Аллотропные вещества: алмаз и графит. Формула графита и алмаза.

Всем известны такие вещества, как графит и алмаз. Графит встречается повсюду. Например, из него делают стержни для простых карандашей. Графит — это вещество вполне доступное и дешевое. Но такое вещество, как алмаз, крайне отличается от графита. Алмаз — это самый дорогой камень, очень редкий и прозрачный, в отличие от графита. В это трудно поверить, но химическая формула графита совпадает с формулой алмаза. В данной статье мы разберем, как такое возможно.

Формула графита

Положение углерода в периодической таблице

Углерод — элемент четвертой группы, второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Он является органогенным. К данной группе также относятся кислород, азот и водород. Это значит, что они входят в состав всех живых организмов на планете, составляя их основу.

Такое положение определяет строение атома углерода. На его внешнем энергетическом уровне находится четыре электрона. Это значит, что данный химический элемент может проявлять как положительную, так и отрицательную степень окисления (+4 или — 4).

формула графита

Огранка алмаза:

Основными типами огранки алмаза являются:

– круглая (со стандартным числом 57 граней),

– фантазийная, к которой относятся такие виды огранки, как «овальная», «груша», «маркиза», «принцесса», «радиант», «сердце», «квадрат», «изумруд», «треугольник» и другие виды.

Форма огранки бриллианта зависит от формы исходного кристалла алмаза.

Понятие об аллотропии

Формула графита показывает, что в состав этого вещества входит только углерод в свободном виде. Хотя в природе он часто встречается и в виде соединений. Такими примерами являются углекислый и угарный газ, известняк, мел, мрамор.

Дело в том, что формула графита в химии такая же, как и у алмаза. Возможно ли это? Получается, что вещества с одинаковым составом имеют абсолютно разные свойства. Такое явление называется аллотропией. Она может быть обусловлена количеством атомов в молекуле вещества или их пространственным расположением. Примером первого случая является кислород. Если в молекуле два атома этого химического элемента, образуется кислород, а если три — озон.

графит формула химическая

Физические свойства

Углерод существует во множестве аллотропных модификаций с очень разнообразными физическими свойствами. Разнообразие модификаций обусловлено способностью углерода образовывать химические связи разного типа.

Изотопы углерода

Основная статья: Изотопы углерода
Природный углерод состоит из двух стабильных изотопов — 12C (98,93 %) и 13C (1,07 %) и одного радиоактивного изотопа 14C (β-излучатель, Т½= 5730 лет), сосредоточенного в атмосфере и верхней части земной коры. Он постоянно образуется в нижних слоях стратосферы в результате воздействия нейтронов космического излучения на ядра азота по реакции: 14N (n, p) 14C, а также, с середины 1950-х годов, как техногенный продукт работы АЭС и в результате испытания водородных бомб.

На образовании и распаде 14C основан метод радиоуглеродного датирования, широко применяющийся в четвертичной геологии и археологии.

Формула графита в химии

Аллотропия углерода является пространственной. Обратите внимание на рисунок ниже. Первый из них — это формула графита. Атомы углерода формируют слои, расположенные друг от друга на значительном расстоянии. Поэтому связи между ними не прочные. Каждый раз, проводя графитовым стержнем по бумаге, мы оставляем на нем слой углерода.

В кристаллической решетке алмаза (ее демонстрирует рисунок справа) расстояние между атомами в узлах одинаково во всех направлениях. Такое строение обеспечивает и прочность связей. Алмаз является самым твердым веществом. Считается, что его нельзя разбить.

формула графита в химии

Фуллерен

Фуллерен, бакибол, или букибол — молекулярное соединение, принадлежащее к классу аллотропных форм углерода и представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёх координированных атомов углерода. Уникальная структура фуллеренов обуславливает их уникальные физические и химические свойства. В соединении с другими веществами они позволяют получить материалы с принципиально новыми свойствами.
История добычи:

Открытие фуллерена произошло в результате экспериментов Смолли и Крото с инструментом, который Смолли изобрел для изучения молекул и атомных кластеров. Крото заинтересовала предложенная Смолли методика лазерного испарения. С ее помощью он намеревался проверить свою теорию о поведении углерода в межзвездном пространстве. Крото считал, что богатые углеродом красные гиганты способны испускать сложные углеродные соединения, которые можно обнаруживать с помощью радиотелескопов.

