Bună ziua, dragii noștri cititori! Te-ai întrebat vreodată ce ar putea avea în comun diamantul și grafitul? S-ar părea că un diamant este din ce sunt făcute bijuteriile scumpe, mulțumind ochiul chiar și celui mai rafinat gust. Greu, dur și practic indestructibil. Iar grafitul, principalul element pentru realizarea creioanelor, este foarte fragil și se rupe ușor. Îți amintești cât de des ți s-a rupt stiloul?

Cu toate acestea, ambele minerale sunt legate între ele. Mai mult, recrearea condițiilor speciale face posibilă realizarea procesului de transformare din grafit în diamant și invers.

Citirea articolului vă va permite să aflați ce proprietăți au mineralele prezentate în articol, cum au apărut în primul rând pe Pământ și unde trebuie să mergeți pentru a extrage diamante. Sau, dacă ești mai puțin norocos, grafit și, de asemenea, este posibil să faci diamante și grafit acasă?

Vă dorim lectură plăcută!

Caracteristici ale diamantului și grafitului

Principalele caracteristici distinctive ale unui diamant sunt:

• capacitatea de a refracta și reflecta lumina soarelui, ceea ce îi conferă faimoasa sa strălucire;
• cea mai mare duritate (comparativ cu alte minerale) și fragilitate;
• metastabilitate – capacitatea de a nu-și schimba structura și starea timp de sute de ani în condiții normale;
• conductivitate termică ridicată;
• rezistență ridicată la acizi și alcalii;
• are un coeficient de frecare scăzut;
• dielectric, nu conduce curentul electric.

Astfel de proprietăți ale mineralului devin posibile datorită faptului că structura sa internă are o rețea cristalină complexă, care este un cub sau tetraedru. Structura se bazează pe elementul chimic carbon.

Dacă există impurități în rețeaua sa cristalină, își poate schimba culoarea, ceea ce este familiar tuturor. Astfel, prezența fierului în compoziție conferă mineralului o tentă maro, litiu - galben, aluminiu - albastru, mangan - roz sau roșu (în funcție de concentrație), bor - albastru, crom - verde.

Grafitul este exact opusul diamantului. Structura sa constă dintr-un număr de straturi care la exterior seamănă cu plăci subțiri. Principalul element structural este carbonul. Are o culoare neagră cu o notă de metal. Moale și ușor uleios la atingere.

Are următoarele caracteristici distinctive:

• nu transmite sau refracta lumina;
• conductivitate termică bună;
• capacitate bună de rezistență la foc;
• fragilitate;
• coeficient de frecare scăzut;
• conduce curentul electric;
• poate fi amestecat cu alte substanțe.

În ciuda proprietăților atât de diferite, știința modernă a învățat să producă artificial mineralele prezentate aici una de la cealaltă.

Este diamantul un mineral sau nu?

Pentru a răspunde la această întrebare, să ne dăm seama ce este de fapt un „mineral”. În știința modernă, un mineral este considerat a fi un corp solid de origine naturală care are o structură cristalină, adică aranjarea atomilor este strict ordonată.

Deoarece structura diamantului este un cub sau tetraedru și are o rețea cristalină limpede, acesta poate fi clasificat cu încredere ca un mineral.

Situația este similară cu grafitul, a cărui structură lamelară are și o ordine strictă.

Originea diamantelor și a grafitului

Nu există date exacte și de încredere despre proveniența acestor minerale. Există doar câteva ipoteze, și anume:

1. Ipoteza de origine magmatică
2. Ipoteza originii mantalei
3. Ipoteza originii fluidelor

Primele două teorii sunt cele mai populare și se rezumă la faptul că apariția a avut loc în adâncurile Pământului nostru cu multe milioane de ani în urmă, la o adâncime de o sută până la două sute de kilometri. Cristalele au fost aduse la suprafață ca urmare a exploziilor și erupțiilor vulcanice.

Grafitul, la rândul său, se poate forma și ca urmare a modificărilor din rocile sedimentare.

