- складаються з однорідних атомів графіту, але мають різні кристалічні решітки. Алмаз, графіт, вугілля.

Коротка характеристика: алмаз, графіт і вугілля

Кристалічні решітки графіту не мають міцних зв'язків, вони представляють собою окремі лусочки і як би ковзають один по одному, легко відділяючись від загальної маси. Графіт часто використовують як мастило для поверхонь, що труться. Вугілля складається з найдрібніших частинок графіту і таких же малих частинок вуглецю, що знаходиться в поєднанні з воднем, киснем, азотом. Кристалічна решітка алмаза жорстка, компактна, має високу твердість. Тисячоліттями люди навіть не підозрювали, що ці три речовини мають щось спільне. Все це - відкриття більш пізнього часу. Графіт сірий, м'який, жирний на дотик зовсім не схожий на чорне вугілля. Зовні він скоріше нагадує метал. Алмаз - надтвердих, прозорий, блискучий, по зовнішньому вигляду зовсім відмінний від графіту і вугілля, (докладніше: Як використовують мінерали ). Ніяких ознак їх спорідненості не давала і природа. Родовища вугілля ніколи не були сусідами з графітом. В їх покладах ніколи геологи не виявляється блискучих кристалів алмазу. Але час не стоїть на місці. В кінці XVII століття флорентійським ученим вдалося спалити алмаз. Після цього не залишилося навіть крихітної купки золи. Англійський хімік Теннант через 100 років після цього встановив, що при спалюванні однакових кількостей графіту, вугілля, і алмазу утворюється однакова кількість вуглекислого газу. Цей досвід відкрив істину.

Взаємоперетворення алмазу, графіту і вугілля

Відразу ж вчених зацікавило питання: а чи можливо перетворення однієї аллотропическими форми вуглецю в іншу? І відповіді на ці питання були знайдені. Виявилося, що алмаз повністю переходить в графіт, якщо його нагріти в безповітряному просторі до температури 1800 градусів. Якщо через вугілля пропускають електричний струм в спеціальній печі, то він перетворюється на графіт при температурі 3500 градусів.

Перетворення - графіту або вугілля в алмаз

Найважче далося людям третього перетворення - графіту або вугілля в алмаз. Майже сто років намагалися здійснити його вчені.

Отримати з графіту алмаз

Першим був, мабуть, шотландський вчений Генней. У 1880 році він почав серію своїх дослідів. Він знав, що щільність графіту - 2,5 грама на кубічний сантиметр, а алмаза - 3,5 грама на кубічний сантиметр. Значить, треба ущільнити укладання атомів і отримати з графіту алмаз, вирішив він. Він брав міцний сталевий гарматний ствол, наповнював його сумішшю вуглеводнів, міцно закривав обидва отвори і розжарював до червоного розжарювання. В розпечених трубах виникало гігантське, за поняттями того часу, тиск. Не раз він розривав надміцні гарматні стволи, як авіаційні бомби. Але все-таки деякі витримали весь цикл нагрівань. Коли вони охололи, Генней знайшов в них кілька темних, дуже міцних кристалів. Я отримав штучні алмази, - вирішив Генней. Штучний алмаз.

Спосіб отримання штучних алмазів

Через 10 років після Генне французький вчений Анрі Муассон піддав стрімкого охолодження насичений вуглецем чавун. Миттєво застигла поверхнева кірка його, при охолодженні зменшуючись в розмірах, піддавала внутрішні шари жахливому тиску. Коли потім Муассон розчиняв в кислотах чавунні ядерця, він знаходив у них крихітні непрозорі кристали. Я знайшов ще один спосіб отримання штучних алмазів! - вирішив винахідник.

Проблема штучних алмазів

Ще через 30 років, проблемою штучних алмазів став займатися англійський учений Парсонс. У його розпорядженні були гігантські преси належали йому заводів. Він стріляв з гармати прямо в дуло іншої зброї, але алмазів йому отримати не вдалося. Втім, вже в багатьох розвинених країнах світу лежали в музеях штучні алмази різних винахідників. І було видано чимало патентів на їх отримання. Але в 1943 році англійські фізики піддали скрупульозної перевірці отримані штучним шляхом алмази. І виявилося, що всі вони не мають нічого спільного зі справжніми діамантами, крім тільки алмазів Генне. Вони виявилися справжніми. Це відразу ж стало загадкою, залишається загадкою і сьогодні.

Перетворення графіту в алмаз

Наступ тривав. На чолі його встав лауреат Нобелівської премії американський фізик Персі Бриджмен. Майже півстоліття займався він удосконаленням техніки надвисоких тисків. І в 1940 році, коли в його розпорядженні опинилися преси, що можуть створювати тиск до 450 тисяч атмосфер, він почав досліди з перетворення графіту в алмаз. Але здійснити це перетворення він не зміг. Графіт, підданий жахливого тиску, залишився графітом. Бриджмен розумів, чого не вистачає його установці: високої температури. Мабуть, в підземних лабораторіях, де створювалися алмази, грала роль і висока температура. Він змінив напрямок дослідів. Йому вдалося забезпечити нагрів графіту до 3 тисяч градусів і тиск до 30 тисяч атмосфер. Це було вже майже те, що, як ми знаємо тепер, необхідно для алмазного перетворення. Але і відсутню «майже» не дозволила Бріджменом досягти успіху. Честь створення штучних алмазів дісталася не йому.

