Сравните свойства алмаза и графита химия 9 класс кратко

Обновлено: 05.07.2024

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:

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.
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:

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.

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.

Оба камня используют при производстве. Свойства минералов делают их незаменимыми. Алмазы также часто используют в ювелирном деле, что обосновано внешними параметрами материала. Подобные бриллианты считаются одними из самых дорогих элементов украшений.

Графит же относится к наиболее дешевым материалам, однако это не уменьшает его востребованность.

Сходства

Главной и единственной схожестью камней является тот факт, что они состоят из одного вещества – углерода. Несмотря на огромную разницу в других показателях, в плане химических свойств они отличаются только формой молекулярной решетки. Таким образом, формула обоих камней будет крайне проста – С. Также оба минерала выделяются способностью проводить тепло.

ГРАФИТ

Отличия

Графит и алмаз невозможно спутать друг с другом. Их строение оказало сильное влияние на физические параметры камней.Основные отличия заключаются в следующем:

Прозрачность. Алмаз известен своей чистотой. Графит не является прозрачным.
Распространенность. Если ювелирный представитель выделяется своей редкостью, то менее привлекательный собрат встречается крайне часто.
Цветовая гамма. Алмаз чаще всего бесцветен, но может иметь синие, черные или красные оттенки. Второй минерал исключительно темно-серый.
Электропроводность. Редкий представитель является изолятором. Графит же хорошо проводит электричество.

Однако самым главным отличием камней считается их твердость. Именно она определяет назначение этих двух минералов. Алмаз является самым твердым материалом в мире. Его собрат, наоборот, отличается высокой мягкостью: он крошится при малейшем воздействии.

Что такое аллотропные вещества?

Аллотропные вещества — это очень важное понятие в химии. Это основа основ, которая позволяет отличать вещества друг от друга.

В школе аллотропные вещества изучают на примере графита и алмаза, а также их различии. Итак, изучив различия алмаза и графита, можно сделать вывод, что аллотропия — это существование в природе двух и более веществ, которые различаются по своему строению и свойствам, но имеют схожую химическую формулу или относятся к одному химическому элементу.

Характеристики алмаза и графита

Плотность драгоценного камня составляет 10 баллов по шкале Мооса (максимально возможный показатель). Это также означает, что обработать алмаз весьма сложно. Он может полностью противостоять даже воздействию сильных кислот. Плавление начинается с температуры 3700-4000°C. Форма образований исключительно кристаллическая. Образец, не прошедший огранки, обладает шероховатой поверхностью с крайне слабым блеском. Цвет может варьироваться в зависимости от наличия примесей.

СИНИЙ АЛМАЗ

Графит отличается слоистостью структуры. Он имеет волнистую форму минимальной выраженности. Его принято делить по 3 параметрам:

вид (крупные или мелкие кристаллы);
степень проявления (явные или скрытые формы);
варьирование размеров кристаллов.

Природные представители чаще всего отличаются скрытностью кристаллической формы. Подобные образования выделяются довольно высокой твердостью. Однако добытый материал является более мягким, а при нагревании вовсе становится хрупким. Блеск графита металлический, степень проявления может варьироваться от почти незаметного до сильного. Его плотность по шкале Мооса составляет всего 1 балл. Плавление происходит при температуре 2500-3000°C. Цвет камня от серого до черного.

Физические и химические свойства

Алмаз не обладает электропроводностью, но тепло проводит. Хорошо преломляет и отражает свет. Прозрачен, имеет блеск. Плавится при 3700-4000 градусов. Лавуазье впервые сжег диамант в 18 веке.

Позже ученые выяснили, что в соединении с кислородом алмаз горит при 721-800 градусах, испаряясь углекислым газом. Без воздуха может перейти в графит при нагреве до 2001-3000 градусов. Химические свойства говорят об устойчивости к воздействию кислот.

