Природный минерал алмаз: структура, физические и химические свойства. Свойства и особенности кристаллической решетки алмаза

Любителям драгоценных камней весьма интересна тема про строение алмаза, описание его и основные физические, механические и химические свойства. Этот красивый камень по своей химической структуре относится к неметаллам и имеет кристаллическую структуру. Говоря языком химиков, адамант — это кубическая аллотропная форма углерода. В ювелирном искусстве эта форма углерода считается самым дорогим из драгоценных камней, и украшения с адамантом стоят очень дорого. Это связано с тем, что блеск кристаллов этого вещества невозможно сравнить ни с чем. И к тому же он не тускнеет и не царапается. То есть полированная поверхность кристаллов в украшениях всегда радует глаз.

Как ни парадоксально звучит, но адамант и графит имеют одинаковое строение. И эти два таких диаметрально противоположных вещества имеют одну природу. Дело в том, что и диамант, и графит образованы атомами углерода. Рассмотрим подробнее строение и свойства бриллианта.

По структуре кристалл алмаза имеет форму тетраэдра, и при этом атомы углерода располагаются в центре. Вершинами в таком тетраэдре служат самые близкорасположенные атомы углерода. Получается очень стабильная атомарная связь в самой структуре кристалла, и этим объясняется повышенная прочность вещества. Между собой атомы, из которых состоит элементарная ячейка, связаны ковалентной связью. Этой особенностью объясняется высокая плотность алмаза.

В целом кристалл алмаза можно представить как молекулу гигантских размеров. Напомним, что молярная масса этого кристалла равна 12. Форма кристалла не связана с количеством граней у ювелирного камня. Грани алмаза появляются при его обработке.

По химической структуре алмаз является чистым углеродом. Но в его состав все же входят и примеси. Проведенный химический анализ позволил определить наличие некоторого количества других веществ. К примесям относятся такие вещества, как:

• азот;
• магний;
• алюминий;
• кремний.

И еще много других химических элементов таблицы Менделеева. Причем многие из элементов представляют собой изоморфные включения. Но люди используют алмазы не только для изготовления ювелирных украшений. Широкое применение получил этот кристалл в технике. И все это благодаря своим уникальным свойствам и высочайшей прочности.

Представленное видео хорошо показывает кристаллическую структуру бриллианта.

Физические свойства алмаза

Алмаз — это самое твердое вещество, которое встречается в природе.

Одна из разновидностей адаманта — корунд — имеет сходное строение, но боле низкую твердость (твердость корунда ниже, чем у адаманта в 150 раз).Стоит упомянуть, что твердость веществ определяется по шкале Мооса. По этому ранжиру алмазу присваивается самый высокий показатель твердости — 10.

Стало быть, его можно использовать для обработки металлов, в том числе и высокопрочных, и твердых минералов, таких как берилл, гранат, сапфир и другие. Алмазный инструмент очень устойчив к истиранию. Твердость и плотность алмаза выше, чем у кварца и корунда.

Но при всей твердости у диаманта высокая хрупкость. И даже выраженная в высокой степени плотность не снижает вероятность раскола при падении. Ведь чистый кристаллический углерод, каким и является диамант, имеет многослойную структуру. И при резких ударах о твердую поверхность возможен его раскол в тех местах структуры, где связь между атомами весьма слабая. Именно в местах спайности атомов и происходит раскол.

И при всей износоустойчивости и долговечности этого вещества его нужно уберегать от падений на твердую поверхность. У этой разновидности углерода и самая высокая теплопроводность среди всех твердых тел. Теплопроводность алмаза составляет от 20 до 24 Вт/см. Также нужно сказать, что диамант является диэлектриком. Это объясняется особенностями атомарных связей в кристалле этого вещества.

Температура горения диаманта в кислороде составляет 800°С. Эта разновидность углерода горит красивым голубым пламенем. А вот при температуре 2000°С и при отсутствии кислорода этот красивый минерал превращается в графит. Показатели температуры плавления у алмаза равняются 3700-4000°С.

Самое основное и ценное свойство бриллианта — это его показатель преломления и высокая степень дисперсии. Блеск диамантов зависит от этих характеристик и является отличительным признаком этого драгоценного минерала. Вес бриллиантов измеряется в каратах. При этом вес одного карата алмаза равен примерно 0,2 грамма. Для определения этой величины у ювелиров существуют необходимые таблицы и сведения.

В кристаллах имеют место следующие типы связей:

● Ковалентная связь;
● Ионная связь;
● Металлическая связь;
● Молекулярная связь;
● Водородная связь.

Рассмотрим их подробнее.

Ковалентная связь

Нейтральные атомы размещены в узлах кристаллической решётки. Связь образуется направленными валентными электронными облаками.
Связь, объединяющая в кристалле (а также и в молекуле) нейтральные атомы, называется гомеополярной или ковалентной. Силы взаимодействия при гомеополярной связи имеют, как и в случае с гетерополярной связью, электрический (но не кулоновский) характер. Гомеополярная связь осуществляется электронными парами. Это означает, что в обеспечении связи между двумя атомами участвует по одному электрону от каждого атома. По этой причине гомеополярная связь имеет направленный характер.

Кристаллы с ковалентной связью диэлектрики или полупроводники. Типичными примерами атомных кристаллов могут служить алмаз, германий и кремний.

Ионная связь

В узлах кристаллической решетки помещаются положительно и отрицательно заряженные ионы. Силы взаимодействия между узлами являются в основном электростатическими (кулоновскими). Связь между такими частицами называется гетерополярной или ионной.

Кристаллы с ионной связью при низких температурах являются диэлектриками. При тепературах близких к температуре плавления они становятся проводниками электричества. Примером кристаллов с ионной решёткой являются кристаллы каменной соли (NaCl).

Металлическая связь

Во всех узлах кристаллической решетки расположены положительные ионы металла. Между ними беспорядочно, подобно молекулам газа, движутся электроны, отщепившиеся от атомов при образовании ионов. Эти электроны играют роль цемента, удерживая вместе положительные ионы; в противном случае решетка распалась бы под действием сил отталкивания между ионами. Вместе с тем и электроны удерживаются ионами в пределах кристаллической решётки и не могут её покинуть.

Большинство металлов имеет кристаллические решетки одного из трёх типов: кубическую объёмно-центрированную, кубическую гранецентрированную и, так называемую, плотную гексагональную.

По схемам металлических кристаллических решеток видно, что кубическая гранецентрированная и плотная гексагональная решётки соответствуют наиболее плотной упаковке одинаковых шаров (частиц). Кристаллы с металической связью являются проводниками. Они часто плаcтичны, так как при смещении атомов друг относительно друга не происходит разрыв связей.

Молекулярная связь

В узлах кристаллической решетки помещаются определенным образом ориентированные молекулы. Силы связи между молекулами в кристалле имеют ту же природу, что и силы притяжения между молекулами, приводящие к отклонению газов от идеальности. По этой причине их называют вандерваальсовскими силами.
Для кристаллов с молекулярными связями характерны низкие температуры плавления и высокая сжимаемость.

Водородная связь

Особая разновидность молекулярной связи – водородная связь. Это самая сильная молекулярная связь. При определённых условиях атом водорода может быть связан довольно прочно с двумя другими атомами. Имея лишь одну стабильную орбиталь, атом водорода способен образовывать только одну ковалентную связь. Эта связь может, однако, резонировать между двумя положениями. Наибольшее значение имеют те водородные связи, которые образуются между двумя сильно электроотрицательными атомами, в особенности между атомами азота, кислорода и фтора.

Водородные связи, образуемые молекулами воды, обусловливают удивительно высокие точки плавления льда и кипения воды, существование максимума плотности воды, расширение воды при замерзании. Многие особые свойства неорганических и органических молекул, например димеризация жирных кислот, объясняются образованием водородных связей. Водородная связь – особенно важная структура белков особенность белков и нуклеиновых кислот.

Молекулярные связи образуют, например, следующие вещества: H2, N2, O2, CO2, H2O.

Типы химической связи – это удобное упрощение. Более точно поведение электрона в кристалле описывается законами квантовой механики. Говоря о типе связи в кристалле, необходимо иметь в виду следующее: связь между двумя атомами никогда полностью не соответствует одному из описанных типов. В ионной связи всегда присутствеет элемент ковалентной связи и т.п.
Многообразие соединения углерода связано с тем, что в сложных веществах связь между разными атомами может быть разного типа. Так например, в кристалле белка связь в молекуле белка ковалентная, а между молекулами (или разными частями одной молекулы) водородная. Существуют четыре аллотропных модификации углерода: алмаз, графит, карбин и букибол.

Кристаллическая решетка алмаза состоит из атомов углерода, соединенных между собой очень прочными s-связями. В кристалле алмаза все связи эквивалентны и атомы образуют трехмерный каркас из сочлененных тетраэдров. Алмаз – самое твердое вещество, найденное в природе.

Графит представляет собой темно-серое с металлическим блеском, мягкое, жирное на ощупь вещество. Хорошо проводит электрический ток. В графите атомы углерода расположены в параллельных слоях, образуя гексагональную сетку. Внутри слоя атомы связаны гораздо сильнее, чем один слой с другим, поэтому свойства графита сильно различаются по разным направлениям.

Карбин – получен искусственным путем. Существует два вида карбина: поликумулен =С=С=С=С= и полиин – C=C-C=C-C=C –.
Букибол – получен в 1985 г., имеет сферическую форму (как футбольный мяч), состоит из 60 или 70 атомов углерода.
Углерод в виде сажи, кокса, древесного угля, костных углей широко используется в металлургии, синтезе органических веществ, как топливо, в быту.

Особенности строения углерода. Соединения, в состав которых входит углерод, называются органическими. Кроме углерода, они почти всегда содержат водород, довольно часто – кислород, азот и галогены, реже – фосфор, серу и другие элементы. Однако сам углерод и некоторые простейшие его соединения, такие как оксид углерода (II), оксид углерода (IV), угольная кислота, карбонаты, карбиды и т.п., по характеру свойств относятся к неорганическим соединениям. В атоме углерода можно увеличить число неспаренных электронов на внешнем втором слое, если распарить электронную пару 2s-подуровня, «выселив» электрон в свободную атомную орбиталь на р-подуровне. Тогда атом углерода сможет образовать четыре связи с другими атомами, проявляя валентность IV.



Механические свойства кристаллов несомненно зависят от рода химических связей между атомами. Поражающая неодинаковая прочность слюды по разным направлениям зависит от характера межатомной связи в этих направлениях. Вам наверняка уже рассказывали на лекциях по химии о разных типах химических связей. Прежде всего бывают ионные связи, мы уже говорили о них, когда толковали о хлористом натрии. Грубо говоря, атомы натрия теряют по одному электрону и становятся положительными ионами; атомы хлора приобретают электрон и становятся отрицательными ионами. Положительные и отрицательные ионы располагаются в трехмерном шахматном порядке и удерживаются вместе электрическими силами.

Ковалентная связь (когда электроны принадлежат одновременно двум атомам) встречается чаще и обычно более прочна. Так, в алмазе атомы углерода связаны ковалентными связями с ближайшими соседями в четырех направлениях, поэтому-то кристалл такой твердый. Ковалентная связь имеется и в кристалле кварца между кремнием и кислородом, но там связь на самом деле только частично ковалентная. Поскольку там электроны распределяются неравномерно между двумя атомами, атомы частично заряжены и кристалл до некоторой степени ионный. Природа не так проста, как мы пытаемся ее представить: существуют всевозможные градации между ковалентной и ионной связями.

