Сторінка
1

У світі дорогоцінного каміння

Вуглець. С – хімічний елемент IV групи періодичної системи Менделєєва, атомний номер 6, відносна атомна маса 12, 011(1).

Різноманіття сполук вуглецю, що пояснюється здатністю його атомів з'єднуватися один з одним і атомами інших елементів різними способами, обумовлює особливе положення вуглецю серед інших елементів.

Елементарний вуглець утворює три алотропні видозміни: алмаз, графит і карбін.

Алмаз – безбарвна, прозора кристалічна речовина, що надзвичайно сильно переломлює промені світла. Атоми вуглецю в алмазі знаходяться в стані sp3-гібридизації.

Колись люди, які полювали за алмазами, і не підозрювали, що предметом їхньої пристрасті є кристаллический вуглець - той самий вуглець, який утворює сажу, кіптяву й вугілля. Уперше це довів Лавуазьє. Він поставив досвід по спалюванню алмаза, використовуючи зібрану спеціально для цієї мети запальну машину.

Виявилося, алмаз згоряє на повітрі при темпратурі близько 700 С, не залишаючи твердого залишку, як і звичайне вугілля.

У структурі алмазу кожний атом вуглецю має чотирьох сусідів, що розташовані від нього на рівних відстанях у вершинах тетраедра. Весь кристал являє собою єдиний тривимірний каркас.

У збудженому стані відбувається розпарювання валентних електронів в атомах вуглецю й утворення чотирьох неспарених електронів.

Кожний атом вуглецю в алмазі оточений чотирма іншими, розташованими від нього в напрямку від центра в тетраедрів до вершин.

Відстань між атомами в тетраедрах дорівнює 0, 154 нм.

Міцність усіх зв'язків однакова. Таким чином, атоми в алмазі «упаковані» дуже щільно.

При 20оС щільність алмаза складає 3,1515 г/см3 . Цим пояснюється його виняткова твердість. Алмаз погано проводить електричний струм. Основна маса утворених алмазів – невеликі кристали й алмазний пил.

Алмази при нагріванні без доступу повітря вище 1000оС перетворюється в графіт.

При 1750оС перетворення алмазу в графіт відбувається швидко.

Графіт – сіро-чорна кристалічна речовина з металевим блиском, жирна на дотик, по твердості поступається навіть паперу.

Атоми вуглецю в кристалах графіту знаходяться в стані sp2 – гібридизації: кожний з них утворює три ковалентні o-зв’язки сусідніми атомами. Кути між напрямками зв'язків дорівнює 120оС.

У стародавності графіт вважали одним з мінералів свинцю, можливо через те, що, подібно свинцю, він залишає на папері слід.

У 18 ст. К.В.Шееле довів, що графіт предсталяє собою “особливе мінеральне вугілля”. Родинні відносини між алмазом і графітом були докладно вивчені колегою Лавуазьє французьким хіміком Луї Бернаром Гітоном де Морво: при обережному нагріванні алмазу без доступу повітря він отримав порошок графіту.

Графіт - м'яка речовина сірого кольору. Атоми вуглецю зв'язані в ньому в плоскі шари, що складаються в з'єднаних ребрами шестикутником, на подобі бджолиних сот. Кожний атом у такому шарі має трьох сусідів, кут між зв'язками дорівнює 120 . Для утворення трьох ковалентних зв'язків атом надає три електрони ,а четвертий електрон, утворює п-зв’язки, делокалізований по всьому кристалу.

Найбільш стійкою при кімнатній температурі алотропна модифікація вуглецю. Теоретично всі алмази повинні були вже перетворитися в графіт, але з помітною швидкістю така реакція йде лише починаючи з температури близько 1000 С, а при 2000 С вона відбувається майже миттєво. Однак із практичної точки зору набагато більший інтерес представляє зворотний процес-перетворення графіту в алмаз. Це стає можливим при температурі близько 3000 С и тиску 3*106 атм. До спалювання, алмази, які вдається одержати з графіту, звичайно дуже дрібні і невисокі якості. Вони можуть бути використані лише для технічних цілей.

У результаті утвориться сітка, що складається з правильних шестикутників. Відстань між сусідніми ядрами атомів вуглецю усередині шаруючи складає 0,142 нм.

Графіт має низьку механічну міцність і легко розщеплюється на лусочки, що самі по собі дуже міцні. Зв'язок між шарами атомів вуглецю в графіті частково має металевий характер. Цим порозумівається той факт, що графіт добре проводить електричний струм, але все-таки не так, як метал.

При нагріванні без доступу повітря графіт не перетерплює ніякої зміни до 3700оС. При зазначеній температурі він виганяється, не плавлячи. Графіт термодинамічний, стійкий у широкому інтервалі температур і тисків. Щільність складає 2,256 г/см3.

Застосування. Алмази використовуються для обробки різних твердих матеріалів, для різання, шліфування, свердління і гравірування скла, для буравлення гірських порід. Алмази після шліфування й огранювання перетворюються в діаманти, що використовуються як прикраси.

З графіту виготовляють ливарні форми, плавильні тиглі, вогнетривкі вироби. Значна кількості графіту використовується в електротехнічній промисловості, наприклад, при виготовленні електродів.

Графіт використовується для виготовлення олівців, фарб. Чистий графіт використовується в ядерних реакторах для уповільнення нейронів.