Un fapt interesant este prezența așchiilor de diamant în meteoriți. Acest lucru sugerează că, pe lângă originea terestră, există și cristale de origine meteoritică aduse din spațiu.

Există o serie de ipoteze despre modul în care s-ar putea forma firimituri în meteoriți. Cea mai populară teorie este că meteoritul în sine nu conține așchii de diamant într-o formă „pură”, ci este doar îmbogățit cu carbon. La impactul cu Pământul, se dezvoltă condiții ideale pentru recrearea mineralului: temperatură ridicată (două până la trei mii de grade) și presiune (de la 5 la 10 GPa). Diamantele formate prin această metodă se numesc impactiți.

Din păcate, cristalele de origine cosmică sunt prea mici pentru minerit industrial și, prin urmare, toate zăcămintele folosite pentru minerit sunt doar de origine naturală.

Principalele depozite

Cele mai mari zăcăminte de diamante sunt situate în Republica Indiană, Federația Rusă, provincia Kimberley (reprezentând 80% din întreaga producție).

Zăcămintele rusești sunt situate în Republica Sakha (Iacuția), Teritoriul Perm și Regiunea Arhangelsk.

Razele X sunt folosite pentru a detecta depozitele de diamante. Căutarea durează decenii. Un număr foarte mic de zăcăminte descoperite conțin minerale de înaltă calitate, suficiente pentru a fi utilizate în industria de bijuterii.

Procesul de exploatare presupune extragerea minereului și zdrobirea lui, separarea rocilor asociate. După aceasta, folosind echipamente speciale, se determină categoriile și clasele materialului extras.

Cele mai mari zăcăminte de grafit sunt situate în regiunea Krasnodar și Ucraina. Depozitele cu material de calitate scăzută sunt situate în Madagascar, Brazilia, Canada și Mexic.

De regulă, se găsește împreună cu roci de calcar, precum apatita și flogopitul, precum și în formațiuni de pneumatolit și anume: cuarț, feldspat, biotit, titanomagnetit.

Domeniul de aplicare

Folosit în multe domenii ale industriei.

• inginerie electrică;
• electronice radio și electronice de putere;
• instalații de foraj;
• producția de bijuterii și accesorii prețioase.

Domeniul de aplicare al grafitului:

• realizarea de echipamente rezistente la foc;
• producția de lubrifianți;
• producția de mine de creion;
• energie nucleară (ca moderator de neutroni);
• producția artificială de diamante.

Cel mai popular domeniu de aplicare este fabricarea de bijuterii. Mineralul prelucrat, numit diamant, are o valoare mare și este foarte popular pe piața de bijuterii. Pentru mulți oameni, este încă o opțiune de investiție excelentă.

Tehnologie pentru producerea diamantelor din grafit

Pentru știința modernă, este un simplu fleac să crești un cristal artificial de diamant. Dacă în condiții naturale se formează sute de milioane de ani, într-un laborator special echipat acest lucru se realizează în mult mai puțin timp.

Principiul producției nenaturale este de a recrea condițiile optime care sunt cele mai favorabile pentru schimbarea formei carbonului. Sunt necesare atât temperatura ridicată (de la 1500 la 3000 de grade), cât și presiunea (mai mulți GPa). Cel mai simplu mod de a-l obține este să pulsați grafitul de căldură la două mii de grade. Prin menținerea presiunii ridicate are loc procesul de transformare a grafitului în diamante. În același timp, când presiunea scade, începe procesul invers, în care un mineral se transformă în altul.

În acest sens, pentru a obține un cristal de diamant, este necesar să se mențină stabil parametrii de temperatură și presiune ridicate pentru o perioadă lungă de timp. Acest lucru face ca tehnologia de conversie să fie consumatoare de energie și costisitoare. În plus, acest proces produce numai diamant industrial, care este nepotrivit pentru utilizare în bijuterii.

Din aceste motive, producția de diamante nenaturale este considerată neprofitabilă în comparație cu mineritul.

Producția de grafit artificial

Există următoarele tipuri de grafiți artificiali: furnal, cocs, retortă, Acheson.