Кристалл сахара обладает другим типом связи. Он состоит из больших молекул, атомы которых сильно связаны ковалентной связью, так что молекула образует прочную структуру. Но так как сильные связи вполне насыщены, то между отдельными молекулами имеется относительно слабое притяжение. В таких молекулярных кристаллах молекулы сохраняют, так сказать, свою индивидуальность, и внутреннее устройство можно изобразить так, как на фиг. 30.3. Поскольку молекулы не очень крепко держатся друг за друга, то кристалл легко можно расколоть. Такого рода кристаллы резко отличаются от кристаллов типа алмаза, который есть не что иное, как одна гигантская молекула, не поддающаяся разлому без того, чтобы не нарушить сильные ковалентные связи.

Фиг. 30.3. Решетка молекулярного кристалла.

Другим примером молекулярного кристалла может служить парафин.

Предельным случаем молекулярного кристалла являются вещества типа твердого аргона. Там притяжение между атомами незначительно - каждый атом представляет собой вполне насыщенную одноатомную «молекулу». Но при очень низких температурах тепловое движение настолько слабо, что крошечные межатомные силы могут заставить атомы расположиться в правильном порядке, подобно картофелинам, тесно набитым в кастрюле.

Металлы образуют совсем особый класс веществ. Там связь имеет совершенно другой характер. В металле связь возникает не между соседними атомами, а является свойством всего кристалла. Валентные электроны принадлежат не одному-двум атомам, а всему кристаллу в целом. Каждый атом вкладывает свой электрон в общий запас электронов, и положительные атомные ионы как бы плавают в океане отрицательных электронов. Электронный океан, подобно клею, удерживает ионы вместе.

Поскольку в металлах нет особых связей в каком-то определенном направлении, то там связь слабо зависит от направления. Однако металлы - это еще кристаллические тела, потому что полная энергия принимает наименьшее значение, когда ионы образуют упорядоченную систему, хотя энергия наиболее выгодного расположения обычно ненамного ниже других возможных расположений. В первом приближении атомы многих металлов подобны маленьким шарикам, упакованным с максимальной плотностью.

Алмаз - минерал, который является не чем иным, как модификацией углерода. Чистый алмаз имеет формулу, состоящую всего из одного элемента. Камень обладает уникальными свойствами в природе, поэтому кристаллическая решетка алмаза заинтересовала ученых, и структура вещества продолжает изучаться.

Идеальный алмаз можно представить как гигантскую молекулу углерода. Состав минерала ученые изучили только в конце XVIII века. С того момента начались попытки искусственного синтеза алмаза в лабораториях, но они были бессмысленными, поскольку отстроить кристаллическую решетку с нуля не получалось.

Структура алмаза

А еще техника не была на таком уровне, чтоб создать условия для образования алмаза. Только в пятидесятых годах ХХ века ученые смогли синтезировать алмаз самостоятельно. Этим занимались такие страны, как СССР, США и ЮАР.

Строение вещества

Вся загвоздка и сложность производства заключалась в уникальной структуре алмаза. Между атомами в химии может сформироваться четыре типа связи:

• ковалентная;
• ионная;
• металлическая;
• водородная.

Самая прочная из них - ковалентная связь. Она также имеет свои подвиды: сигма-связи и пи-связи. Второй подвид менее прочный. В алмазе есть несколько миллионов атомов углерода, которые соединены между собой с помощью ковалентных связей.

Пространственное расположение атомов и их соединения называются кристаллической решеткой. Именно ее строение и обусловливает такую характеристику, как твердость вещества. Элементарная ячейка структуры алмаза выглядит как куб. То есть алмаз кристаллизуется в кубической сингонии, если пользоваться научной терминологией.

На вершинах этого куба находится по атому углерода. По одному атому располагается в каждой грани, а еще четыре - внутри куба. Центральные атомы в гранях являются общими для двух ячеек, а те, что находятся в вершинах куба, - общие для восьми ячеек. Между собой атомы соединены ковалентными сигма-связями.

Такая структура и упаковка считается наиболее плотной. Каждый атом углерода располагается в центре тетраэдра и связан по всем сторонам. Поскольку валентность углерода равняется четырем, то все связи оказываются перекрытыми, и взаимодействие с веществом со стороны невозможно.

Расстояние между атомами одинаковое, свободных электронов нет, поэтому минерал является хорошим диэлектриком. Твердость алмаза достигается именно благодаря такому строению. Эти характеристики, в свою очередь, и стали причиной широкого использования камней. Они применяются не только в ювелирном деле, но и в качестве абразива, а также покрытия для инструментов.

Но не все в природе идеально. Даже в алмазах часто встречаются примеси. Такая структура позволяет минералу выглядеть абсолютно прозрачным, без включений. Но добываемые камни не всегда обладают ювелирными свойствами из-за большого количества дефектов и примесей.

Кристалл алмаза может содержать такие вещества:

• алюминий;
• кальций;
• магний;
• гранит.

Иногда в составе встречается вода, углекислота или другие газы. Примеси в кристалле располагаются неравномерно и несколько нарушают кристаллическую структуру. Если дефекты располагаются на периферии, что происходит чаще, тогда с ними можно бороться с помощью огранки.

Аллотропные модификации

Не только алмаз имеет подобный тип строения кристаллической решетки. Другие элементы из четвертой группы также имеют похожую структуру. Но все дело в атомной массе. Атомы углерода располагаются на близком расстоянии друг от друга, что делает связи прочнее. А вот с увеличением атомной массы элементы располагаются дальше и прочность соединений между ними падает.

А также у углерода есть в природе аллотропные модификации, куда, кроме алмаза, входят и другие вещества:

• графит;
• лонсдейлит;
• сажа, уголь;
• фуллерены;
• углеродные нанотрубки.

Ученых интересовала возможность превращения графита в алмаз. Сделать это можно только под действиями очень высокого давления и температуры.

Все дело в том, что графит отличается по пространственному расположению атомов и связям между ними. Если у алмаза все связи ковалентные-сигма, то пространственные связи графита - пи-соединения. А также в решетке графита остается несколько свободных электронов у атомов, которые перемещаясь, создают эффект электропроводности. Такая форма решетки называется гексагональной. Поэтому графит по шкале твердости имеет показатель единицу.

Лонсдейлиты еще не изучены окончательно, поскольку их добывают либо искусственно, либо из метеоритов, упавших на землю.

А вот фуллерены имеют кристаллическую решетку, напоминающую мяч, сложенный из восьмиугольников. По углам фигур расположены не атомы, а молекулы углерода. Эти вещества также продолжают исследовать.

Химический состав алмаза записывается формулой или элементом С.

Кроме показателя твердости - 10 из 10 по шкале Мооса - алмаз обладает такими характеристиками:

• Плотность - 3,5 г/см3.
• Камень довольно хрупкий. Несмотря на твердость, алмаз можно разрушить резким ударом.
• Спайность. Плотность у вещества неравномерная. Камень раскалывается по параллельным граням кристалла. Спайность должна учитываться при огранке камня, поскольку расчет ювелира и последующий удар определяет плоскость скола и отсекает ненужные примеси.
• Камень должен быть прозрачным. Тогда после огранки он будет играть на свету. Самые дорогие экземпляры называют алмазами чистой воды. Но все равно встречается до 5 % примесей в структуре, что искажает кристаллическую решетку, а иногда и портит вид камня.
• Если воздействовать на камень рентгеновскими лучами, то прочность ковалентных связей нарушится. В результате решетка станет рыхлой и твердость вещества также снизится. Но после этой процедуры появится интересное свойство: камень будет излучать свет в синей и зеленой части спектра.

В природе добытый минерал имеет форму кристалла с разным количеством граней. Иногда добывают не полные камни, а только сколы от больших алмазов. Определить скол это или полноценный минерал можно, изучив строение кристаллической решётки. Грани минералов часто покрыты наростами и углублениями.

Цвет алмаза также отличается разнообразием. Встречаются желтые, красноватые или даже черные оттенки алмазов. Конечно, кристаллическая решетка у камней изменена. Но свойства от этого страдают не сильно. Такие минералы называют фантазийными. Их окраска может быть неравномерной и зависеть от примесей в структуре.

Идеальное строение существует только у искусственных алмазов. Производство этих камней требует затравки в виде натурального кристалла, а также большого количества денежных вложений и аппаратуры. Но именно изучение кристаллической решетки и повлияло на развитие этой отрасли.

Один из аллотропных модификации углерода. Кристаллы алмаза обладают такими ценными физико-механическими свойствами, как исключительная твердость, износостойкость, высокая теплопроводность, коррозионная стойкость, высокие показатель преломления и дисперсия спета. Эти свойства и определили области его применении: механическая обработка различных материалов, приборостроение, полупроводниковая электроника, ювелирной промышленность.

Теоретические и экспериментальные исследования алмазов ведутся в направлении изыскания возможностей как для наиболее эффективною использования их в традиционных областях, гак и для расширения областей применения, а также в направлении разработки новых методов синтеза монокристаллов с заданными свойствами. Наиболее изучены оптические свойства алмазов, значительно меньше - их теплопроводность, работа разрушения, электромагнитные свойства в широком температурном интервале.

Благодаря твёрдости алмаз широко применяется для резки стекла, бурения твёрдых пород, в машинах для волочения проволоки, шлифовальных дисках и т.д. Для этих целей этих целей используют алмазы, загрязнённые разными примесями.

Чистые бесцветные кристаллы подвергают огранке и шлифовке алмазным порошком и превращают в бриллианты. Чем больше граней тем больше « играет » он. Бриллианты бывают чаще всего небольшими, их вес измеряется в каратах (1 карат равен 0,2 г) , но встречаются и крупные бриллианты.

Структура модификаций углерода алмаза

Основное состояние атома - это состояние с максимальным чистом неспаренных валентных электронов. Образованию химической связи между атомами углерода предшествует переход атомов в возбужденное состояние с максимальным числом неспаренных электронов по схеме 2 s ² 2 p ² → 2s ¹ 2 p ¹ 2 p ¹ 2 p ¹ . Потенциал ионизации атома углерода 11,256 эВ. Атомы углерода, соединяясь, образуют ковалентные связи (металлическая связь не может образоваться, так как слишком велика энергия отрыва электрона: сродство к электрону атома углерода - 1,27 эВ).

В результате s p ³ -гибридизации валентных электронов образуются четыре равноценные σ -связи под углом 109 ° 28′ друг к другу, направленные к вершинам правильного тетраэдра. Так связаны атомы в алмазе, лонсдейлите, метане, адамантане.

Атомы углерода (алмаз)могут быть в состоянии, при котором происходит 2 sp ² — гибридизация электронов. Каждый атом углерода образует три σ -связи в одной плоскости под углом 120 ° относительно друг друга и, кроме того, дополнительно имеет по одному p -электрону. Вследствие перекрывания электронных облаков над и под плоскостью, в которой находятся атомы с σ -связями, р-электроны образуют π -связи. Так связаны атомы углерода в графите и ароматических соединениях.

Возможна также sp -гибридизация атомов углерода, при которой образуются две σ -связн под углом 180° друг к другу и в результате перекрывания двух орбиталей каждого из атомов углерода две π -связи. Так связаны атомы в карбине, ацетилене и его производных.

Существуют аморфные и частично кристаллические переходные формы углерода (сажа, кокс, стеклоуглерод и др.), и которых сочетаются различные типы связей.

Модификации с sp ³ -гибридизацией валентных электронов

Алмаз. кубическая; ячейка решетки - гранецентрированный куб, в четырех из восьми октантов которого также размещены атомы углерода; Z = 8; К. Ч. - 4; а 0 = 0,357 нм; меж плоскостные расстояния ρ 0 = 3,515 г/см ³ ; экспериментально определенные значения ρ э , природных алмазов, г/см ³ ; тип I - 3,51537 ± 0,00005, тип II - 3,51506 ± 0,00005; ρ э , синтетических алмазов зависит от совершенства строения кристаллов, содержания механических включений и имеет значения 3,485-3,580

Вы читаете, статья на тему алмаз