Графит электро-и-теплопроводный, нерастворим кислотами и водой, теплостойкий. Температура плавления 2500 – 3000 градусов. Не горит до 250-300 градусов, но при сжигании с температурой выше 300 и до 1000 превращается в углекислый газ.

Где и как добывают

Графит добывается по всему миру. Примерное содержание материала на планете составляет 600 млн тонн. Алмаз же образуется при попадании метеоритов на Землю, что обосновано огромными температурами и давлением. Поэтому содержание ювелирного представителя крайне низкое, а при создании украшений чаще всего используются синтетические камни. Этот драгоценный камень встречается на следующих территориях:

Россия;
Австралия;
Ангола (Африка);
США;
Канада.

Перечисленные зоны славятся относительно большим количеством алмазов, однако на редкость минерала влияет и сложность его добычи. Обнаруженные камни измельчают, а также сортируют для подбора пригодных образцов. Лишь малая часть сырья может быть использована для ювелирной обработки. Графит, с другой стороны, добывается во многих странах:

Китай;
Мексика;
Россия;
Чехия;
Канада;
Южная Корея;
США;
Мадагаскар.

Данный материал находится глубоко под землей, поэтому для его добычи необходимы бурильные установки. Также сырье, перед сортировкой и применением требуется раздробить. Образования этого вида сырья отличаются довольно высокой прочностью, что приводит к дополнительным затратам на обработку.

Как добыть алмаз из графита

Превращение графита в алмаз является не только возможным, но и часто используемым методом добычи. Такой драгоценный камень не будет считаться натуральным, поэтому его стоимость ниже. Однако подобное сырье более многочисленно, легче поддается огранке. Большинство бриллиантов на самом деле являются искусственными. Однако у них есть определенное преимущество – их твердость еще выше, чем у натуральных образцов.

Возможность добычи алмаза из графита была доказана в 1995 году. Обладая идентичным составом, оба представителя различаются лишь условиями образования. Для того, чтобы получить драгоценный материал из распространенного камня, повышается температура и давление. Первый показатель должен достигать 2500 °C. Второй – 120000 атмосфер. При соблюдении условий алмаз образуется за несколько месяцев. Однако сейчас существуют методы ускоренной обработки, позволяющие создать новый минерал за 2-3 недели.

Получение искусственного графита

Данный процесс проводится заметно реже, т. к. он не востребован. Для превращения алмаза в менее ценного собрата требуется наличие достаточно высокой температуры – 1500 °C. Также важным требованием является полное отсутствие воздуха. Давление может быть различным, ибо оно не считается одним из главных условий. Относясь к дополнительному воздействию, давление ускоряет процесс образования графита.

Однако существует и другой способ создания искусственного материала. Кристаллы такого образца выражены слабо, а также он отличается наличием некоторой прозрачности. Сырье представляет собой нефтяной кокс, антрацит, уголь светильного газа и различные отходы производства. Такой образец имеет одно преимущество перед натуральным аналогом – его текстура менее пористая, он легче поддается обработке.

Сферы применения

Областей использования свойств материала достаточно много. Можно перечислить основное и наиболее популярное.

Рекомендуем почитать: Особенности и выбор украшений с натуральным опалом

Строительные работы

Сложные работы с объёмными конструкциями из бетона требуют соединений. Кроме этого в них часто устанавливают крепления и дополнительные устройства. Сверление, резка и демонтирование требуют прочных деталей. Кристаллические устройства легко справляются с самыми прочными материалами. Свёрла разного диаметра способны сделать аккуратные отверстия. Применяется алмаз не только для работ по бетону, он режет гранит, мрамор, перемалывает щебень.

Возведение здание начинается с прокладки траншей для кабелей и коммуникационных линий. Для таких работ предназначена специальная техника – проходческий комбайн. Прокладка проводится диском, на котором установлены лезвия с напылением из алмазной крошки.

Приборостроение

Из алмаза делают тысячи моделей устройств, деталей и видов инструментов. Их сложно перечислить. Основные и наиболее известные:

фреза;
шлифовальный круг;
стеклорез;
нож по металлу;
пила.

