Почему алмаз имеет большую прочность чем графит

Как свет и тьма – алмаз и графит. Химические и физические свойства алмаза и графита. Чем отличаются? Как из графита получить алмаз? Искусственные алмазы. Применение алмаза и графита во всех сферах жизни. Коротко о главном.

Твердость и прочность алмаза: основные физические характеристики

Алмаз – минерал, выдающийся во всех отношениях. Как неказистая куколка (алмаз-самородок действительно внешне не представляет ничего особенного), после огранки он превращается в восхитительную бабочку – бриллиант, стоимостью в сотни, тысячи и даже миллионы долларов.

Но не только неземное сияние и фантастическая цена выделяют этот камень среди собратьев. Алмаз – самый твердый из всех минералов, что определяет широчайшую сферу его применения. Не каждому алмазу дано превратиться в бриллиант – этой чести достойны лишь самые чистые и крупные камни.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРЕСС ПРЕВРАЩАЕТ ГРАФИТ В АЛМАЗ

Но даже мелкий и мутный самородок не будет выброшен за ненадобностью, а найдет применение в часовой или ядерной промышленности, квантовых компьютерах или микроэлектронике, на худой конец – в производстве абразивного, сверлильного и режущего оборудования. Это же Алмаз!

Общая информация об алмазах

Знаете формулу алмаза? Ее может запомнить даже дошкольник, не имеющий понятия о химии. Это просто С, то есть, алмазы представляют собой чистейший углерод (в идеале, разумеется).

Что же должно было произойти, чтобы углерод превратился в алмаз? На этот счет выдвинуто множество гипотез. Самая убедительная из них утверждает, что алмазы образуются на очень большой глубине (свыше 200 км) и под грандиозным давлением – там углерод формирует особую кубическую решетку, присущую алмазам. Во время вулканических процессов кристаллы углерода выносятся ближе к поверхности, где их и обнаруживают алмазодобытчики.

Золотое кольцо с бриллиантами (перейти в каталог SUNLIGHT)

Процесс этот очень небыстрый: возраст алмазов измеряется в сотнях миллионов, а то и миллиардах лет. Так что когда в ходе интенсивной добычи алмазоносные кимберлитовые трубки и иные породы истощатся, запасы этого камня иссякнут ну очень надолго.

Согласно научным данным, некоторые алмазы имеют внеземное происхождение. Они прибыли к нам с метеоритами или попали к нам в результате взрыва сверхновой. Предполагается, что некоторые из них куда старше Солнечной системы!

Алмазов на Земле немало, но лишь мизерная их часть может быть превращена в бриллианты. Самые чистые и крупные алмазы (так называемые «капские») добывают в Африке, а российские запасы этого минерала сосредоточены преимущественно в Якутии.

Среди наиболее выдающихся свойств алмаза следует упомянуть следующие:

• непревзойденную твердость – 10 по шкале Мооса;
• самую высокую среди твердых тел теплопроводность – 900—2300 Вт/(м·К);
• исчезающе низкий коэффициент трения по металлу (в воздушной среде);
• тугоплавкость и устойчивость к воздействию высоких температур;
• устойчивость к воздействию большинства агрессивных кислот и щелочей;
• высокий показатель преломления лучей в сочетании с прозрачностью;
• способность люминесцировать (светиться) в рентгеновских лучах и ультрафиолете.

Алмазы бывают не только белыми, но и окрашенными. Бурая и желтая окраска снижают стоимость бриллианта, голубая, синяя, розовая, красная, зеленая – повышают до заоблачных высот.

Главная характеристика, решающая судьбу необработанного алмаза – это прозрачность («чистая вода»). Именно поэтому черные алмазы (карбонадо) долгое время считались исключительно техническими. Однако изредка попадаются равномерно окрашенные черные алмазы, сохранившие некоторую прозрачность и характерный блеск. Стоят они умопомрачительно дорого.