Перші штучні алмази

були отримані англійськими вченими Бенд, Холом, Стронгом і Вентроппом в 1955 році. Вони створювали тиск в 100 тисяч атмосфер і температуру в 5000 градусів. У графіт додавали каталізатори - залізо, ром, марганець і т. Д. І на кордоні графіту і каталізаторів виникли жовто-сірі непрозорі кристали технічних штучних алмазів. Що ж, алмаз йде не тільки на бріліанти, він використовується і на заводах, і на фабриках. Втім, дещо пізніше американські вчені знайшли спосіб отримувати і прозорі кристали алмазу. Для цього грант піддають тиску в 200 тисяч атмосфер, а потім електричним розрядом нагрівання до температури 5 тисяч градусів. Короткочасність розряду - він триває тисячні частки секунди - залишає установку холодної, і алмази виходять чистими і прозорими.

Створення штучних алмазів

Радянські вчені прийшли до створення штучних алмазів своїм шляхом. Радянський фізик О.І. Лейпунський провів теоретичні дослідження і заздалегідь встановив ті температури і тиску, при яких можливо діамантове перетворення графіту. Цифри ці в ті роки - це було в 1939 році - здалися дивними, що стоять за межами досяжного для сучасної техніки: тиск не менше 50 тисяч атмосфер і температура 2 тисячі градусів. І все-таки, за стадією теоретичних розрахунків прийшла пора створення досвідчених конструкцій, а потім і промислових установок. І сьогодні працюють численні пристрої, що випускають штучні алмази та інші, ще більш тверді речовини. Найвище досягнення природи в твердості матеріалу не тільки досягнуто, але вже і перекрито. Така історія відкриття третього перетворення вуглецю, найважливішого для сучасної техніки.

Як алмаз виник в природі

Але що залишилося самого дивного в алмазному перетворенні вуглецю? Те, що вчені досі не розуміють, як алмаз виник в природі! Відомо, що єдиним корінним родовищем алмазів є кімберлітові трубки. Це глибокі циліндричні колодязі діаметром в декілька сот метрів, заповнені синьою глиною - кимберлитом, з якої разом і були винесені на поверхню землі дорогоцінні камені. Оброблений алмаз.

Гіпотеза глибинного народження алмазів

Найбільш ранньою була гіпотеза глибинного народження алмазів. Відповідно до цієї гіпотези, блискучі кристали виділилися з розплавленої магми на глибині близько 100 кілометрів, а потім разом з магмою по тріщинах і розломах повільно піднімалися до поверхні. Ну а з глибини в 2-3 кілометри магма проривала земну кору і виривалася на поверхню, утворюючи кімберлітові трубку.

вибухова гіпотеза

На зміну цій гіпотезі прийшла інша, ймовірно, її слід назвати вибуховою гіпотезою. Її висунули Л. І. Леонтьєв, А. А. Кадемекій, В. С. Трофимов. На їхню думку, алмази виникають на глибині всього 4-6 кілометрів від земної поверхні. А потрібний для виникнення алмазів тиск створюється вибухом, викликаним деякими вибуховими речовинами, які проникли в займані магмою порожнини з навколишніх осадових порід. Це можуть бути нафта, бітуми, горючі гази. Автори гіпотези запропонували кілька варіантів хімічних реакцій, в результаті яких утворюються вибухові суміші і виникає вільний вуглець. Ця гіпотеза пояснювала і високу температуру, необхідну для алмазного перетворення, і гігантське тиск. Але не всі особливості кімберлітових трубок вона пояснювала. Дуже легко було довести, що породи кимберлитовой трубки утворилися при тиску, що не перевищує 20 тисяч атмосфер, але неможливо довести, що вони виникли при більш високому тиску. Сьогодні геофізики досить точно встановили, для яких порід потрібні ті чи інші тиску і температури освіти. Скажімо, постійний супутник алмаза - мінерал піроп - вимагає 20 тисяч атмосфер, алмаз - 50 тисяч. Більше, ніж для піропу, і менше, ніж для алмазу, тиск вимагають коесит, стишовит, пьезоліт. Але ні цих, ні інших порід, які потребують для свого утворення настільки високих тисків, в Кімберлі немає. Єдиний виняток тут - алмаз. Чому це так? Відповісти на це питання вирішив доктор геолого-мінералогічних наук Е. М. Галим. Чому, запитав він себе, тиск в 50 тисяч атмосфер має бути обов'язково властиво всій масі магми, в якій творяться алмази? Адже магма - потік. У ній можливі і вихори, і бистрини, і гідравлічні удари, і бульбашки виникає місцями кавітації.

Гіпотеза народження алмазу в режимі кавітації

Так, саме кавитация! Це дивно неприємне явище, що несе багато бід гідравліки! Кавітація може виникнути на лопатях гідравлічної турбіни, якщо вона хоч трохи вийшла за межі розрахованого режиму. Така ж біда може спіткати і лопаті гідравлічного насоса , Який перейшов на форсований режим. Кавітація може зруйнувати і лопаті пароплавного гвинта, немов би надірватися в боротьбі за швидкість. Вона губить, руйнує, роз'їдає. Так, це найточніше: роз'їдає! Надміцні сталі, які славилися дзеркальним поліруванням поверхонь, перетворюються в рихлу пористу губку. Немов тисячі крихітних нещадних і жадібних ротів рвали по крихтах метал в тому місці, де його погризли кавітація. Та ще ротів, яким «по зубам» легований метал, від якого відскакує напилок! Не мало аварій турбін і насосів, загибелі пароплавів і теплоходів сталося через наявність кавітації. І ста років не пройшло, як розібралися, що ж це таке - кавітація. А дійсно, що ж це таке? Уявімо потік рідини, що рухається в трубі змінного перерізу. Місцями, в звуженнях, швидкість течії зростає, місцями, там, де потік розширюється, швидкість течії падає. Одночасно, але по зворотному закону змінюється тиск всередині рідини: там, де виростає швидкість, різко падає тиск, а там, де швидкість зменшується - тиск зростає. Цей закон обов'язковий для всіх рухомих рідин. Можна уявити, що при деяких швидкостях тиск падає до тієї величини, при якій рідина закипає, і в ній виникають бульбашки пара. З боку здається, що рідина в місці кавітації почала кипіти, її заповнює біла маса крихітних пухирців, вона стає непрозорою. Ось ці-то бульбашки і є головною бідою при кавітації. Як народжуються і як помирають кавитационні бульбашки, ще недостатньо вивчено. Невідомо, заряджені чи внутрішні їх поверхні. Невідомо, як поводиться речовина парів рідини в бульбашці. А Галимову було спочатку невідомо, чи можуть взагалі виникнути кавитационні бульбашки в магмі, що заповнює кімберлітові трубку. Вчений зробив розрахунки. Виявилося, що кавітація можлива при швидкостях течії магми, що перевищують 300 метрів в секунду. Такі швидкості легко отримати для води, але чи може текти з такою ж швидкістю важка, густа, в'язка магма? Знову розрахунки, розрахунки і довгоочікуваний відповідь: так, може! Для неї можливі швидкості і в 500 метрів в секунду. Подальші розрахунки повинні були з'ясувати, чи будуть досягатися в бульбашках потрібні величини температури і тиску - 50 тисяч атмосфер тиску і 1500 градусів температури. І ці розрахунки дали позитивні результати. Середня величина тиску в бульбашці в момент охлопиванія досягала мільйона атмосфер! А максимальний тиск може бути в десять разів більше. Температура ж в цьому бульбашці має величину в 10 тисяч градусів. Що й казати, умови далеко переступили через граничні для алмазного перетворення. Скажемо відразу, умови, які створює кавітаційний бульбашка для зародження алмазу, дуже своєрідні. Крім температур і тисків, за часами виникають в крихітних обсягах цих бульбашок, там проносяться ударні хвилі, виблискують удари блискавок - спалахують електричні іскри. Звуки вириваються за межі вузького ділянки рідини, охопленого кавитацией. З'єднуючись, вони сприймаються як своєрідне гудіння, схоже на те, яке доноситься з закипаючого чайника. Але саме такі умови є ідеальними для зароджується алмазного кристала. Воістину, його народження відбувається в грозі і блискавках. Можна спрощено і опускаючи багато деталей уявити, що відбувається всередині кавітаційного пухирця. Ось підвищився тиск рідини, і кавітаційний бульбашка починає зникати. Рушили до центру його стінки, і від них відразу ж відриваються ударні хвилі. Вони рухаються в ту ж сторону до центру. Не треба забувати про їх особливості. По-перше, вони рухаються з надзвуковою швидкістю, по-друге, за ним залишається вкрай збуджений газ, у якого різко піднялися і тиск, і температура. Так, це та ж сама ударна хвиля, що рухається по шматку палаючого толу і перетворює мирно горіння в лютий, всесокрушітельний вибух. У центрі бульбашки ударні хвилі, що біжать з різних сторін, сходяться. При цьому щільність речовини в цій точці сходження перевершує щільність алмаза. Важко сказати, яку форму там набуває речовина, але воно починає розширюватися. При цьому йому доводиться долати засунений, що вимірюється мільйонами атмосфер. За рахунок цього розширення опинилося в центрі бульбашки речовина охолоджується з десятків тисяч градусів за все до тисячі градусів. І народився в перші миті розширення зародок кристала алмаза відразу потрапляє в область температур, при яких йому вже не загрожує перетворення на графіт. Мало того, новонароджений кристалик починає рости. Таке, по Галимову, таїнство народження рідкісного з творінь природи і дорогоцінного для сучасної техніки кристала, одного з аллотропних станів того самого елемента, якому завдячує своїм існуванням життя на нашій планеті. Але це зовсім інша сторона в долі вуглецю, якому зобов'язані своїм існуванням алмаз, графіт і вугілля.

Рейтинг: 4,8 / 5 - 4 голосів