ничем: оба вещества представляют собой две различных формы углерода (С).

Атомы в этих структурах связаны между собой сильными ковалентными связями с различным пространственным расположением, определяющимся условиями сдвига.

В результате частицы графита присоединяются к трем атомам С и связываются с пластинами, параллельными друг другу, а частицы алмаза входят в четыре атома С, оформленных в трёхмерный каркас.

Рассмотрим сходства и различия алмаза и графита.

Физические и химические свойства

Вначале – о двух терминах, без которых усложнится понимание последующего текста:

1. Аллотропия – существование химического элемента в двух или более формах, которые могут различаться расположением атомов в кристаллических телах или наличием молекул, содержащих разное число атомов.
2. Полиморфизм – способность данного химического вещества кристаллизоваться более чем в одной форме под влиянием изменения температуры или давления.

Оба вещества представляют собой чистый углерод, потому и относятся к полиморфам. Их химический состав абсолютно одинаков и соответствует аллотропической форме углерода (наряду с аморфным, который обычно называют сажей). Разница состоит в пространственном выравнивании атомов при процессе их взаимного соединения.

Связи, которые удерживают атомы, имеют ковалентную природу. В обоих случаях атомы углерода обладают общими электронами, но различно ориентированной структурой.

Рассмотрим основные отличия алмаза от графита.

Графит

Вещество имеет стабильные химические связи с тремя другими атомами углерода. Это делает слои графита похожими на проволочную сетку. Когда вы рисуете карандашом на бумаге, именно эти слои скользят каждый сам по себе, оставляя частицы материала в виде пятен на бумаге.

Расположение электронов в каждом из слоёв – гексагональное, а общее расстояние между слоями примерно в 2,5 раза больше аналогичного параметра между атомами внутри каждого слоя. Гексагональные кольца графита способствуют плоской ориентировке атомов углерода в структуре.

Графит выглядит непрозначным минералом, цвет которого варьируется от серого до чёрного. На ощупь вещество ощущается податливым с плотностью в пределах 2,26 г/см3. Это является следствием относительно большого пространства, которое «пропадает» между смежными плоскостями.

В структуре каждый атом химического элемента С использует три своих электрона для образования простых связей с тремя ближайшими соседями. Это оставляет четвертый электрон на связывающем уровне.

Такие «запасные» электроны в каждом атоме распределяются по всей атомной плоскости атомов в одном слое. Они больше не связаны непосредственно с каким-либо конкретным атомом или парой атомов, а могут свободно перемещаться, причём в любом месте. Однако прямого контакта между электронами соседних слоев нет.

Атомы, которые расположены внутри плоскости, удерживаются вместе сильными ковалентными связями, называемыми дисперсионными силами Ван-дер-Ваальса.

По мере того, как распределённые электроны перемещаются в пределах плоскости, могут образовываться очень большие временные диполи, которые индуцируют противоположные диполи в слоях выше и ниже — и так далее по всему кристаллу.

Графит характеризуется высокими показателями плавления. Чтобы расплавить его, недостаточно отделить одну плоскость от другой, потребуется ликвидировать (или сущетвенно снизить) силу ковалентного взаимодействия во всём объёме.

Минерал нерастворим в воде и органических растворителях, что объясняется малыми силами притяжения между молекулами: они недостаточны для преодоления связи ковалентного взаимодействия.

Алмаз

Данный минерал является весьма устойчивой формой С, которая включает sp 3 атомы, объединённые гранецентрированной (ГЦК) кубической структурой. ГЦК-структура формируется в виде сетки, что увеличивает твёрдость и химическую инертность алмаза.

Вещество не имеет цвета, гладкое на осязание и обладает оптическим блеском. Его отличительная особенность – высокая дисперсия света.

Алмаз — прозрачное минеральное вещество, его твёрдость по шкале Мооса составляет 1, поэтому его чрезвычайно трудно разрушить: для этого необходимо безвозвратно разъединить пространственные связи между всеми составляющими ГЦК-решётки.

Вещество не проводит электричество, поскольку все электроны плотно удерживаются между атомами и не могут свободно двигаться. Характерная особенность – высокая температура плавления: от 3800 до 40000С при нормальном атмосферном давлении.

Минерал проявляет высокую стойкость от растворения в воде, водных растворах и в неполярных органических растворителях. Установлено, что не существует возможных притяжений между молекулами растворителя и атомами С в алмазе, которые могли бы перевешивать силы притяжения между ковалентно связанными атомами.

Из остальных механических, физических и химических характеристик необходимо выделить:

• низкий коэффициент трения;
• высокую теплопроводность;
• малое значение коэффициента теплового расширения;
• широкую оптическую прозрачность в диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного излучения;
• высокую стойкость к коррозии;
• биологическую совместимость.

Эти характеристики предопределяют области основного применения изделий из алмаза в науке, технике, медицине и других сферах.

Разница между графитом и алмазом

В чём разница графита и алмаза:

1. По структуре атомов, которые составляют кристаллическую решётку: sp3- для алмаза, sp 2 – для графита.
2. По твёрдости.
3. По количеству связей, которые образуются атомами С: четыре – для алмаза, три – для графита.
4. По типу структурной решётки: ГЦК – у алмаза, плоская – для графита.
5. По способности пропускать световое излучение: алмаз может, графит – нет.

Можно ли превратить графит в алмаз?

Такой процесс возможен, причём несколькими технологиями. Например, наукой разработана методика изготовления супертонких плёнок на основе алмаза, которые могут иметь многочисленные практические применения.

С целью получения желаемого результата листы графена – вещества, содержащего графит толщиной в атом – последовательно напыляются на любую опору из металла. Далее композиция обрабатывается в атмосфере водорода (сильного восстановителя).

В результате происходит цепочечная химическая реакция, по результатам которой происходит изменение структуры исходной плёнки: из графитовой она становится алмазной, со всеми характеристиками, присущими данной форме С.

Особенностью реакции является её лавинообразный характер, что увеличивает производительность процесса.

Ещё один из практически пригодных для реализации приёмов искусственного полиморфного превращения (превратить одно вещество в другое) – использовать повышенное давление.

Обычным путём это проделать невозможно, поскольку из-за высокой структурной стабильности графита потребуется реализовать давление не менее 11…12 ГПа. Выход заключается во внедрении изменённой технологии моделирования, в основу которой положены схохастические поверхностные процессы.

Исследовательским группам удалось спроектировать и применить на практике несколько технологических решений, позволяющих создать локальные поверхностные давления, обеспечивающие полноценную трансформацию минералов, причём с минимальными затратами энергии.