Какая связь в молекуле алмаза

Если в узлах кристаллической решетки находятся неполярные молекулы какого-то вещества (вроде иода I2, кислорода О2 или азота N2), то они не испытывают друг к другу никаких электрических «симпатий». Другими словами, их молекулы не должны притягиваться за счет электростатических сил. И все-таки что-то их удерживает рядом. Что именно?

Оказывается, в твердом состоянии эти молекулы подходят настолько близко друг к другу, что в их электронных облаках начинаются мгновенные (правда, очень слабые) смещения — сгущения и разрежения электронных облаков. Вместо неполярных частиц возникают «мгновенные диполи», которые уже смогут притягиваться друг к другу электростатически. Однако это притяжение очень слабое. Поэтому кристаллические решетки неполярных веществ непрочные и существуют только при очень низкой температуре, при «космическом» холоде.

Астрономы действительно обнаружили небесные тела — кометы, астероиды, даже целые планеты, состоящие из замерзшего азота, кислорода и других веществ, которые в обычных земных условиях существуют в виде газов и становятся твердыми в межпланетном пространства.

215. Строение кристаллической решетки алмаза.

	Многие простые и сложные вещества с молекулярной кристаллической решеткой хорошо всем известны. Это, например, кристаллический иод I2:
Вот как построена кристаллическая решетка иода: она состоит из молекул иода (в каждой из них — два атома иода).
	И эти молекулы довольно слабо связаны между собой. Вот почему кристаллический иод такой летучий и уже при самом легком нагревании испаряется, превращаясь в газообразный иод — пар красивого фиолетового цвета.

• Кристаллическая вода (лед) состоит из полярных молекул воды H2O.
• Кристаллы «сухого льда», которым охлаждают мороженое, — это тоже молекулярные кристаллы углекислого газаCO2 .
• Еще один пример — сахар, который образует кристаллы из молекул сахарозы.

Когда в узлах кристаллической решетки находятся молекулы вещества, связи между ними не очень-то крепкие, даже если эти молекулы — полярные.
Поэтому для того, чтобы расплавить такие кристаллы или испарить вещества с молекулярной кристаллической структурой, не требуется нагревать их до красного каления.
Уже при 0 °С кристаллическая структура льда разрушается, и получается вода. А «сухой лед» при обычном давлении не плавится, а сразу переходит в газообразный диоксид углерода — возгоняется.

Другое дело — вещества с атомной кристаллической решеткой, где каждый атом связан со своими соседями очень прочными ковалентными связями, а весь кристалл в целом при желании можно считать огромной молекулой.

Для примера можно рассмотреть кристалл алмаза, который состоит из атомов углерода.

Атом углерода С, который содержит два неспаренных р-электрона, превращается в атом углерода С*, где все четыре электрона внешнего валентного уровня расположены на орбиталях поодиночке и способны образовывать химические связи. Химики называют такой атом «возбужденным».
В этом случае химических связей оказывается целых четыре, и все очень прочные. Недаром алмаз — самое твердое вещество в природе и с незапамятных времен считается царем всех самоцветов и драгоценных камней. Да и само его название означает по-гречески «несокрушимый».
	Из ограненных кристаллов алмаза получаются бриллианты, которыми украшают дорогие ювелирные изделия

Самые красивые из найденных людьми алмазов имеют свою, порой трагическую, историю. Читайте подробности >>>

Но алмаз идет не только на украшения. Его кристаллы используются в инструменте для обработки самых твердых материалов, бурения горных пород, резки и огранки стекла и хрусталя.

Кристаллическая решетка алмаза (слева) и графита (справа)

Графит по составу тот же углерод, но структура кристаллической решетки у него не такая, как у алмаза. В графите атомы углерода расположены слоями, внутри которых соединение атомов углерода похоже на пчелиные соты. Эти слои связаны между собой гораздо слабее, чем атомы углерода в каждом слое. Поэтому графит легко расслаивается на чешуйки, и им можно писать.

Применяется он для изготовления карандашей, а также в качестве сухой смазки, пригодной для деталей машин, работающих при высокой температуре. Кроме того, графит хорошо проводит электрический ток, и из него делают электроды.