Структура фуллерена:

Атом связь Фуллерен является новой аллотропной формой углерода. Молекулы фуллерена состоят из 60,70 атомов, образующих сферу. Кристаллические фуллерены представляют собой полупроводники. Разнообразие физико-химических и структурных свойств соединений на основе фуллеренов позволяет говорить о химии фуллеренов как о новом перспективном направлении органической химии.

Атомы углерода расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида. Самый симметричный и наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов фуллерен (C60), в котором углеродные атомы образуют усечённый икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий футбольный мяч.

Следующим по распространённости является фуллерен C70, отличающийся от фуллерена C60 вставкой пояса из 10 атомов углерода в экваториальную область C60, в результате чего молекула C70 оказывается вытянутой и напоминает своей формой мяч для игры в регби. Так называемые высшие фуллерены, содержащие большее число атомов углерода (до 400), образуются в значительно меньших количествах и часто имеют довольно сложный изомерный состав. Среди наиболее изученных высших фуллеренов можно выделить Cn, n=74, 76, 78, 80, 82 и 84.

углерод 3

Графит: формула, химическая и физическая характеристика

Как мы уже сказали, графит — это углерод. Соответственно, в химии записывается он как С. Несмотря на то что формула алмаза и графита сходна по качественному составу, эти вещества имеют значительные отличия в свойствах. Это объясняется разным пространственным расположением атомов углерода в их молекулах.

Графит — это мягкое вещество серого цвета с металлическим блеском. Оно без усилий расслаивается на мелкие пластинки и проводит электрический ток. Ученые доказали, что если графит нагреть до 1 600 градусов по шкале Цельсия под давлением 104 МПа при наличии катализаторов, то он превратится в алмаз. Таким способом в промышленности получают искусственные драгоценности.

Графит не является химически активным веществом. Он реагирует только с некоторыми солями и щелочными металлами. Продуктами таких реакций являются подобия включений. Сгорание графита в кислороде происходит только при очень высокой температуре с образованием углекислого газа. Однако он вступает в реакцию фторирования. При этом образуется порошок белого цвета, структура которого изменяется на зигзагообразную, приобретая лучшие смазочные свойства по сравнению с обычным графитом.

формула алмаза и графита

Искусственные аналоги

Изготовление искусственных алмазов — непростая задача, поскольку сформировать самые прочные сигма-связи между атомами карбона непросто. Аллотропные модификации могут переходить одна в другую, но при условии разрушения связей, а не построения новых. Активно используется формула графита при добыче алмазов в лабораториях. Но чаще заменяют искусственные алмазы фианитами или кристаллами, которые вырастить проще в условиях лаборатории.

Существует несколько способов получения искусственных алмазов, правда, они чаще используются в промышленных, а не ювелирных целях. Среди них:

  • HPHT тип. Алмаз производится с помощью специальных приборов, которые создают условия, близкие к природным. А это огромное давление и воздействие высоких температур. Кристаллические связи получаются из графита, который оседает на стенках затравочного алмаза.
  • CVD тип. Использование паров метана для получения алмаза. Это химический способ, который также включает использование графитовых остатков.
  • Взрывной синтез, в результате которого образуется алмаз.

В ювелирной отрасли использовать такие алмазы рано ввиду их низкого качества. Сами способы нельзя назвать массовыми или дешевыми, поэтому разработки в этом направлении продолжаются. Алмазы имеют простое химическое строение, наверное, в этом и заключается их красота. В камнях не присутствует ничего лишнего, и это заставляет ученых интересоваться структурой минерала. Сейчас, когда свойства алмаза изучены на достаточном уровне, ученые пытаются повторить и воспроизвести действия природы.

Отличия модификаций углерода

А вот алмаз является твердым прозрачным и бесцветным веществом, которое не проводит электрический ток. Хотя иногда в природе встречаются розовые, желтоватые, синие или зеленые минералы. Формула алмаза и графита в химии одинаково представлена углеродом — С. Однако благодаря своей кубической кристаллической системе это вещество является одновременно твердым и хрупким. Обработанные алмазы называют бриллиантами. Удивительным является еще и тот факт, что в природе невозможно найти двух одинаковых камней. Наверное, поэтому в переводе с греческого языка название этого вещества означает «непревзойденный».