Медицина

Используется материал для изготовления медицинских скальпелей. Острые лезвия дают тонкий разрез. Представить действия хирурга без алмазного скальпеля сегодня практически невозможно. Учёные не завершили работы над твёрдым материалом. Медицинский лазер – одно из последних разработок. Минерал является проводником прибора. Новые научные изыскания могут появиться в любое время.

Телекоммуникации

Кристалл позволяет проходить через один кабель разно частотным линиям связи. Он не боится перепадов температуры, терпит скачки напряжения. Преимущества камня — его размеры. Невидимые обычным зрением частицы обладают максимально возможными свойствами. Самоцветы применяются в фотоэлементах, приборах для оптических техник. У астрономов все приборы, действуют, используя возможности минерала.

Химическая и физическая отрасль

Здесь природный материал – защитный компонент. Агрессивная среда повреждает многочисленные химические соединения. Твёрдая порода выдерживает воздействие кислот и других разрушающих составов. Сферы в промышленности, где минералы активно применяются:

квантовая физика;
лазерные технологии;
космические исследования.

Приборы не дают погрешность, позволяя достичь максимальных показателей точности.

Рекомендуем почитать: Что из себя представляет искусственный бриллиант?

Добыча полезных ископаемых

Приборы с твёрдой породой помогают сверлить, прокладывать трубы. Добыча нефти, разработка месторождений газа, пробивание каменных пластов, известковых отложений – возможности Самоцветов.

Фильеры

В радиоэлектронике использовано специальное металлическое устройство. Фильер – это пластинка из материала с тончайшими, невидимыми отверстиями для проволоки. Нити её создаются из металлов и сплавов. Они могут как обычным ножом разрезать другие материалы, только алмазные фильеры способны выдержать трение и давление острых металлических нитей.

Порошки

Из камня делают порошковые составы. Они использовались и получались после дробления прочных минералов. Искусственные алмазы также становятся основой порошка. Металлическим составом покрывают детали инструментов:

дисковые пилы;
буровые коронки;
напильники;
абразивы.

Свёрла создадут непросто тонкие отверстия, а прочные соединения, глубокие ёмкости.

Ювелирное мастерство

Для создания самоцветов высокого качества требуется специальное огранное оборудование. Порошок из прочной породы – активный компонент гранильных фабрик. Шлифовка позволяет сделать из обычного камня сверкающую драгоценность.

Ядерная промышленность

Ещё одно свойство минерала позволяет активно внедрять его для создания ядерных излучений. В камне заряженная частица даёт световую вспышку, от которой появляется импульс тока, чего не даст обычный самоцвет. Такое свойство учёные применили в счётчиках. Камень имеет преимущества перед газом и кристаллическими сетками других материалов.

Детали из прочной породы можно встретить в часах, компьютерах, микроэлектронике.

Области применения графита и алмаза

Графит и алмаз часто используют в промышленности. Более распространенный представитель применяют для:

изготовление грифелей карандашей;
создание некоторых элементов оборудования, связанного с электроугольной промышленностью;
производство смазочных материалов;
изготовление огнеупорных деталей.

Наиболее распространенным при этом считается именно натуральное сырье. Искусственный материал используется реже. Запасы алмазов значительно ниже, соответственно использовать натуральный камень невыгодно. По этой причине основная масса подобных минералов, которые используются для промышленных целей, являются искусственными. Они применяются для:

буровых установок;
радиоэлектроники;
электротехники;
приборостроения.

Кроме того, этот ценный камень считается самым востребованным, а также популярным элементом украшения. Поэтому большая часть натуральных алмазов используется как ювелирный материал.

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.