Можно ли недорогой графит превратить в драгоценный алмаз? Можно, но для этого потребуется немыслимо большое давление (несколько тысяч атмосфер) и высокая температура (полторы тысячи градусов).
Гораздо проще «испортить» алмаз: надо просто нагреть его без доступа воздуха до 1500 °С, и кристаллическая структура алмаза превратится в менее упорядоченную структуру графита.

Есть еще одна форма существования элемента углерод в виде кристаллов — карбин, бесцветные кристаллы.
Углерод — это еще и сажа от свечи или из дымохода печки, древесный уголь и таблетки активированного угля из аптеки.

Алмаз, графит и карбин — это аллотропные модификации одного и того же элемента в виде простого вещества.

Алмаз, графит, карбин. А элемент — один! Все это — углерод, Вот!

Источник: www.alhimik.ru

Свойства и особенности кристаллической решетки алмаза

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:

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.

В природе алмаз встречается в кимберлитовых и лампроитовых трубках. Считается, что камень сформировался под действием магмы, также есть версия о космическом происхождении алмаза. Сейчас основная добыча камня ведется в ЮАР, а также в Бразилии, Австралии и России, в частности, в Якутии.

Если позволяют внешние и химические свойства, то камень отправляется к ювелирам. В остальных случаях его используют в промышленности. В производстве используют такие типы, как: борт, баллас и карбонадо. Широко используются в качестве абразивов.

Камень замечательно нашел свои сферы применения. А вот его свойства, происхождение и строение решетки продолжает активно изучаться. Но пока ученые не смогли до конца понять все тонкости этого минерала.

Источник: okaratah.com

Какая кристаллическая решетка у алмаза и в чем ее уникальность

Кристаллической решеткой алмаза ученые заинтересовались давно. Благодаря ее характеристикам, камень имеет особые свойства и ценность. Существуют аллотропные модификации, используемые в промышленности, электронике, медицине, космонавтике, авиации. В настоящее время развивается отрасль по созданию искусственных алмазов, но она требует больших затрат.

Что такое кристаллическая решетка

Как известно, все вещества состоят из частиц — атомов, которые могут располагаться хаотично или в определенном порядке. У аморфных веществ частицы расположены беспорядочно, а у кристаллических они образуют определенную структуру. Эта структура называется кристаллической решеткой. Она определяет такие характеристики вещества, как твердость, хрупкость, температура кипения и/или плавления, пластичность, растворимость, электропроводность и т. д.

Кристаллическая решетка — это внутренняя структура кристалла, порядок взаимного расположения атомов, ионов или молекул. Точки, в которых находятся эти частицы, называются узлами решетки.

Частицы удерживаются на своих местах благодаря химическим связям между ними. В зависимости от того, какой вид связи удерживает атомы или ионы данного вещества, в химии выделяют основные типы кристаллических решеток:

• атомная (ковалентные связи),
• молекулярная (ковалентные связи и притяжение между молекулами),
• металлическая (металлические связи),
• ионная (ионные связи).

Не путайте эти два понятия — кристаллическая решетка и химическая связь. Тип решетки говорит о том, как расположены атомы/ионы в молекуле вещества, а тип связи — по какому принципу они между собой взаимодействуют.

Как получить драгоценный камень из графита

Для получения синтетических аналогов необходима высокая температура и давление в специальных установках. Конечно, давление, созданное геологическими преобразованиями, не сравнимо по длительности действия. Считалось, что драгоценные камни из графита получить практически невозможно из-за технических сложностей. Первые искусственные драгоценные камни были получены весом меньше одного карата (1 карат = 0,2 г) и даже были огранены, но получение более весомых экземпляров наталкивалось на определенные трудности. Дело в том, что сложные установки не в состоянии выдержать долгое время высокую температуру и давление, а для выращивания полукаратных образцов нужно время.

С развитием технического прогресса известны две распространенные технологии получения синтетических образцов: HPHT (high pressure high temperature) и CVD (chemical vapor deposition). Первый расшифровывается – «высокое давление высокая температура», а второй метод – «химическое парофазное осаждение».

Самый крупный по технологии HPHT получен в России (32,26 карата) и был огранен. Масса бриллианта составила 10,02 карата.