Cel mai popular tip nenatural este coca-cola. Metoda de producție presupune obținerea unei mase dense de carbon din nisip și cocs, arderea acesteia, asociată cu carbonizarea. În ultima etapă are loc cristalizarea (grafitizarea). Pentru a reduce porozitatea, mineralul rezultat este impregnat cu rășini sintetice și se repetă prăjirea. Fiecare ciclu repetat reduce semnificativ porozitatea. Pot exista până la cinci cicluri în total.

Un dezavantaj semnificativ al grafitului artificial este conținutul de diverse impurități și, în consecință, „puritatea” scăzută.

Asta e tot! Vă mulțumesc foarte mult pentru interes și atenție! Nu uita să recomanzi acest articol prietenilor tăi de pe rețelele de socializare!

Echipa LyubiKamni

Bakaeva Anastasia

Totul a început cu un simplu creion! Sau mai bine zis, din miezul ei. La ora de fizică am abordat subiectul „Structura corpurilor solide, lichide și gazoase” și s-a dovedit că carbonul, grafitul și diamantul sunt „rude”. Dar cum poate fi, pentru că carbonul este un gaz, iar grafitul și diamantul sunt substanțe solide cu rețele de cristal, dar grafitul „scrie”, iar diamantul este atât de dur încât poate tăia sticla și metalele și poate decora bijuterii! Ne-am interesat. Se pare că miezul (plumbul) unui creion simplu este un amestec special prelucrat de grafit, argilă și ceară. Când desenăm, rețeaua cristalină de grafit se separă și atomii săi se află la suprafață în planuri hexagonale, iar grafitul nu este inclus în creioanele colorate! Doar pentru referință, voi da compoziția aproximativă a unui creion colorat: plastifiant colorant organic (stearina, de exemplu, din care se fac lumânări) talc (apropo, cel mai moale mineral de pe scara Mohs) caolin (argilă albă, este este folosit în producția de porțelan și, de asemenea, în cosmetică ) Adezivul CMC (carboximetilceluloză) este liantul aici. Oh ce interesant! Am pregătit un scurt mesaj despre un creion, iar profesorul a sugerat extinderea acestui subiect și transformarea lui într-un proiect de cercetare.

Descărcați:

Previzualizare:

Instituția de învățământ municipală „Școala secundară nr. 2, Erșov, regiunea Saratov”

Proiect de cercetare

Carbon, grafit, diamant

Bakaeva Anastasia

8 clasa "A".

şef: profesor de fizică categoria I Filippova E.V.

2015

Introducere

Totul a început cu un simplu creion! Sau mai bine zis, din miezul ei. La ora de fizică am abordat subiectul „Structura corpurilor solide, lichide și gazoase” și s-a dovedit că carbonul, grafitul și diamantul sunt „rude”. Dar cum poate fi, pentru că carbonul este un gaz, iar grafitul și diamantul sunt substanțe solide cu rețele de cristal, dar grafitul „scrie”, iar diamantul este atât de dur încât poate tăia sticla și metalele și poate decora bijuterii! am devenit interesat. Se pare că miezul (plumbul) unui creion simplu este un amestec special prelucrat de grafit, argilă și ceară. Când desenăm, rețeaua cristalină a grafitului se separă, iar atomii săi se află la suprafață în planuri hexagonale și înGrafitul nu este inclus în creioanele colorate! Doar pentru referință, voi oferi compoziția aproximativă a unui creion colorat:

• Colorant organic
• plastifiant (stearina, de exemplu, din care sunt făcute lumânări)
• talc (apropo, cel mai moale mineral de pe scara Mohs)
  caolin (argila albă, este folosită în producția de porțelan și, de asemenea, în cosmetică)
• Adezivul CMC (carboximetilceluloză) este liantul aici.

Oh ce interesant!

Am pregătit un scurt mesaj despre creion, iar profesorul a sugerat extinderea acestui subiect și transformarea lui într-un proiect de cercetare.