Как отличить алмаз от подделки

Чаще всего для создания искусственных образцов используется стекло. Графит требует больше вложений и времени, а также внешне никак не отличается от настоящего образца. Натуральный камень должен удовлетворять следующим критериям:

Дефекты. Даже самый чистый бриллиант с идеальной огранкой должен иметь минимальные изъяны (мелкие трещины, шероховатость). Искусственный аналог чаще всего обладает идеальной формой без каких-либо изъянов.
Прозрачность. Хотя алмаз отличается высокой чистотой, через него нельзя увидеть четких очертаний предметов. В противном случае изделие является подделкой из стекла.
Блеск. Наличие огранки усиливает изначальную степень преломления света. Настоящий минерал должен сверкать, причем весьма ярко.
Запотевание. Если образец подобным образом реагирует на повышенную влажность, то он является искусственным.
Прочность. Натуральный материал крайне сложно повредить, поэтому можно смело попробовать оцарапать его поверхность. Если на ней остаются следы, это говорит о подделке.
Влияние тепла. Украшение не должно быстро нагреваться. Если через короткий промежуток времени после контакта с человеческим телом оно стало теплым, значит бриллианты не являются настоящими.

ИСКУССТВЕННЫЙ АЛМАЗ
На такое дорогостоящее изделие часто выдается специальный сертификат, который служит доказательством его происхождения. Также бриллиант не должен блестеть различными цветами радуги – это признак низкого качества (наличие примесей) или подделки. Блеск должен быть исключительно одного оттенка (зависит от цвета камня, чаще всего серый).

Украшения с алмазом

Подобные изделия обычно делаются из дорогих металлов, таких как платина или золото. При их чистке ювелиры рекомендуют избегать прикосновений рук (воздействие жира), горячей воды и щелочи. Иначе камень может потерять свою прозрачность, став мутным. Золото от этого темнеет. Домашнюю чистку необходимо осуществлять 1 раз за месяц.

Рекомендуется дополнительно проводить процедуру в ювелирном салоне (там это делают с помощью ультразвуковой ванночки). Делать это нужно 1 раз в год. Также украшения с таким элементом можно промывать с помощью спирта.

Графит же относится к наиболее дешевым материалам, однако это не уменьшает его востребованность.

Сходства

ГРАФИТ

Отличия

Прозрачность. Алмаз известен своей чистотой. Графит не является прозрачным.
Распространенность. Если ювелирный представитель выделяется своей редкостью, то менее привлекательный собрат встречается крайне часто.
Цветовая гамма. Алмаз чаще всего бесцветен, но может иметь синие, черные или красные оттенки. Второй минерал исключительно темно-серый.
Электропроводность. Редкий представитель является изолятором. Графит же хорошо проводит электричество.

Состав минералов

Первое, с чего начнем рассмотрение характеристики алмаза и графита, это состав минералов. Оба – из углерода, шестого элемента периодической системы.

Поскольку алмаз и графит состоят из частиц углерода, тип вещества у них – индивидуальный, а качественный состав образован соединениями атомов углерода. Формула алмаза и графита в химии проста – С, углерод. Этот химический элемент не имеет запаха, поэтому ни алмаз, ни графит ничем не пахнут.

Хотя химическая формула алмаза имеет схожесть с формулой графита, у структур, в которые соединяются атомы углерода, образуя кристаллическую решетку, есть разница.

Когда у минералов кристаллические решетки имеют отличие, но для них характерен идентичный химический состав, их называют полиморфами. Рассматриваемые минералы – разные виды полиморфных модификаций углерода.

Характеристики алмаза и графита

СИНИЙ АЛМАЗ

вид (крупные или мелкие кристаллы);
степень проявления (явные или скрытые формы);
варьирование размеров кристаллов.

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.

Где и как добывают

Россия;
Австралия;
Ангола (Африка);
США;
Канада.

Китай;
Мексика;
Россия;
Чехия;
Канада;
Южная Корея;
США;
Мадагаскар.

Как добыть алмаз из графита

Получение искусственного графита

Определение

– минерал, основой которого является углерод. Характеризуется метастабильностью, то есть способностью в обычных условиях неограниченно долго существовать в неизменном виде. Помещение алмаза в специфические условия, например в вакуум при повышенной температуре, приводит к его переходу в графит.