Позже в Китае был создан самый крупный искусственный аналог CVD в мире массой 46,2 карата (ограненный бриллиант – 12,75 карат). Оба экземпляра подтверждены сертификатом Международного Геммологического Института (IGI) в Гонконге.

Строение и агрегатное состояние веществ

Выделяют три агрегатных состояния: твердое тело, жидкость и газ. Каждое из них предполагает определенное расположение частиц. Ниже мы расскажем подробнее, как связаны в химии кристаллическая решетка и агрегатное состояние вещества, а пока осветим общие закономерности.

• Если частицы хаотично движутся, а расстояние между ними многократно превышает их собственные размеры — это газ. За счет большой удаленности друг от друга молекулы и атомы в таком веществе слабо взаимодействуют между собой.
• Если частицы расположены все так же беспорядочно, но на небольшом расстоянии друг от друга — это жидкость. В жидком состоянии вещества его молекулы и атомы имеют более прочные связи, которые сложнее разорвать.
• Если частицы собраны близко друг к другу и в определенном порядке — это твердое тело. В таком состоянии связи между ними наиболее прочны. Частицы могут двигаться только в пределах своего расположения и почти не перемещаются в пространстве.

Большинство веществ могут находиться и в твердом, и в жидком, и газообразном состоянии, а в зависимости от давления и температуры легко переходить из одного в другое. Типичный пример — вода, которая при нагревании превращается в пар, а при остывании становится твердым льдом.

Способ образования

Алмаз – один из самых дорогих драгоценных камней уже много столетий. Вопросы о генезисе до недавнего времени были спорными. Ещё в 50-х годах прошлого столетия утверждалось об их растительном происхождении, причем монография Гепперта об этом была удостоена высших наград и признаний со стороны голландского ученого сообщества. Продолжалось такое положение дел совсем недолго, а именно, открытие воронок в Африке и метеоритов с алмазными вкраплениями изменило устоявшее суждения о происхождении этого камня.

Основной тип месторождений – трубки, образованные взрывом, их еще называют диатремы. Эти диатремы в основном сложены кимберлитами – брекчиевидными изверженными породами. Кимберлиты в своем составе содержат также и древние глубинные породы – ксенолиты. Существует предположение, что именно они слагают верхнюю мантию Земли.

Глубинные породы с алмазами, вынесенные взрывом на поверхность, а также минеральные включения, указывают образование последних под действием высокого давления и температуры. Эти два показателя говорят об определенной фации глубинности (110-135 км) при давлениях 4-4,3 Гпа. Если перевести в привычные «а, то получится приблизительно 40 тыс. атмосфер. На сегодня считается, что алмаз в трубках образовался на глубине 100-200 км при температурах 1300-1700oC и более высоких давлениях.

Несмотря на условия образования, алмаз на земной поверхности – неустойчивая стабильная углеродная модификация. По нашим представлениям он должен был преобразоваться в графит, но этого не произошло.

Атомная кристаллическая решетка

Согласно своему названию, атомная кристаллическая решетка — это структура, в узлах которой расположены атомы. Они взаимодействуют с помощью ковалентных связей, то есть один атом отдает другому свободный электрон или же электроны из разных атомов образуют общую пару. В кристаллах с атомной решеткой частицы прочно связаны, что обуславливает ряд физических характеристик.

Свойства веществ с атомной решеткой:

• прочность,
• твердость,
• неспособность к растворению в воде,
• высокая температура кипения и плавления.

К примеру, атомную кристаллическую решетку имеет алмаз — самый твердый минерал в мире.

Другие примеры: германий Ge, кремний Si, нитрид бора BN, карборунд SiC. Типичный представитель этой группы — обычный песок, который по сути является оксидом кремния SiO

Если нужно рассказать о свойствах веществ с атомной кристаллической решеткой, достаточно вспомнить песок и перечислить его характеристики.

Физические и химические свойства

Химическая формула минерала – C. Кристалл хорошо проводит тепло, но не проводит (или слабо проводит) электрический ток. Имеет хорошие преломляющие и отражающие свойства.

Плавится при температуре свыше 3700 градусов. Горит в сочетании с кислородом при температуре более 721 градуса. Устойчив к кислотам и щелочам.

