Почему алмаз твердый а графит мягкий

Графит тверже алмаза

В атомных плоскостях, из которых состоит графит, атомы связаны прочнее, чем в алмазе. Поэтому монокристалл графита в направлении, параллельном плоскостям,оказывается менее сжимаем, чем алмаз. Можно сказать, что каждая плоскость в графите «тверже» алмаза. Однако сам графит мягче алмаза из-за того, что эти плоскости в нем расположены далеко друг от друга (на расстоянии 0,3 нм) и легко друг по другу скользят. Именно поэтому графит — хороший смазочный материал.
«Тверже» алмаза могут быть и малые кластеры из атомов углерода, особенно самые маленькие замкнутые образования из атомов углерода — тетраэдр и октаэдр. Оценки показывают, что эти кластеры «тверже» алмаза соответственно в 40 и 20 раз.
Соблазнительно попытаться создать из графитовых плоскостей или этих кластеров объемное тело с твердостью выше, чем у алмаза. Но такая конструкция будет неустойчива — придумать ее можно, а сделать нельзя.
Если же свернуть фрагменты плоскостей графита в цилиндры, получатся вполне устойчивые образования — углеродные нанотрубки, обладающие широким набором уникальных свойств. К тому же существуют достаточно устойчивые замкнутые углеродные кластеры «тверже» алмаза, например молеку-

Углерод и его аллотропные формы алмаз и графит (Киевнаучфильм)

ла фуллерена С60 (о необычных свойствах таких молекул, как и на-нотрубок, «Химия и жизнь» неоднократно писала). Но при нормальных условиях эти прочные, похожие по форме на футбольный мяч молекулы (рис.3) образуют мягкие кристаллы — фуллериты — с очень слабыми межмолекулярными связями, поскольку молекулы С60, как и плоскости в графите, находятся далеко друг от друга — примерно на расстоянии в те же 0.3 нм.
Американские ученые Р.С. и А.Л.Руоффы вычислили, что если под давлением сблизить молекулы С60 практически до касания, то полученный материал может иметь упругие модули и твердость выше, чем у алмаза. Однако они не учли, что под давлением молекулы С60 не могут полностью сблизиться: на расстоянии около 0.15 нм между ними возникнет «жесткая» межмолекулярная ковалентная связь. При этом могут образовываться различные полимерные структуры из прочно связанных молекул С60 . Дальнейшее увеличение давления или температуры приводит к разрушению молекул и образованию материалов с аморфной

структурой или смеси алмаза и графита. Позже оказалось, что среди этих материалов есть сверхтвердые.
В России новые метастабильные формы вещества исследуют, главным образом, в Институте физики высоких давлений РАН. Здесь были получены первые в России искусственные алмазы и сверхтвердый нитрид бора, здесь были впервые синтезированы из фуллерита объемные (несколько кубических миллиметров) образцы полимерных фаз и образцы аморфных модификаций углерода. На этих образцах были впервые количественно исследованы механические свойства таких материалов.
Оказалось, что и материалы, состоящие из полимерных модификаций молекул С60, и аморфные структуры являются сверхтвердыми. Измерения твердости при нагрузке 0,5—2 кгс дали следующие результаты: 2000—5000 кгс/мм1 — для полимерных структур и 6000—8000 кгс/мм2 для аморфного углерода. Последний лишь незначительно уступает алмазу по твердости и в 1,5 раза — по модулю Юнга (70 000 кгс/мм2). Этот материал содержит до 70—80% «алмазных» связей, поэтому неудивительно, что по твердости он близок к алмазу.
Вообще же сверхтвердый аморфный углерод получают давно. Именно из фуллерита аморфный алмазоподобный углерод был впервые получен в 1993 г. японскими исследователями. Можно его получить и в виде тонких пленок — путем плазменного распыления или химического осаждения из пара. Пленки, имеющие 80—85% «алмазных» связей, обладают твердостью в 10 000-12 000 кгс/мм2. Возможно, в дальнейшем удастся получить аморфный углерод с полностью ал-мазоподобной структурой — «аморфный алмаз», для которого значения твердости будут еще выше.

Источник

Почему графит мягкий, а алмаз такой твердый?

Видео: Разница в структуре делает графит мягким, а алмаз твердым?

Содержание

Алмаз и графит — это два аллотропа одного и того же элемента (углерода), и различия в их свойствах являются результатом того, как устроены их кристаллические структуры. И алмаз, и графит состоят из чистого углерода, но их свойства резко различаются. Как аллотропы одного и того же элемента, вы можете ожидать, что они имеют много общего, но это не так.