формула алмаза и графита в химии

Аллотропия углерода

Структурная формула графита может искусственно видоизменяться. Благодаря этому был получен целый ряд аллотропных модификаций углерода. Это карбин, графен и фуллерены.

Первое вещество имеет линейную структуру из атомов углерода. Они могут быть соединены либо двойными, либо чередующимися тройными и одинарными связями. Карбин представляет собой черный порошок с мелкокристаллической структурой. Его уникальным свойством является абсолютная совместимость с тканями организма человека. Благодаря этому карбин используют для изготовления искусственных кровеносных сосудов.

Графен — это однослойное вещество, также состоящее из углерода. Такое строение делает его самым прочным и тонким. Графен применяется в различных областях нанотехнологии: точное приборостроение, искусственные мембраны, сенсорные устройства.

Из атомов углерода состоит еще одна аллотропная модификация углерода — фуллерены. Их молекулы имеют сферическую или эллипсовидную форму с полостью внутри. Фуллерены получают из паров графита при их дальнейшей лазерной обработке. Его используют в качестве полупроводника, фоторезиста, элемента аккумуляторов и электрических батарей, катализатора роста алмазной пленки.

Итак, в нашей статье мы рассмотрели особенности строения графита. Это вещество состоит из атомов углерода. Они образуют отдельные слои, связи между которыми не очень сильные. Поэтому графит является мягким, легко отслаивается в горизонтальном направлении, имеет серый цвет с металлическим блеском и хорошо проводит электрический ток.

Качества минерала и его добыча

Как образовалась такое вещество, как алмаз, ученые до сих пор не выяснили, и химическая формула алмаза не прояснила ситуацию. Есть несколько теорий, в частности, теория космического происхождения или гипотеза подъема магматических пород вместе с карбоном на поверхность земли. Добывают алмазы в кимберлитовых или лампроитовых трубках. А характеристики элемента выделяют такие:

  • Абсолютная твердость среди минералов. По шкале Мооса алмаз занимает первое место. Это значит, что поцарапать камень нельзя ни одним веществом, а сам алмаз поцарапает любой другой элемент, хотя камень обладает большой хрупкостью.
  • Алмаз имеет хорошие изоляционные свойства.
  • Минерал стойкий к воздействию кислот.
  • Алмаз имеет интересную кривую температур плавления. Камень с доступом кислорода горит при 800-1000 градусах Цельсия синим пламенем. А без доступа воздуха температура плавления составляет 4000 градусов, после чего вещество переходит в графит. Обратный процесс превращения графита в алмаз невозможен.
  • Теплопроводность алмаза — 20-24 Вт, поэтому камень не будет нагреваться в руках. Это самый простой способ проверить настоящий алмаз или нет.
  • Алмаз знаменит своей люминесценцией, то есть игрой света.

алмаз формула

Аллотропные модификации углерода

Камень, кроме углерода, не должен содержать ничего. Но в природе такое явление встречается нечасто. В составе алмазов попадается много примесей, которые портят внешний вид камня. Примеси снижают стоимость материала, иногда от них можно избавиться с помощью огранки минерала.

Добыча алмазов ведется на разработанных участках. Страны-добытчики:

  1. ЮАР.
  2. Австралия.
  3. Россия.
  4. Индия.

Определение наличия алмазов ведется с помощью рентгеновских лучей. Самый большой по размерам камень был обнаружен в ЮАР, его вес составлял больше 3 тысяч карат. Не все камни проходят оценку геммологами из-за наличия примесей или дефектов структуры. Большая часть минералов идет на потребности промышленности и изготовление алмазной крошки. Среди промышленных видов сырья выделяют три варианта:

  • борт — мелкие минералы, непригодные к обработке;
  • баллас;
  • карбонадо — черные алмазы, приобретающие такой оттенок из-за примесей железа или сульфидов.
Рейтинг
( 2 оценки, среднее 4.5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: