Атомная кристаллическая решетка алмаза

Химическая связь в углеродных минералах

Частицы, из которых состоят твердые вещества, соединены в кристаллические решетки. Науке известны 4 вида таких решеток – ионная, молекулярная, атомная и металлическая.

Внешне драгоценный кристалл схож с кристаллами соли, но у солей ионная кристаллическая решетка.

Тип кристаллической решетки алмаза, как и его полиморфа графита, атомная. В ее узлах лежат атомы углерода. Агрегатное состояние – твердое тело. Но все же по твердости углеродные полиморфы различны.

Свойство алмаза быть таким прочным обусловлено силой химической связи атомов. Структура диаманта трехмерная, атомы углерода в нем расположены в форме трехгранной пирамиды, тетраэдра. Каждая атомарная частица одинаково крепко соединяется со всеми четырьмя соседними, это осуществлено посредством ковалентной связи.

Атомарно графит – это множество слоев шестиугольных фигур, в каждой вершине которых расположен атом углерода. Его слоистая структура двухмерна. Связь в слоях ковалентная сильная, а между слоями гораздо слабее, как у веществ с молекулярной кристаллической решеткой. Пласты связаны непрочно. Поэтому твердость графита меньше по сравнению с бриллиантом.

Применение в промышленности

Ювелиры ограняют состоящий из углерода алмаз, и он получает блеск бриллианта. Об этом читайте в статье «Что такое бриллиант и для чего он нужен».

В промышленности используют камни, которые имеют трещины, сколы, иные дефекты. Из них делают подшипники, сверла. Необработанные острые кристаллы применяют в электронике в качестве игл, в микросхемах, счетчиках прослойки из алмазов. Из алмазного порошка производят детали различных механизмов, обрамляют шлифовочные круги. Подробнее об этом – в статье «Области применения технических алмазов».

Алмаз имеет меньше ценности в промышленности, чем графит. Черный мягкий минерал встречается и в канцелярском карандаше, и в числе компонентов литейного производства, и в электроугольной промышленности. Электропроводные свойства графита используют для изготовления электродов.

Химический элемент углерод (C) — один из самых важных в природе. Он входит в основные строительные соединения человеческой ДНК, имеет множество соединений с другими элементами. Получаемые в результате вещества используются во многих сферах жизни. Под давлением элемент имеет свойство перестраивать свою внутреннюю структуру, превращаясь сначала в графит, а при усилении воздействия образуется кристаллическая решётка алмаза.

Строение кристалла и способ образования

В химико-физическом смысле — это аллотропная разновидность химического элемента углерода. Имеет так называемую эталонную твёрдость в шкале Мооса — она равняется десяти и делает его самым прочным материалом на Земле. В естественных условиях на поверхности практически вечен, если находится долгое время в разреженной газовой среде, то возможно его превращение в графит.

Алмаз имеет кристаллическую решётку в форме куба. Являясь самым компактным видом взаимного расположения атомов вещества, именно она является причиной всех его свойств, относящихся к прочности.

Другие характеристики алмаза:

  • Хоть и твёрдый, но очень хрупок. Для того чтобы легко разрушить кристалл, достаточно одного резкого удара.
  • Имеет сравнительно высокую температуру плавления — около тысячи градусов Цельсия. Под давлением в десять гигапаскалей может выдерживать и втрое большие термические нагрузки.
  • Природный цвет — бледно-жёлтый. Если в составе присутствуют добавления железа или других естественных металлов, может иметь оранжевые, красные или даже зелёные оттенки.

Кубический тип кристаллической решётки алмаза состоит из 18 атомов углерода. Они сгруппированы по четыре, формируя правильные пирамиды с четырьмя вершинами — тетраэдры. Связаны между собой все эти структуры самым прочным видом связи между различными химическими соединениями — ковалентным. Это происходит из-за того, что сам кристалл в основном состоит из одноатомного вещества.

Способы применения вещества

Всевозможные пути использования алмаза обусловлены его прочностью и способностью преломлять свет. Его способностью хорошо поддаваться огранке уже давно используется в изготовлении красивейших ювелирных изделий. Основные отрасли производства, в которых используются эти кристаллы:

  • Квантовые компьютеры. Используются при построении вычислительных единиц, кубитов, которые одновременно являются и оперативной памятью, и процессором таких устройств. Для использования в качестве кубита алмаз должен быть «дефектным» — содержать в своей толще атом другого вещества. Тогда хранить информацию на таком кристалле можно с использованием электронов чужеродного вещества. С помощью их спинов можно не только записывать, но и обрабатывать блоки данных. В качестве таких атомов используются, как правило, азот или кремний.
  • Ядерная энергетика — отработанные в качестве замедлителей и облучённые радиоактивными изотопами графитовые стержни устаревших реакторов можно использовать в качестве вторичного топлива для более новых. Для этого стержни нагреваются, часть радиоактивных изотопов углерода высвобождается в газообразной форме и улавливается специальными датчиками. После этого такой газ прессуется в искусственные алмазы. Имея в радиоактивном состоянии некоторое значение электропроводимости, такие кристаллы впитывают ими же выпущенные гамма-лучи, являясь довольно эффективной формой топлива.
  • Промышленность — кристаллы алмазов используются для изготовления режущих инструментов, причём как при заточке новых средств обработки, так и при модернизации старых путём напыления на их кромку тонкой плёнки из алмазной пыли.

Самым распространённым является, конечно, применение огранённых алмазов — бриллиантов — в ювелирном деле. В зависимости от того, какой тип кристаллической решётки у алмаза, а так же от его размера и естественной формы получаются разные вариации огранки этого вещества. Тип изделия тоже накладывает свои ограничения на форму камня — например, круглая огранка применяется в кулонах, перстнях или ожерельях, тогда как фантазийная может использоваться для украшения подвесок или сережек.

При огранке исходный кусок теряет больше половины своей массы. Масса бриллиантов измеряется в каратах, равных одной пятой грамма или 200 миллиграммам. Типичный камень, поддающийся огранке, например, в Индии, очень мелкий, массой до трети карата.

Другие лидеры в сфере производства бриллиантов — Израиль, Соединённые Штаты, Россия, Украина — занимаются огранкой камней среднего и крупного размера. Всё зависит от оплаты труда специалистов этой области в конкретной стране.

Получение искусственных алмазов

В природе алмазные кристаллы получаются в результате действия на протяжении очень большого времени геологических процессов. Для того чтобы появился естественный кристалл, должно пройти несколько тысяч или даже миллионов лет. Вещество, которое превращается в него, должно быть на протяжении всего чудовищно длительного периода под чрезвычайно высоким давлением. Поэтому советскими учёными в конце 30-х годов XX века были сначала сформулированы оптимальные физические условия для получения искусственных алмазов.

Только почти через 15 лет, после большого количества неудачных попыток, в Швеции были синтезированы первые камни. К концу девяностых годов прошлого века был разработан и опробован ещё один метод — взрывной. Для этого использовалась углеродсодержащая взрывчатка. На месте её подрыва всегда можно было обнаружить некоторое количество алмазной пыли.

Создавать искусственные алмазы можно и с помощью ультразвука. Это очень дорогой и трудозатратный метод, который пока не применяется в широких производственных целях.

Основной метод создания камней — подвергание графитовых стержней одновременному воздействию высоких температуры и давления. Примерные характеристики установок:

  • Максимальная температура нагрева — 1500 градусов Цельсия.
  • Предельно возможное давление — 5 гигапаскалей.

Под прессом и воздействием нагрева кристаллическая решётка графита постепенно преобразуется из гексагональной (десятиугольной) в кубическую постепенным передвиганием атомов углерода внутрь вещества.

Несмотря на то что процесс очень энергозатратный, а установки, позволяющие проводить его, очень сложны в конструкции, около 95% всех алмазов, используемых в промышленных целях на производстве — искусственные.