Чудовий світ алмазів

Історичні відомості. Ім'я першовідкривача вуглецю, що складається в основному з Карбону, невідоме. Невідомо й те, яка з алотропних форм Карбону—алмаз чи графіт — була відкрита раніше. Історія використання людиною цієї речовини сягає у глибочінь століть, у доісторичні часи. Напевно твердити можна лише те, що до алмазу й графіту людина вже знала вугілля. А визнання Карбону хімічним елементом сталося лише у 1/75 p., завдяки роботам французького вченого А. Лавуазьє.

У природі зустрічаються три алотропні форми Карбону: алмаз, графіт і карбін.

Алмаз (від грец. adamas— непохитний, твердий) —кристалічна речовина, тугоплавка, хімічно малоактивна, діелектрик, практично не проводить електричного струму. Кристалічні ґратки атомні (мал. 10.). Зустрічаються кристали безбарвні або забарвлені у жовтий, коричневий, рожево-бузковий, зелений, голубий, синій і чорний колір. Кристали можуть бути прозорі і непрозорі, для них характерний сильний блиск.

У кристалі алмазу кожний атом Карбону з'єднується міцними ковалентними зв'язками з чотирма сусідніми атомами. Такою будовою кристалів пояснюється виключна твердість алмазу. Він найтвердіший з усіх відомих речовин. Завдяки твердості алмаз широко використовується для свердління твердих порід, виготовлення шліфувальних дисків, різців, свердел, різання скла (див. мал. 10) тощо. Для цього застосовують технічні алмази, тобто такі, що містять різні домішки.

Чисті алмази — безбарвні прозорі кристали. їх гранують, шліфують (алмазним порошком) і виготовляють з них діаманти. Прозорі алмази красивого синього, зеленого, червонуватого кольору надто рідкісні й оцінюються дуже високо. Чим більше граней має кристал, тим краще він «грає». Маса діамантів вимірюється каратами (1 карат = 0,2 г).

Найбільший з будь-коли знайдених на Землі алмазів — це алмаз «Куллінан». Його знайшли у 1905 р. Назву він здобув від імені одного із володарів. До огранювання його розмір був з жіночий кулак і маса 3106 каратів, тобто 621 г. Під час обробки алмаз розкололи за напрямом тріщин, що були у ньому, і вирізали 105 діамантів. Найбільший серед них назвали «Зоряна Африка». Він має форму краплі і масу 530 каратів.

Цікаво, що серед індійських алмазів є славнозвісний «Шах» масою 89 каратів, яким перський уряд, щоб «уласкавити білого царя», розплатився за кров відомого російського дипломата і видатного письменника О. С. Грибоедова, полеглого від рук розлюченого натовпу перських фанатиків у 1829 р. у Тегерані —столиці Персії.

Розроблено штучне добування алмазів (1954 р., США) з графіту в умовах високих тисків і температур. Як правило, утворюються дрібні кристали, їх використовують для виготовлення різальних інструментів і як опору для підшипників та інших рухливих частин у точних вимірювальних інструментах. Нині виробляються й синтетичні алмази ювелірної якості. Промисловий синтез алмазів — велике досягнення науки і техніки.

Графіт (від грец. grapho—пишу) —кристалічна речовина, жирна на дотик, сірого або чорного кольору з металічним блиском. Структура графіту шарувата (мал. 11): атоми

Карбону розміщені шарами, що складаються з шестичлені них кілець. У межах одного шару кожний атом Карбоні утворює три хімічні зв'язки з трьома сусідніми атомами. Усі атоми Карбону об'єднуються у макромолекули, які являють собою нескінченні шари із шестичленних кілець.

За рахунок четвертих електронів зовнішнього електронного шару кожного атома Карбону, що не беруть участі й утворенні хімічних зв'язків у площині, виникає загальна система хімічного зв'язку, делокалізованого у межах всієї макромолекули. Цим саме і визначається електрична провідність графіту, темно-сірий колір і металічний блиск.

Шари атомів Карбону об'єднуються у кристалічні ґратки за рахунок міжмолекулярних сил.

Всередині шару графіту зв'язки між атомами ковалентні, доволі міцні, а між шарами діють міжмолекулярні сили, доволі слабкі. Тому графіт легко розшаровується на лусочки. Це робить кристали графіту неміцними, а сам мінерал м'яким. Навіть під час слабкого тертя графіту по паперу на ньому залишається сірий слід. Графіт тугоплавкий(t_пл. = 3800 °С), хімічно дуже стійкий. З нього виготовляють вогнетривкі тиглі, мастила, синтетичні алмази, електроди, обкладки для електролітичних ванн, труби теплообмінників (див. мал. 11). В ядерних реакторах графіт використовують як уповільнювач нейтронів. З графіту роблять грифелі для олівців.

У промисловості, крім природного, використовують штучний графіт. Його добувають з кращих сортів кам'яного вугілля (кокс, антрацит). Процес відбувається в електропечах за температури 2600—3000 °С і тиску 250 МПа без доступу повітря.

Існують ще так звані вуглецеві матеріали (раніше називали «аморфний вуглець»). До них належать вугілля (кокс, деревне вугілля), технічний вуглець (сажа) та ін. Вони не є самостійними алотропними формами Карбону, як це раніше вважалось, бо мікрокристалічна структура їх така сама, як у графіту, але кристали розміщені безладно.

Сажу використовують як наповнювач для гуми і пластмас, пігмент для друкарської фарби, копіювального паперу, стрічки для друкарських машинок та ін.

Кокс використовують у металургії як паливо і відновник.

Застосування деревного вугілля ґрунтується на його здатності притягувати до своєї поверхні молекули речовин з навколишнього середовища (вбирання на поверхні). Таке явище називають адсорбцією. Зрозуміло, що чим більша поверхня, тим сильніша адсорбція. Щоб збільшити поверхню вугілля, його активують — обробляють перегрітою водяною парою для видалення з його пор сторонніх домішок і збільшення поруватості. Таке вугілля називають активованим.

Активоване вугілля чудовий адсорбент (вбирник). Саме тому його використовують у промисловості для очищення газів, вловлювання цінних органічних розчинників, виготовлення протигазів, у медицині —для очищення крові і вбирання шкідливих речовин із шлунково-кишкового тракту.