Сначала этот вопрос может показаться многим странным. Алмаз и графит… звучит не очень разумно. Бриллиант и золото или алмаз и сапфир имели бы больше смысла, верно? Итак, почему алмазная ямка относится к той же категории, что и графит — то, что мы находим внутри наших карандашей?

Что ж, если бы вы обратили внимание на свои уроки химии в старшей школе, вы бы знали, что на самом деле между ними существует очень сильная структурная связь.

Какая связь между ними? И почему они так отличаются друг от друга?

Что такое аллотропы?

Аллотропия (также называемая «аллотропизмом») элемента — это способность этого элемента существовать в нескольких формах в одном физическом состоянии с различным расположением его атомов. Различные формы называются аллотропами данного химического элемента.

Представьте, что у вас есть 36 мячей, которые вы можете расположить в любом количестве узоров, чтобы получить взаимно визуально геометрические формы.

Составные части этих форм (шары) представляют собой атомы, а различные формы, которые они принимают (из-за их различного расположения), являются аллотропами.

Аллотропы одного и того же элемента имеют разные схемы связывания, что приводит к различным химическим и физическим свойствам вещества. Кроме того, разные аллотропы могут также отличаться наличием молекул в количестве атомов.

На следующем изображении представлены различные аллотропы фосфора и кислорода.

Аллотропы углерода

В мире аллотропов углерод — не что иное, как рок-звезда. Он обладает способностью образовывать множество аллотропов благодаря своей химической структуре. Его атомный номер 6, что означает, что он имеет 4 электрона в валентной оболочке.

На данный момент идентифицировано не менее 8 аллотропов углерода, и исследования по обнаружению еще большего количества аллотропов продолжаются.

Однако из всех известных аллотропов наиболее популярными являются алмаз и графит. Эти два аллотропа, которые визуально кажутся невероятно разными, по-прежнему сделаны только из углерода. Хотя их состав одинаков, они обладают разными химическими и физическими свойствами благодаря расположению атомов углерода внутри них.

Почему алмаз твердый, а графит мягкий, несмотря на то, что он состоит из одного и того же элемента (углерода)?

Все сводится к одному фактору: геометрия.

Расположение атомов углерода в алмазе тетраэдрическое. Это означает, что каждый атом углерода присоединен к 4 другим атомам углерода, образуя прочные ковалентные связи.

Такое расположение кристаллов является энергетически очень выгодным и придает алмазу характерную прочность, долговечность и жесткость. Чтобы поцарапать или сломать его, требуется большое усилие, что делает его одним из самых твердых материалов природного происхождения на планете.

С другой стороны, графит имеет совершенно иное геометрическое расположение, чем алмаз. Его атомы углерода расположены в виде двумерных листов, в то время как каждый атом углерода связан с тремя другими атомами углерода, образуя гексагональные кольца в бесконечном массиве. Хотя связь атомов внутри каждого отдельного слоя является ковалентной и, следовательно, довольно прочной (такой же прочной, как в алмазе), связь между слоями слабая (силы Ван-дер-Ваальса).

В результате слои скользят друг по другу и очень легко отделяются друг от друга. Эти слабые связи между несколькими листами атомов углерода заставляют графит, используемый в карандашах, отслаиваться от бумаги, позволяя вам писать. Помимо того, что графит мягкий и скользкий, он также имеет гораздо меньшую плотность, чем алмаз.

Во всем этом меня больше всего поражает то, как несколько изменений химической структуры идентичных веществ делают их настолько разными по внешнему виду, прочности и химическим свойствам!

Источник

Почему графит мягкий, а алмаз — твердый?

Благодаря особенностям атомной структуры. У графита атомы образуют слои, слабо связанные друг с другом. Поэтому графит по этим слоям легко скользит, оставляя след жаде на мягком материале, а вот в алмазе каждый атом связан с четырьмя соседями равномерно по всем направлениям, что придает алмазу большую твердость.

все дело в кристаллических решетках этих двух субъектов и если поместить графит в закрытую

камеру,создать в ней условия,как в недрах доисторических вулканов,то решетка и примет нужную

форму,превратив кусок бросового графита в ценный минерал.

Теория взаимодействия магмы и угольных пластов оказалась неточной, так как зафиксированы случаи, когда в кимберлитовых трубках находили следы угля, но не находили алмазы (и наоборот, алмазы были, а следов угля не было).

На сегодняшний день наиболее популярна теория так называемого «магматического алмазного синтеза».

Согласно ней, алмазы образовывались примерно 200 млн лет назад. Глубина образование кимберлитов — 300 километров; давление 100 килобар.

