Химия и структура алмазов

Слово «алмаз» происходит от греческого слова « adamao », означающего «я укрощаю» или «подчиняю» или связанного с ним слова « adamas , что означает «самая твердая сталь» или «самое твердое вещество».

Все знают, что бриллианты твердые и красивые, но знаете ли вы, что алмаз может быть самым старым материалом, который у вас может быть? Возраст горных пород, в которых обнаружены алмазы, может составлять от 50 до 1600 миллионов лет, а возраст самих алмазов составляет примерно 3,3 миллиарда лет. Это несоответствие происходит из-за того, что вулканическая магма, которая затвердевает в горных породах, где находятся алмазы, не создает их, а только переносит алмазы из мантии Земли на поверхность. Алмазы также могут образовываться под воздействием высоких давлений и температур в месте падения метеорита. Алмазы, образовавшиеся во время удара, могут быть относительно «молодыми», но некоторые метеориты содержат звездную пыль – обломки смерти звезды, – которые могут включать кристаллы алмаза. Известно, что один такой метеорит содержит крошечные алмазы возрастом более 5 миллиардов лет. Эти алмазы старше нашей Солнечной системы.

Начните с углерода

Для понимания химического состава алмаза необходимы базовые знания элемент углерод. Нейтральный атом углерода имеет шесть протонов и шесть нейтронов в ядре, уравновешенных шестью электронами. Конфигурация электронной оболочки углерода 1s 2 2s 2 2p 2 . Углерод имеет валентность четыре, поскольку четыре электрона могут быть приняты для заполнения 2p-орбитали. Алмаз состоит из повторяющихся единиц атомов углерода, соединенных с четырьмя другими атомами углерода посредством самой прочной химической связи – ковалентных связей. Каждый атом углерода находится в жесткой тетраэдрической сетке, находящейся на одинаковом расстоянии от соседних атомов углерода. Структурная единица алмаза состоит из восьми атомов, расположенных в форме куба. Эта сеть очень устойчивая и жесткая, поэтому алмазы такие очень твердые и имеют высокую температуру плавления.

Практически весь углерод на Земле поступает из звезд . Изучение изотопного отношения углерода в алмазе позволяет проследить историю углерода. Например, на поверхности Земли соотношение изотопов углерода-12 и углерода-13 немного отличается от такового в звездной пыли. Кроме того, некоторые биологические процессы активно сортируют изотопы углерода по массе, поэтому соотношение изотопов углерода, которое было в живых существах, отличается от соотношения на Земле или в звездах. Таким образом, известно, что углерод для большинства природных алмазов в последнее время поступает из мантии, но углерод для некоторых алмазов – это переработанный углерод микроорганизмов, который земной корой посредством тектоники плит образовал алмазы. Некоторые крошечные алмазы, которые образуются метеоритами, происходят из углерода, доступного в месте падения; некоторые кристаллы алмаза в метеоритах еще свежи со звезд.

Кристаллическая структура

Кристаллическая структура алмаза представляет собой гранецентрированную кубическую или ГЦК решетку. Каждый атом углерода соединяется с четырьмя другими атомами углерода в правильные тетраэдры (треугольные призмы). Благодаря кубической форме и высокосимметричному расположению атомов кристаллы алмаза могут принимать несколько различных форм, известных как «кристаллические формы». Наиболее распространенный габитус кристаллов – восьмигранный октаэдр или форма алмаза. Кристаллы алмаза также могут образовывать кубы, додекаэдры и комбинации этих форм. За исключением двух классов формы, эти структуры являются проявлениями кубической кристаллической системы. Одним исключением является плоская форма, называемая макле, которая на самом деле представляет собой составной кристалл, а другим исключением является класс травленых кристаллов, которые имеют округлые поверхности и могут иметь удлиненные формы. Настоящие кристаллы алмаза не имеют полностью гладких граней, но могут иметь выпуклые или зазубренные треугольные наросты, называемые «треугольниками». Алмазы имеют идеальное расщепление в четырех разных направлениях, а это означает, что алмаз будет аккуратно разделяться по этим направлениям, а не ломаться неровно. Линии спайности возникают из-за того, что кристалл алмаза имеет меньше химических связей вдоль плоскости его октаэдрической грани, чем в других направлениях. Алмазные огранщики используют преимущества линий расщепления на огранку драгоценных камней.

Графит всего на несколько электрон-вольт более стабилен, чем алмаз, но активационный барьер для преобразования требует почти столько же энергии, сколько разрушение всей решетки и ее восстановление. Следовательно, как только алмаз образуется, он не превратится обратно в графит, потому что барьер слишком высок. Алмазы считаются метастабильными, поскольку они кинетически, а не термодинамически стабильны. В условиях высокого давления и температуры, необходимых для образования алмаза, его форма на самом деле более устойчива, чем графит, и поэтому в течение миллионов лет углеродистые отложения могут медленно кристаллизоваться в алмазы.

Оцените статью
recture.ru
Добавить комментарий