1. Цвет: бесцветный, прозрачный. Возможны оттенки голубого, желтого, синего, розового, красного, бурого, черного.
2. Форма: кристалл с разным количеством граней.
3. Блеск: сильный алмазный.
4. Плотность: 3,5 г/см3.
5. Твердость: абсолютная, 10 баллов. Но при этом камень очень хрупкий.
6. Спайность: средняя.
7. Электропроводность: слабая или отсутствует.
8. Люминесцирует при ультрафиолете.
9. Под действием рентгеновского излучения снижается прочность связей.

Молекулярная кристаллическая решетка

Как и в предыдущей группе, в этой находятся вещества с ковалентными связями между атомами. Но физические характеристики этих веществ совершенно иные — они легко плавятся, превращаются в жидкость, растворяются в воде. Почему так происходит? Все дело в том, что здесь кристаллы строятся не из атомов, а из молекул.

Молекулярная кристаллическая решетка — это структура, в узлах которой находятся не атомы, а молекулы.

Внутри молекул атомы имеют прочные ковалентные связи, но сами молекулы связаны между собой слабо. Поэтому кристаллы таких веществ непрочные и легко распадаются.

Молекулярная кристаллическая решетка характерна для воды. При комнатной температуре это жидкость, но стоит нагреть ее до температуры кипения (которая сравнительно низка), как она тут же начинает превращаться в пар, т. е. переходит в газообразное состояние.

Некоторые молекулярные вещества — например, сухой лед CO

2, способны преобразоваться в газ сразу из твердого состояния, минуя жидкое (данный процесс называется возгонкой).

Свойства молекулярных веществ:

• небольшая твердость;
• низкая прочность;
• легкоплавкость;
• летучесть;
• у некоторых — наличие запаха.

Помимо воды к веществам с молекулярной кристаллической решеткой относятся аммиак NH

3, гелий He, радон Rn, йод I, азот
N
2 и другие. Все благородные газы — молекулярные вещества. Также к этой группе принадлежит и большинство органических соединений (например, сахар).

Применение в промышленности

Алмаз не царапается ни одним из существующих элементов на Земле. Это замечательное свойство получило широкое распространение в области народного хозяйства. Два аллотропных состояния одного химического элемента углерода – графит и алмаз, а имеют столь разное применение. Графит наименьшей твердостью используется в качестве сухой смазки в механизмах трения, тогда как алмаз с наивысшей твердостью по шкале Мооса, применяется в качестве абразивного материала. Буровые коронки с алмазным напылением, шлифовальные круги – это малая часть орудий производства по обработке материалов.

Алмаз нашел своё применение и в изучении космоса в качестве теплоотводящего материала при экстремальных температурах.

Cтанция «Пионер», запущенная к Венере в 1978 году, была покрыта материалом из алмазной крошки.

Широкое применение технических образцов (искусственно полученных) известно в радиоэлектронике, оптических приборах, при производстве медицинских инструментов. Для нужд техники производится 500 млн карат искусственных алмазов, это 100 тонн ежегодно.

Ионная кристаллическая решетка

Как известно, в ходе ионной химической связи один атом отдает другому ионы и приобретает положительный заряд, в то время как принимающий атом заряжается отрицательно. В итоге появляются разноименно заряженные ионы, из которых и состоит структура кристалла.

Ионная решетка — это кристаллическая структура, в узловых точках которой находятся ионы, связанные взаимным притяжением.

Ионную кристаллическую решетку имеют практически все соли, типичным представителем можно считать поваренную соль NaCl. О ней стоит вспомнить, если нужно перечислить физические характеристики этой группы. Также ионную решетку имеют щелочи и оксиды активных металлов.

Свойства веществ с ионной структурой:

• твердость;
• хрупкость;
• тугоплавкость;
• нелетучесть;
• электропроводность;
• способность растворяться в воде.

Примеры веществ с ионной кристаллической решеткой: оксид кальция CaO, оксид магния MgO, хлорид аммония NH

4
Cl
, хлорид магния Mg
Cl
2, оксид лития
Li
2
O
и другие.

Различные вещества

Это интересно: как определить валентность по таблице Менделеева?

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.

Источник: 1400.xn--p1ai