Как измеряется твердость алмаза

Даже ребенку известно, что прочность алмаза невероятна (имеется в виду именно его твердость, а не устойчивость к ударам). Она принята за базовую величину по всем шкалам измерения. И это удивительно, ведь ближайшие родственники алмаза, графит и каменный уголь, имеющие тот же элементарный химический состав, не могут похвастаться выдающейся прочностью.

Секрет твердости алмаза кроется в уникальных условиях его образования: высочайших температурах и невероятном давлении. При них атомы углерода образуют уникальную кубическую кристаллическую решетку. Это определяет невероятную твердость конечного вещества, которое может существовать в естественных условиях миллиарды лет!

Непревзойденная твердость позволяет использовать алмаз при производстве оборудования для бурения и сверхточной резки. Перед эталоном не может устоять ни одно вещество!

Шкала Мооса

Первая удачная попытка создать шкалу твердости материалов принадлежит немецкому минералогу Фридриху Моосу. Несмотря на то, что эта система была презентована научному сообществу еще в 1811 году, она продолжает использоваться до сих пор, причем преимущественно в приложении к минералам естественного происхождения (в том числе, и драгоценным камням).

Твердость алмаза в баллах по шкале Мооса равна 10, то есть этот минерал был принят за абсолют: тверже его априори нет ничего. Основа этого теста – царапание. Если на поверхности испытываемого образца остается царапина, то он априори мягче эталона.

Второе место по твердости по классической шкале Мооса удерживают корунды, к которым относятся сапфиры и рубины – 9 баллов. Поцарапать их можно только алмазом!

Однако очень редко встречающийся природный муассанит и его искусственный аналог карборунд (химическая формула SiC) имеет прочность аж в 9,5 баллов по Моосу. Кстати, карборунд зачастую заменяет алмаз как в промышленности, так и при производстве ювелирных изделий. Визуально он практически неотличим от благородного собрата, но стоит на порядок дешевле!

Всем известно, что алмаз имеет большую прочность, чем графит, несмотря на идентичность химического состава. Однако не каждый знает, что они находятся на диаметрально противоположных концах шкалы Мооса. Твердость графита сопоставима с аналогичной характеристикой талька, а это – всего лишь единица!

Система Роквелла

С появлением синтетических материалов и свехтвердых сплавов общепринятая шкала Мооса стала неудобной. Было предложено множество систем, но в металлургической промышленности более всего прижилась шкала Роквелла (точнее, Роквеллов, ибо их было двое, отдаленных родственников с одной фамилией).

Твердость алмаза по Роквеллу не измеряется – он принят за эталон и основной рабочий инструмент. Измерительный станок Роквеллов визуально напоминает швейную машинку, но вместо иглы используется алмазный конус, а ткань заменяет испытуемый материал.

На образец воздействуют алмазным конусом с заданным давлением в течение нескольких секунд, затем оценивают параметры вмятины по литерно-цифровой шкале.

Что тверже алмаза?

Было предпринято множество попыток создать или найти в природе материал, более прочный, нежели алмаз. Пока они не увенчались успехом: обсидан, титан, сверхтвердые сплавы, всевозможные инновационные материалы не могут посостязаться с благородным эталоном. Более того: многие химики и физики и вовсе утверждают, что вещества крепче алмаза (точнее, тверже) существовать не может.

Самая известная и скандальная история связана с веществом под названием лонсдейлит, в химическом и физическом смысле представляющим собой гексагональный алмаз. В 60-х годах минувшего столетия этот минерал был синтезирован искусственно, а чуть позже – в небольших количествах обнаружен в кратерах метеоритов.

В 2009 году группа китайских ученых опубликовала сенсационную работу, в которой утверждалось, что лонсдейлит тверже кубического (известного нам) алмаза более чем вполовину. К сожалению, эти данные оказались мистификацией и не подтвердились даже выкладками в вышеуказанной работе.

Самая удачная попытка создать вещество тверже алмаза была предпринята совсем недавно, в 2021 году. Дуэту американских ученых удалось получить алмазы-гексагоны из графита путем направленных взрывов. Полученные образцы продемонстрировали лучшую звукопроводность, нежели классический кубический алмаз, что теоретически свидетельствует о большей твердости.

К сожалению, проверить теоретические выкладки американских ученых опытным путем пока не удалось. А оскандалившийся лонсдейлит, полученный из графита путем воздействия колоссальным давлением, показывает прочность всего в 7-8 баллов по шкале Мооса. Да и использовать его вряд ли получится: он представляет собой кристаллики, видимые только под микроскопом, а получение этого вещества обходится фантастически дорого.

Золотая подвеска с коньячными бриллиантами (перейти в каталог SUNLIGHT)

Существуют и другие вещества, мало уступающие алмазу по твердости: фуллериты, всевозможные соединения бора, карбин и так далее. Они немногим мягче алмаза, но зачастую превосходят его по иным характеристикам: прочности, устойчивости к химическому воздействию и сверхвысоким температурам.

На основе кубического алмаза можно создать более прочное вещество (например, при помощи наноконструирования). Японцам это удалось, только как обрабатывать этот беспрецедентно твердый материал?

Можно ли алмаз поцарапать или разбить молотком?

Исходя из вышесказанного можно сделать вывод: поцарапать бриллиант невозможно. Это дает возможность быстро выявлять грубые подделки из стекла, легко царапающиеся стальной иглой или пилочкой для ногтей. Правда, имитации бриллианта вроде фианита, а тем более, карборунда, таким образом распознать невозможно.

А вот веществ прочнее алмаза предостаточно – да та же сталь! Это значит разбить алмаз вполне реально. Естественно, камень спокойно переживет падение со значительной высоты, да и если наступите на него, ничего критичного не приключится. Но если с силой ударить по алмазу молотком, он треснет, а то рассыплется в мелкую крошку.

Только делать этого не стоит: слишком дорогостоящим выйдет эксперимент, а мир лишится еще одного бриллианта, формировавшегося в течение сотен миллионов лет!

Нам нужно понять, почему алмаз считается более прочным, чем графит. Поймем, чем называют алмаз и графит. Алмаз и графит – тривиальные названия аллотропных модификаций углерода, которые отличаются между собой по физическим свойствам. Алмаз имеет кубическую кристаллическую решетку, образуемую тетраэдрами. Углерода в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома, равноудаленных от данного. Это объясняет большую твердость минерала. В то же время, из-за этого же явления и своей твердости, минерал является очень хрупким, так как не способен накапливать достаточное количество энергии в своих связях.

Сравнение графита и алмаза по физическим свойствам

Такие разные по цвету, прочности, на ощупь материалы. Грифель карандаша и прозрачный, играющий блеском, бриллиант состоят из углерода. Удивительное вещество присутствует во многих структурах биосферы.

Алмаз и графит без них невозможно представить жизнь человека.

Свойства алмаза и графита

Коротко об аллотропном углероде и карбине. В периодической таблице Менделеева этот тип неметалла расположен под номером 6. Валентное состояние углерода коренным образом влияет на свойства вещества, в котором он присутствует.

Несмотря на то, что алмаз от графита отличается по всем характеристикам, оба минерала построены из свободного углерода.

Химические свойства

Структура кристалла алмаза пространственная. Алмаз и графит – это прочно связанные между собой тетраэдры, внутри которых атомы с ковалентной связью удалены друг от друга на равные расстояния. Доля углерода приближается к 99,8%. Незначительные примеси влияют на «чистоту» и оттенок самородка. Известно о химической стойкости к воздействию кислот и щелочей.

Важно помнить о том, что при высокой температуре сжигания от 800 до 1000 градусов на воздухе молекулы алмаза превращаются в кучку графита.

Сущность кристаллической решетки графита состоит из слоев. Отдельные слои выглядят как связанные между собой шестиугольники, похожие на пчелиные соты. Расположение слоев относительно друг друга не структурированное и может различаться в самородках. Атомы связаны прочно только в пределах одного пласта. Соседние слои жестких связей между атомами не имеют. Содержат различные включения. Графит не растворяется в кислотах. При высокой температуре сгорает до аморфного газа, взаимодействуя с кислородом. Щелочные металлы и соли могут образовывать с ним «соединения включения».

Физические свойства

Различие в строении алмаза и графита обуславливает и разные физические свойства:

1. Твердость. Алмаз – это самый твердый и плотный из созданных природой минералов. Он обладает минимальным коэффициентом сжатия. Графит имеет мягкую структуру, на ощупь жирный. Несмотря на разное значение плотности, оба они хрупкие и рассыпаются при падении или ударе.
2. Прозрачность. Непрозрачный, серый или темно-серый графит поглощает свет. При трении отслаивается и оставляет темные следы на поверхности. Металлические включения дают самородку блеск. Строение кристаллов в алмазе дает прозрачность. Природные самоцветы не всегда абсолютно прозрачные и бесцветные. Некоторые имеют цветной оттенок. Мутные кристаллы ценятся ниже.
3. Теплопроводность. Алмаз обладает самым высоким показателем, в сравнении с другими твердыми телами. Отличный полупроводник, способный работать при высоких температурах. У графита этот показатель теплопроводности крайне низкий.
4. Электропроводность. Если замерять этот параметр вдоль слоев графита, результат окажется довольно высоким, приближенным к металлу. Поперек плоскостей он в сотни раз меньше, а самый высокий – у рекристаллизованного графита. Алмаз не проводит электричество, он – диэлектрик.

Отличия между графитом и алмазом

При сравнении основных характеристик обнаруживаются существенные различия. Некоторые качественные параметры прямо противоположные.

По десятибалльной шкале Мооса алмаз имеет твердость, равную 10, а графит – 1.

Свет может легко проходить сквозь кристалл самоцвета. Используя это свойство, самоцвет гранят особым образом и получают бриллиант. Отраженные от граней лучи играют всеми цветами радуги. Графит непрозрачный и поглощает свет.

Графит обладает магнитной восприимчивостью.

Теплопроводность алмаза – от 900 до 2300, а графита – не выше 350 Вт/(м·К). Первый является диэлектриком, а электропроводимость второго приближается к показателям металлов.

Интересно, что при нагреве алмаз сохраняется до 720 градусов по Цельсию, а графит – до 3700. При нагревании до 700 градусов по Кельвину графит сжимается, а при дальнейшем росте температуры – расширяется.

Как получить из графита алмаз

Запасы природных ископаемых конечны. Промышленность стремительно развивается. Алмаз и графит применяют с целью роста потребности в материалах с данными свойствами. Если исходные минералы состоят из одного и того же элемента, можно ли получить из графита алмаз?

В естественных условиях самородки алмаза образовались при высоком давлении и резком охлаждении. В лаборатории смоделировали взрыв, получив переход графита во множество маленьких кристаллов алмаза. После многочисленных опытов, когда графит нагревали до разных температур при разных сочетаниях давления, ученые разработали методику получения искусственных алмазов.

Процесс заключается в преобразовании ковалентных связей. Кристаллическая решетка графита разрушается под воздействием высокой температуры и давления. При использовании катализатора вырастает новый кристалл – алмаз. Технология сложная. Все происходит в прочной камере. Пресс создает высокое давление в 1010 Па. «Раствор» графита, смешанного с агентом, нагревают почти до 3000 градусов с помощью электрического тока. После синтеза алмаза температуру и давление постепенно снижают.

Кристаллы получаются с требуемыми свойствами, но непрозрачные. Для массового использования в промышленности «чистота» — не решающий показатель. С середины прошлого века искусственный алмаз заменил в технических изделиях свой природный аналог. Выращивание крупных и чистых кристаллов оказалось делом дорогим и нерентабельным.

«Взрыв», или «ударная волна», широко не используется. Работы по изучению этого метода продолжаются. Прозрачные кристаллы, полученные таким образом, сходны с природными образцами, но размер их маленький.

Первые искусственные алмазы

Первые расчеты по теме в далеком 1939 году в СССР выполнил Лейпунский, выдающийся физик, сделавший не одно открытие в термодинамике. Только после окончания войны возобновились работы по синтезу алмазов. В 1953-54 годах это удалось в Швеции и США, а 1960 году – в Советском Союзе. С тех пор производство искусственных кристаллов растет. Методы совершенствуются и усложняются.

Применение алмаза и графита

Оба эти вещества используются человеком как в промышленности, так и в быту. Характерные свойства обуславливают область применения.

Различают ювелирные и технические алмазы. В ювелирном деле используется не более 22% самоцветов. Для этого отбирают лучшие, как правило, природные камни. Их гранят, учитывая структуру. Из полученных бриллиантов создают всевозможные украшения. Синтетические камни тоже используют. Изделия из них выглядят красиво, но есть отличия. Наличие мельчайших вкраплений, оттенок граней и влияние магнита выдадут искусственный бриллиант.

В технических изделиях используют второсортный материал. В справедливое дело идут целые кристаллы, осколки и даже «пыль» от шлифовки минерала. На подшипники, наконечники буров, сверла отбирают алмазы соответствующего вида и размера. Необработанные кристаллы с острой верхушкой применяются в электронике. Мелкие, с дефектами экземпляры и осколки измельчают в алмазный порошок. Крошка напыляется на кромки и плоскости режущих и точильных дисков, шлифовальных кругов.

Есть утверждение, что при бурении скважин в плотных породах применение алмазной коронки дает экономию времени, ресурсов и снижает общие затраты. Инструменты с алмазным напылением предназначены для шлифовки поверхностей. С давних пор алмаз применяется для резки стекла, металла и других материалов. Часовая промышленность не обходится без этих камней. Более тысячи промышленных товаров содержат различные виды самоцветов.

Сфера применения графита также обширна. В быту минерал используют при изготовлении грифелей для карандашей. Графит – основа твердых смазочных материалов и входит в состав пластмасс, красок, электропроводящих клеев. В электрических машинах присутствует в щетках, токосъемниках, реостатах и везде, где нужен подвижный электроконтакт. В металлургии при выплавке стали и алюминия применяют необработанный графит и сажу.

В ядерной энергетике графитовые стержни, замедляющие нейтроны в ядерных реакторах, – важнейший элемент реактора. В военных и космических целях применяется для защиты корпуса ракеты от перегрева.

Сегодня мы разберемся с тем, какой твердостью обладает алмаз, и бывают ли вещества или материалы тверже. Почему алмаз имеет большую прочность чем графит. Для того чтобы разобраться в вопросе, следует копнуть немного глубже. Алмаз – это минерал, кубической аллотропной формы углерода. При нормальных условиях материал метастабилен, другими словами, он может существовать неограниченно долго в своей твердой прозрачной форме. В вакууме или в инертном газе при повышенных температурах алмаз постепенно переходит в графит. Алмаз считается самым твердым минералом по эталонной шкале Мооса.

Школе NET

Submit to our newsletter to receive exclusive stories delivered to you inbox!

Суррикат Мими

Почему алмаз имеет большую прочность, чем графит? Почему алмаз имеет большую прочность, чем графит?

Лучший ответ:

Таня Масян

Атомы алмаза образуют крис­таллическую решетку, одинаково сопро­тивляющуюся разрушающему действию сил во всех направлениях. Кристалличес­кая решетка графита легче разрушается в одних направлениях, чем в других

Вы можете из нескольких рисунков создать анимацию (или целый мультфильм!). Для этого нарисуйте несколько последовательных кадров и нажмите кнопку Просмотр анимации.

Всем известно, что алмаз имеет большую прочность, чем графит, несмотря на идентичность химического состава. Однако не каждый знает, что они находятся на диаметрально противоположных концах шкалы Мооса. Твердость графита сопоставима с аналогичной характеристикой талька, а это – всего лишь единица! Система Роквелла. С появлением синтетических материалов и свехтвердых сплавов общепринятая шкала Мооса стала неудобной.