Глубина образования алмазов — 105 километров; давление 35 килобар; температура 800 * С.

С примерно 1961 года алмазы стали получать искусственным путём. Для этого графит нагревали до температуры примерно 1200 * С в течение 1 микросекунды при давлении 130000 атмосфер.

А при температуре в 2000 * С и выше алмаз вновь становится графитом.

Общее у алмаза и графита одно- оба из углерода. А вот разница между ними состоит в кристаллической решётке. Вы можете из графита получить алмаз- надо его подвергнуть воздействию высоких температур и давления. Именно в таких условиях и меняется строение кристаллической решётки углерода и меняются его свойства.

Наверно не случайно задается такой вопрос, потому что сейчас не все знают, что Алмаз и Графит являются одним и тем же веществом, только в разных формах его проявления.

Алмаз, это вещество, которое под действием высоких температур и давления превращается из графита приобретая особые качества — твердость, прозрачность. По показателям алмаз относится к эталонам твердости, представляющий 10 (десятку) по шкале Мооса.

Если коснуться области применения алмазов, то это конечно же ювелирная промышленность, ведь 25 процентов натуральных алмазов идет на изготовление самых дорогих драгоценных камней — бриллиантов.

Оставшиеся 75%, это коронки для буровых, пилы, резцы, фильеры, в которых проволока вытягивается. Масса различных шлифовальных паст и порошков, где используется алмазная пудра. В общем даже технические (непрозрачные) алмазы достаточно востребованы, взять хотя бы приспособления для резки стекла и других прочных материалов.

Касаясь графита, то мы как-то привыкли к графитовым карандашам и они действительно являются одними из лучших. Графит так же используется при изготовлении аккумуляторов щелочных, электродов. Графитом покрывают сопла реактивных двигателей и мн.др.

Проще всего понять разницу между аомазом и графитом, рассмотрев как построены их кристаллические решетки. Вот на этом рисунке и представлены расположения атомов углерода в графите и алмазе.

Так что уникальная твердость алмаза связана с тем что структура вещества состоит из связанных в единую конструкцию атомов углерода. А у графита между слоями нет химических связей и естественно он резко проигрывает по прочности алмазу.

Природа – это целый вещественный мир Вселенной, органический а также неорганический.

Однако в быту чаще используется второе определение, в котором под природой имеют в виду натуральную среду обитания, все, что было сотворено в отсутствие человеческого вмешательства.

За всю пору собственного существования народ часто становился виновником трансформаций окружающей среды.

Однако роль природы в существовании людей также грандиозна, и ее нельзя недооценивать.

Человек – доля природы, он «возникает » из нее и живет в ней.

Обусловленное атмосферное давление, вода с растворенной в ней солью, кислород – все это натуральное состояние земли, какое является наилучшим для народа.

Довольно уничтожить один иэ элементов «лего», и результаты будут жалкими.

А произвольное изменение в природе быть может стать причиной кардинальных перемен в существовании всего человечества.

Собственно поэтому утверждение о том, что природа ведь может жить без человека, а человек без нее – нет и нет, в особенности злободневно.

Наверное, если открыть книги классиков литературы, то там полно будет примеров.

Источник

Отличия и сходства алмаза и графита: наглядное сравнение в таблице и взаимопревращения

Абсолютно разные, но при этом одинаковые – это про графит и алмаз. Их сравнение помогает осознать всю нестандартность ситуации с двумя этими веществами.

Мифы и заблуждения об алмазе и графите

Долгое время считалось, что непохожие друг на друга диамант и графит – это разные вещества. В 1797 г. ученый-химик С. Теннант провел серию опытов, в которых сравнил состав, доказав, что в их основе лежит углерод.

При сравнении строения алмаза и графита на атомном уровне выявляется существенная разница:

1. Диамант имеет кристаллическую решетку в форме тетраэдра, где каждый атом окружен 4 другими атомами, являясь вершиной соседнего тетраэдра. Они похожи на соты, только в формате 3D. Такое строение дает прочные связи между молекулами вещества.
2. Графит тоже представлен шестиугольниками, но они расположены горизонтальными пластами, между которыми нет прочной связи. Это делает его мягким, податливым.

Свойства алмаза и графита зависят от строения кристаллической решетки, потому кардинально различаются, общей у них является способность проводить тепло, нагреваясь при этом. Если провести сравнение по остальным показателям, то они отличаются:

• графит оставляет жирный след на бумаге, диамант – нет;
• самоцвет представлен разной цветовой гаммой, его непохожий «собрат» – одной;
• кристалл – эталон твердости, тогда как второй углеродный материал крошится при малейшем нажатии;
• сферы использования различны.