– минерал, выступающий модификацией углерода. При трении от общей массы вещества отделяются чешуйки. Наиболее известное применение графита – изготовление из него карандашного грифеля.
Графит

Области применения графита и алмаза

Графит и алмаз часто используют в промышленности. Более распространенный представитель применяют для:

изготовление грифелей карандашей;
создание некоторых элементов оборудования, связанного с электроугольной промышленностью;
производство смазочных материалов;
изготовление огнеупорных деталей.

буровых установок;
радиоэлектроники;
электротехники;
приборостроения.

Медицинская сфера использования

Благодаря вышеописанным качествам, алмаз стал незаменимым материалом в медицинской сфере. Хотя это сравнительно новая область его применения (в отличие от промышленности), уже сейчас понятно, что за ним будущее.

Пока основная сфера применения алмазного порошка в медицине – создание качественного инструмента. Скальпель со специальным покрытием используется в хирургии, делая разрезы более точными. Он незаменим при сложных операциях. Например, на спинном или головном мозге.

Помимо скальпеля, алмаз используется для создания ножниц и зажимов. Материал применяется при изготовлении стоматологического оборудования. В стадии разработки находится проект медицинского лазера, где минерал выступит в качестве проводника.

Как отличить алмаз от подделки

Дефекты. Даже самый чистый бриллиант с идеальной огранкой должен иметь минимальные изъяны (мелкие трещины, шероховатость). Искусственный аналог чаще всего обладает идеальной формой без каких-либо изъянов.
Прозрачность. Хотя алмаз отличается высокой чистотой, через него нельзя увидеть четких очертаний предметов. В противном случае изделие является подделкой из стекла.
Блеск. Наличие огранки усиливает изначальную степень преломления света. Настоящий минерал должен сверкать, причем весьма ярко.
Запотевание. Если образец подобным образом реагирует на повышенную влажность, то он является искусственным.
Прочность. Натуральный материал крайне сложно повредить, поэтому можно смело попробовать оцарапать его поверхность. Если на ней остаются следы, это говорит о подделке.
Влияние тепла. Украшение не должно быстро нагреваться. Если через короткий промежуток времени после контакта с человеческим телом оно стало теплым, значит бриллианты не являются настоящими.

Украшения с алмазом

В этой статье мы дадим характеристику углерода с точки зрения химии: узнаем, металл это или неметалл, какими свойствами он обладает, с какими веществами реагирует и где находят применение различные модификации углерода.

О чем эта статья:

Углерод — это химический элемент, неметалл, расположенный в таблице Д. И. Менделеева в главной подгруппе IV группы, во 2-м периоде, имеет порядковый номер 6.

Агрегатное состояние углерода при нормальных условиях — твердое вещество с атомной кристаллической решеткой. Молекула углерода одноатомна. Химическая формула углерода — С.

Строение углерода

В нейтральном атоме углерода находится шесть электронов. Два из них расположены вблизи ядра и образуют первый слой (1s-состояние). Следующие четыре электрона образуют второй электронный слой. Два из четырех электронов находятся в 2s-состоянии, а два других — в 2р-состоянии. Нейтральный атом углерода в основном состоянии двухвалентен и имеет электронно-графическую конфигурацию 1s 2 2s 2 2р 2 .

Возможные валентности: II, IV.

Аллотропия углерода

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

Выделяют два вида углерода в зависимости от образования модификаций:

Кристаллический углерод входит в состав твердых веществ (алмаз, графит, графен, фуллерен, карбин).

Аморфный углерод образует мягкие вещества (уголь, кокс, сажа).

Рассмотрим подробнее основные аллотропные модификации углерода, их физические свойства и применение.

Алмаз

Алмаз — трехмерный полимер, бесцветное кристаллическое вещество, самый твердый природный минерал, имеет высокую теплопроводность. Его используют в промышленности для обработки различных твердых материалов, для бурения горных пород. Несмотря на то что алмаз твердый, в то же время он хрупкий. Получающийся при измельчении алмаза порошок применяют для шлифовки драгоценных камней. Хорошо отшлифованные прозрачные алмазы называют бриллиантами.

В кристаллической решетке атомы углерода связаны ковалентной связью. Расстояние между всеми атомами одинаковое, поэтому связи прочные по всем направлениям.

Одно из уникальных свойств алмазов — способность преломлять свет (люминесценция). При действии излучения алмазы начинают светиться разными цветами. Такая игра света, хороший показатель преломления и прозрачность делают этот драгоценный камень одним из самых дорогих. При этом необработанный алмаз не обладает такими качествами.

В промышленных масштабах алмазы получают при высоком давлении (тысячи МПа) и высоких температурах (1 500–3 000 °С). Процесс протекает в присутствии катализатора (например, Ni).

При нагревании алмаза до 1 000 °С и высоком давлении без доступа воздуха получают графит. При температуре 1 750 °С переход из алмаза в графит протекает существенно быстрее. При прокаливании в кислороде алмаз сгорает, образуя диоксид углерода.

Графит

Графит — темно-серое мягкое кристаллическое вещество со слабым металлическим блеском. Хорошо электро- и теплопроводен, стоек при нагревании в вакууме. Имеет слоистую структуру. На поверхности оставляет черные черты. На ощупь графит жирный и скользкий.

Графит термодинамически устойчив, поэтому в расчетах термодинамических величин он принимается в качестве стандартного состояния углерода.

На воздухе графит не загорается даже при сильном накаливании, но легко сгорает в чистом кислороде с образованием диоксида углерода.

При температуре 3 000 °С в электрических печах получают искусственный графит из лучших сортов каменного угля.

Графен

Графен представляет собой монослой графита. Впервые графен был получен ручным механическим отщеплением в лабораторных условиях, что не предполагает широкого производства.

В более крупных масштабах графен получают при помощи нагревания кремниевых пластин, верхний слой которых состоит из карбида кремния. Под действием высоких температур происходит отщепление атомов углерода, которые остаются на пластинке в виде графена, а кремний испаряется. Графен представляет собой тонкое и прочное вещество с высокой электропроводностью. В настоящее время он широко используется в микроэлектронике и автомобилестроении.

Карбин

Карбин — твердое черное вещество. Состоит из линейных полимерных цепей, которые соединены чередующимися одинарными и тройными связями в линейные цепочки: −С≡С−С≡С−С≡С−.

Впервые карбин был открыт в 60-х годах, но его существование не признавали до тех пор, пока его не обнаружили в природе — в метеоритном веществе.

Карбин — полупроводник, под действием света его проводимость сильно увеличивается. Переход в графит возможен при нагревании до 2 300 °С.

Карбин применяют в медицине для изготовления искусственных кровеносных сосудов.

Уголь

Уголь — мельчайшие кристаллики графита, полученные путем термического разложения углеродсодержащих соединений без доступа воздуха.

Угли имеют разные свойства в зависимости от веществ, из которых получены. Наиболее важные сорта угля — кокс, древесный уголь, сажа.

Кокс получается при нагревании каменного угля без доступа воздуха. Применяется в металлургии при выплавке металлов из руд.

Древесный уголь образуется при нагревании дерева без доступа воздуха. Благодаря пористому строению он обладает высокой адсорбционной способностью.

Сажа — очень мелкий графитовый кристаллический порошок. Образуется при сжигании углеводородов (природного газа, ацетилена, скипидара и др.) с ограниченным доступом воздуха.

Активные угли — пористые промышленные адсорбенты, получаемые из твердого топлива, дерева и продуктов его переработки. Применяются для поглощения паров летучих жидкостей из воздуха.

Сравнение основных аллотропных модификаций углерода

Нахождение углерода в природе

Основная масса углерода существует в виде природных карбонатов кальция CaCO₃ (мела, мрамора, известняка) и магния MgCO₃, а также горючих ископаемых.

Читайте также: