Аллотропные видоизменения углерода. Рис.1 Модель решетки алмаза. Углерод существует в трех аллотропных модификациях алмаз, графит и карбин. Две основные разновидности углерода - графит и алмаз - существенно отличаются по свойствам. Мягкий графит имеет слоистое строение рис. 2.Все атомы углерода находятся здесь в состоянии sp2-гибридизации каждый из них образует три ковалентные связи с соседними атомами, причем углы между направлениями связи равны 120. Графит электропроводен и хорошо раскалывается по плоскости.
В обычных условиях графит и является наиболее устойчивой модификацией. Переход графита в алмаз возможен при очень высоких давлениях порядка 125000 атм и температурах около 3000 С. Однако исследование этого процесса сначала с теоретических позиций, а затем экспериментальным путем показало, что в присутствии катализаторов железо, платина графит превращается в алмаз уже при давлении 60000 80000 атм и температуре 1400 1600 С. В настоящее время налажено производство искусственных алмазов для технических целей, причем размеры их обычно колеблются от 0,5 до 4 мм в отдельных случаях удается получить и большие экземпляры.
Структура алмаза рис. 1 типично тетраэдрическая атомы углерода прочно соединены за счет перекрытия sp3-орбиталей. Хотя в обычных условиях алмаз нестабилен, но практически он может сохраняться неопределенно долгое время.
При сильном накаливании алмаза происходит его постепенная графитизация. Физические свойства алмаза и графита. Алмаз ГрафитПрозрачен, бесцветен. Не проводит электрический ток, так как нет свободных электронов. Самое твердое из природных веществ. Непрозрачен, серого цвета с металлическим блеском. Довольно хорошо проводит электрический ток, благодаря наличию подвижных электронов. Скользок на ощупь. Одно из самых мягких среди твердых веществ.
Алмаз - самое твердое природное вещество. Кристаллы алмазов высоко ценятся и как технический материал, и как драгоценное украшение. Хорошо отшлифованный алмаз - бриллиант. Преломляя лучи света, он сверкает чистыми, яркими цветами радуги. Размеры мировой добычи алмазов очень незначительны - гораздо меньше, чем благородных металлов - золота и платины. Из алмазов делают наконечники буров для сверления твердых горных пород. Также алмазы применяют для резки стекла и в виде алмазного инструмента резцы, сверла, шлифовальные круги.
Алмазным порошком шлифуют бриллианты и твердые сорта стали. Самый крупный из когда-либо найденных алмазов весит 602 г, имеет длину 11 см, ширину 5 см, высоту 6 см. Этот алмаз был найден в 1905 г и носит имя Кэллиан. Один из самых крохотных в мире граненых алмазов, весом всего лишь 0,25 мгв 4000 раз легче копеечной монетки, демонстрировался на всемирной выставке в Брюсселе. Несмотря на ничтожный вес и размер - зернышко объемом 0,07 мм3 искусные руки гранильщика нанесли на нем на нем 57 граней, рассмотреть которые можно только под микроскопом.
Рис.2 Модель решетки графита. В 1967 г. Б.В. Дерягин и Д.В. Федосеев вырастили на грани алмаза нитеобразный кристалл алмазные усы. Рост происходил при высокой температуре, причем источником углерода служил метан за четыре часа кристаллическая нить вырастала на 1 мм, что, вообще говоря, очень много для процессов такого рода. Большая часть образцов аморфного угля состоит из искаженных кристаллов графита.
Характерное расположение атомов углерода по углам шестиугольника при этом сохраняется. В решетках графита часто встречаются разнообразные дефекты структуры, как структурные, так и химические, связанные с захватом ионов и атомов. В решетку графита могут внедряться А. Убеллоде, Ф. Льюис атомы бора, кислорода, серы и т. п образующие связи между слоями и влияющие на проводимость графита. Графит образует своеобразные химические соединения, в которых присоединяющиеся частицы размещаются между плоскостями, занятыми атомами углерода.
При нагревании графита в парах щелочных металлов получаются легко окисляющиеся соединения. Так, при 400 С калий образует соединение C8K. Состав соединений сильно зависит от температуры и изменяется в широких пределах. Известны соединения графита с рубидием, цезием для натрия и лития четких результатов пока нет натрий, по-видимому, дает соединение C64Na фиолетового цвета. Графит дает также соединения с металлами, аммиаком и аминами типа MeC12NH32. Решетка графита во всех случаях расширяется при образовании соединений, и межплоскостное расстояние достигает 0,66 нм, а для метиламинового комплекса лития даже до 0,69 нм. Получены соединения C9Br, C5CI, C8CI, CF. Тифлон CF серого цвета, изолятор, не похож на другие соединения типа соединений внедрения. Предполагается образование в нем ковалентных связей фтор - углерод.
Графит раньше применялся как пишущее средство. С XIX века и по сей день используют графитовые электроды в металлургии и химической промышленности, например в производстве алюминия металл осаждается на графитовом катоде.
Сейчас нашли применение графитизированные стали, то есть стали с добавлением монокристаллов графита. Эти стали используют при изготовлении коленчатых валов, поршней и других деталей, где особенно важна высокая прочность и твердость материала. Графит играет важную роль в электротехнической промышленности и атомной энергетике, где его используют в качестве замедлителя нейтронов.
С помощью графитовых стержней регулируют скорость реакции в атомных котлах. Способность графита расщепляться на чешуйки позволяет делать на его основе смазочные вещества. Графит - прекрасный проводник теплоты, при этом он может выдержать значительные температуры до 3000 С и выше. К тому же он химически довольно стоек. Эти свойства нашли применение в производстве графитовых теплообменников и в ракетной техникедля изготовления рулей и сопловых аппаратов.
Третья модификация - карбин- была открыта в начале 1960-х годов. Карбин представляет собой порошок глубокого черного цвета с вкраплением более крупных частиц. Электроны в атоме углерода в карбине имеют sp-гибридизацию, т.е. это цепочечный полимер, который встречается в виде двух форм. Оказалось, что карбин - самая термодинамически устойчивая форма элементарного углерода. В тех условиях, при которых графит переходит в алмаз за 30 минут, карбин не изменяется и после 15 часов выдержки. Тогда же, в начале 1960-х годов, был открыт и так называемый зеркальный углерод, имеющий, как и графит, слоистое строение, но связи между слоями здесь не слабые межмолекулярные, как в графите, а химические, более прочные.
Одна из важнейших особенностей зеркального углерода кроме твердости, стойкости к высоким температурам и т. д его биологическая совместимость с живыми тканями.