Физические и химические свойства минералов

Химическая формула алмаза и графита едина – это углерод, обозначенный в таблице Менделеева как С. В самоцвете имеются примеси магния, железа, азота, алюминия, что придает ему цвет.

Тип кристаллической решетки алмаза кубический, графита – гексагональный. Это объясняет то, что твердость алмаза в 5 раз больше, чем у его «собрата».

Структура алмаза двояка – минерал твердый, но при этом хрупкий. У графита, состоящего из чешуек, она слоистая. Сравнение структуры дает ответ о различии оптических свойств – первый проводит через себя свет, а второй – нет.

Сравнение физических свойств алмаза и графита представлено в таблице:

Критерий	Алмаз	Графит
Кристаллическая решетка	Кубическая	Плоская
Прозрачность	Прозрачен, полупрозрачен, реже мутный	Непрозрачен
Электропроводность	Отсутствует	Хорошая
Теплопроводность	Присутствует	Присутствует
Температура плавления	4000 °С	3890 °С
Цвет	Бесцветный, голубой, белый, желтый и др	Серый
Плотность	3,56 кг/ м³	2,23 кг/ м³
Агрегатное состояние	Твердое	Твердое
Твердость по шкале Мооса	10	2

Сходство и взаимопревращения алмаза и графита

У мягкого серого графита и твердого прозрачного алмаза общая основа – углерод, т. е. они состоят из одного вещества. Это натолкнуло ученых на мысль о попытке преобразовать графит в алмаз.

Получить алмаз из графита можно в лаборатории или домашних условиях. В первом случае нужны следующие условия:

• газовая среда (метан);
• давление более 50 тысяч атмосфер;
• температура выше 1200 °С;
• наличие катализаторов (платины, никеля, железа).

Для домашних экспериментаторов есть 2 способа. В первом понадобится:

• источник тока;
• графит;
• холодная вода или жидкий азот;
• провод.

Провод привязывается к графиту, опускается в емкость. После охлаждения в морозильной камере или с помощью жидкого азота через полученную конструкцию с проводом пропускается ток. Это способствует перестройке кристаллической решетки, быстрому преобразованию в самоцвет.

Второй способ предполагает появление алмаза из смеси соли, графита и дистиллированной воды. Нить опускается в банку с подготовленным раствором, на ней постепенно нарастает кристалл.

Получить графит из кристалла можно путем его нагревания от 1000 °С, при температуре от 1750 °С процесс происходит быстро.

Также смотрите обратный способ получения графита из искусственных алмазов:

Области применения углеродных минералов

Углеродные минералы обладают большим спектром свойств, позволяющих применять их в разных областях жизни. Встретить их можно в кольце, карандаше, приборе для резки металла, стекла. Если провести сравнение сфер использования, то можно увидеть, что они пересекаются только в одной точке – взаимопревращении.

Алмаз

Основная область применения минералов – ювелирное дело. В процессе обработки камень становится бриллиантом, обретая высокую цену. Вторая роль самоцвета – материальная.

Для некоторых бриллианты – это вариант капиталовложения.

Не всегда самоцвет идеален по цвету и прозрачности. Встречаются мутные образцы, в ходе ювелирной обработки остаются мелкие осколки, которые невозможно приспособить для инкрустации украшений. Они используются в точных приборах:

• электрической технике;
• радиоэлектронике;
• стеклорезах;
• силовой электронике;
• буровых установках.

Графит

Основные сферы применения:

• огнестойкое оборудование;
• смазочные материалы;
• карандашные грифели;
• замедлитель нейтронов в ядерной энергетике;
• создание искусственных алмазов.

Алмаз может использоваться только как твердый кристалл, графит – как жирная паста и твердый предмет.

В дополнение смотрите видео:

Сравнительная характеристика алмаза и графита

1. Сравнение кристалла и графита с точки зрения неорганической химии указывает на то, что они одинаковы. Углерод – это основа состава.
2. Сравнение на молекулярном уровне помогает понять причину такой разницы в свойствах. Расположение атомов и связей между ними делает одинаковое разным.
3. Физические свойства различаются кардинально, кроме способности проводить тепло.
4. Сравнение области применения говорит о том, что их используют исходя из строения кристаллической решетки, а не химического состава.

Сравнение состава, строения, применения двух разных веществ показывает, как похожее может обладать полярными характеристиками и свойствами.

Как вы думаете, при сравнении других веществ можно обнаружить сходство и различие одновременно? Поделитесь информацией с друзьями и знакомыми в соцсетях.

Источник