Obiectivele muncii:

Studiați structura și proprietățile fizice ale carbonului, grafitului și diamantului

Aflați despre utilizarea carbonului, grafitului și diamantului în tehnologie, industrie, producție de bijuterii și știință

Aflați despre crearea diamantelor artificiale

Sarcini

Creați ajutoare vizuale pentru studiul solidelor cristaline (rețele cristaline)

Crește-ți propriul cristal de sulfat de cupru (are și o rețea cristalină, cum ar fi grafitul, diamantul și chiar sare și zahăr...)

Informații istorice.

Grafitul, diamantul și carbonul sunt cunoscute din cele mai vechi timpuri. Se știe de mult timp că grafitul poate fi folosit pentru a marca alte materiale, iar denumirea în sine „grafit”, care provine din cuvântul grecesc care înseamnă „a scrie”, a fost propus de A. Werner în 1789. Cu toate acestea, istoria grafitului este complicată substanțe cu proprietăți fizice externe similare au fost adesea confundate cu acesta, cum ar fi molibdenitul (sulfura de molibden), considerat la un moment dat grafit. Alte nume pentru grafit includ „plumb negru”, „fier carburat” și „plumb argintiu”. În 1779, K. Scheele a stabilit că grafitul poate fi oxidat cu aer pentru a forma dioxid de carbon. Diamantele și-au găsit prima utilizare în India, iar în Brazilia pietrele prețioase au devenit importante din punct de vedere comercial în 1725; zăcăminte din Africa de Sud au fost descoperite în 1867. În secolul al XX-lea. Principalii producători de diamante sunt Africa de Sud, Zair, Botswana, Namibia, Angola, Sierra Leone, Tanzania și Rusia. Diamantele artificiale, a căror tehnologie a fost creată în 1970, sunt produse în scopuri industriale.„Carbonul apare în natură atât în ​​stare liberă, cât și în stare combinată, în forme și tipuri foarte diferite. În stare liberă, carbonul este cunoscut sub cel puțin trei forme: cărbune, grafit și diamant. În starea de compuși, carbonul face parte din așa-numitele substanțe organice, adică. multe substanțe găsite în corpul fiecărei plante și animale. Se găsește sub formă de dioxid de carbon în apă și aer și sub formă de săruri de dioxid de carbon și reziduuri organice în sol și masa scoarței terestre. Varietatea substanțelor care alcătuiesc corpul animalelor și plantelor este cunoscută de toată lumea. Ceară și ulei, terebentină și rășină, hârtie și proteine ​​de bumbac, țesut celular vegetal și țesut muscular animal, acid tartric și amidon - toate acestea și multe alte substanțe incluse în țesuturile și sucurile plantelor și animalelor sunt compuși de carbon. Zona compușilor de carbon este atât de mare încât constituie o ramură specială a chimiei, adică chimia carbonului sau, mai bine, a compușilor de hidrocarburi.”

Carbon

Plantele extrag carbonul din dioxidul de carbon - dioxid de carbon - din atmosferă și îl folosesc ca material de construcție pentru rădăcini, tulpini și frunze. Animalele îl obțin mâncând aceste plante. Și în sol se acumulează în timpul descompunerii corpurilor creaturilor moarte. Dintre toate formele de carbon pur, cea mai cunoscută, și poate cea mai valoroasă pentru oameni, este cărbunele. Are aproximativ 4/5 atomi de carbon, restul fiind hidrogen și alte elemente. Valoarea cărbunelui provine din proprietățile chimice ale carbonului, principala fiind că reacţionează ușor cu oxigenul. Acest proces are loc atunci când cărbunele este ars în aer, eliberând o cantitate mare de energie termică care poate fi folosită pentru o varietate de scopuri. Cu toate acestea, carbonul în natura neînsuflețită poate fi găsit nu numai sub formă de cărbune. Alte două forme ale existenței sale în forma sa pură, puternic diferite una de cealaltă, sunt grafitul și diamantul. Grafitul este foarte moale și gras la atingere. Servește ca un lubrifiant excelent pentru multe mecanisme. Și, după cum știți, mine de creion sunt făcute din el. În acest caz, grafitul este amestecat cu argilă pentru a-i reduce moliciunea. Diamantele, pe de altă parte, sunt cele mai dure substanțe cunoscute de om. Ele sunt folosite pentru a crea tăietori deosebit de rezistenti, precum și bijuterii. Atomii de carbon pot forma legături între ei și cu atomii altor elemente. Rezultatul este o mare varietate de compuși de carbon. Carbonul este inclus în compoziția plantelor și animalelor (~18%). Ciclul carbonului în natură include ciclul biologic, eliberarea de CO 2 în atmosferă în timpul arderiicombustibil fosil, din gaze vulcanice, izvoare minerale fierbinți, din straturile de suprafață ale apelor oceanice etc. Ciclul biologic este format din carbon sub formă de CO 2 este absorbit din troposfera plantelor. Apoi de labiosferă revine lageosferă: cu plantele, carbonul intră în corpul animalelor și al oamenilor, iar apoi, în timpul degradării materialelor animale și vegetale, în sol și sub formă de CO 2 - în atmosferă. În stare de vapori și sub formă de compuși cuazot Şi hidrogen carbon găsit în atmosferăSoare , planete, se găsește în piatră și fiermeteoriți . Carbonul reacționează cu multe elemente pentru a forma carburi (Carburile sunt compușimetale Şi nemetale Cu carbon ). Carbonul este utilizat pe scară largă în metalurgie. (Metalurgia este un set de industrii interconectate și etape ale procesului de producție din mineritmaterii primeînainte de lansarea produselor finite -negru Şi metale neferoase si ei aliaje ). Datorită capacității carbonului de a forma lanțuri polimerice, există o clasă uriașă de compuși pe bază de carbon, care sunt mult mai numeroși decât cei anorganici și care sunt studiati de cătrechimie organică . Printre acestea se numără cele mai extinse grupuri:hidrocarburi, veverite , grăsimietc Carbonul joacă un rol uriaș în viața umană. Aplicațiile sale sunt la fel de variate ca și acest element cu multe fețe în sine. Carbonul este baza tuturor substanțelor organice. Orice organism viu este format în mare parte din carbon. Carbonul este baza vieții. Sursa de carbon pentru organismele vii este de obicei dioxidul de carbon din atmosferă sau apă. Prin fotosinteză, intră în lanțurile trofice biologice în care viețuitoarele se devorează unele pe altele sau se devorează reciproc, obținând astfel carbon pentru a-și construi propriile corpuri. Ciclul biologic al carbonului se încheie fie prin oxidare și întoarcere în atmosferă, fie prin îngropare sub formă de cărbune sau petrol. Carbonul sub formă de combustibili fosili:cărbune Şi hidrocarburi(ulei , gaz natural ) - una dintre cele mai importante surseenergie pentru umanitate . Carbonul din industria oțelului este una dintre cele mai importante componente ale aliajelor fier-carbon (producție fontă Şi oţel ). Carbonul face parte din aerosolii atmosferici, drept urmare climatul regional se poate schimba și numărul de zile însorite poate scădea. Particulele de carbon absorb radiația solară, ceea ce poate provoca încălzirea suprafeței Pământului. Carbonul intră în mediul înconjurător sub formă de funingine în gazele de eșapament ale vehiculelor, la arderea cărbunelui la centralele termice (centrale termice), în timpul exploatării cărbunelui în cariere, gazeificarea acestuia în subteran, producerea de concentrate de cărbune etc. concentrația deasupra surselor de ardere este de 100-400 μg/m³, orașele mari 2,4-15,9 µg/m³, zonele rurale 0,5 - 0,8 µg/m³. Cu emisiile de aerosoli de gaz de la centralele nucleare, (6-15) 10 intră în atmosferă 9 Bkg/zi dioxid de carbongaz. Conținutul ridicat de carbon în aerosolii atmosferici duce la creșterea morbidității în rândul populației, în specialtractului respirator superiorŞi plămânii . Boli profesionale - în principal antracoză și prafbronşită. Conținutul maxim de carbon unic în aerul atmosferic este de 0,15, media zilnică este de 0,05 mg/m³. Efectul toxic al carbonului inclus în moleculele proteice (în special în ADN șiARN ), este determinată de efectul de radiație al particulelor beta și al nucleelor ​​de recul de azot și efectul de transmutare - o modificare a compoziției chimice a moleculei ca urmare a transformării unui atom de carbon într-un atom de azot.

Grafit

Diamant

Pentru trecerea directă a grafitului la diamant, sunt necesare condiții și mai extreme în comparație cu metoda metal-solvent. Acest lucru se datorează stabilității mari a grafitului datorită legăturilor foarte puternice ale atomilor săi.

Rezultatele primelor experimente privind transformarea directă grafit-diamant, efectuate de P. DeCarlne și J. Jamieson de la Allied Chemical Corporation, au fost publicate în 1961.

Pentru a crea presiune, a fost folosit un exploziv de mare putere, cu ajutorul căruia s-a menținut o temperatură de aproximativ 1200 ° C și o presiune de aproximativ 300.000 atm timp de aproximativ o milione de secundă (o microsecundă, a o anumită cantitate de diamant a fost găsită în proba de grafit după experiment, deși sub formă de particule foarte mici. găsit în meteoriți, a căror formare se explică prin influența unei puternice unde de șoc care apare atunci când un meteorit lovește suprafața pământului.

În 1963, Francis Bundy de la General Electric a reușit să transforme direct grafitul în diamant la presiuni statice care depășesc 130.000 atm. Astfel de presiuni au fost obținute folosind o instalație de centură modificată cu o suprafață exterioară mai mare a pistoanelor și o deplasare mai mică. Pentru a crea astfel de presiuni, a fost necesară creșterea rezistenței părților de putere ale Instalației.

Experimentele au implicat încălzirea cu scânteie a unei bare de grafit la temperaturi de peste 2000 ° C. Încălzirea a fost efectuată prin impulsuri de curent electric, iar temperatura necesară pentru formarea diamantului a fost menținută timp de câteva milisecunde (mii de secundă), adică, semnificativ mai lung decât în ​​experimentele lui De- Carly și Jamison.

Dimensiunile particulelor nou formate au fost de 2-5 ori mai mari decât cele obținute în timpul compresiei de șoc. Ambele serii de experimente au furnizat parametrii necesari pentru construirea unei diagrame de fază a carbonului, arătând grafic intervalele de temperatură și presiune la care diamantul, grafitul și topitura sunt stabile.

Experimente interesante au fost efectuate de Bundy și J. Kasper, care au folosit monocristale de grafit în loc de material ttolycristalin. Cristalele de diamant din primele lor experimente aveau structura cristalină cubică obișnuită.

De-Carli și Jamieson au atras, de asemenea, atenția asupra faptului că transformarea în diamant are loc mai ușor atunci când particulele de grafit din probe au o alungire de-a lungul așa-numitei axe c, adică perpendiculară pe straturile hexagonale. Când Bundy și Kasper au plasat cristale simple astfel încât presiunea să fie aplicată de-a lungul axei c și au măsurat rezistența electrică a cristalelor sub presiune, au descoperit că rezistența a crescut atunci când a fost atinsă o presiune de 140.000 atm.

Acest lucru a fost asociat cu tranziția grafitului în diamant, deși atunci când presiunea a fost îndepărtată, a avut loc transformarea inversă în grafit. Cu toate acestea, când această procedură a fost însoțită de încălzirea probei la 900 °C și mai mult, s-au format cristaliți dintr-o nouă fază de înaltă presiune, având o structură hexagonală mai degrabă decât cea obișnuită cubică.

Carbonul hexagonal a fost găsit ocazional și în probele naturale, în special în meteoriți. A fost numit lonsdeplit în onoarea lui Kathleen Lonsdale de la Universitatea din Londra pentru marile sale servicii în domeniul cristalografiei, în special în studiul diamantului.

În 1968 lui G. R. Cowan. B. W. Dunnington și A. H. Holtzman de la compania DuPont de Nemur li s-a eliberat un brevet pentru un nou proces constând în comprimarea prin șoc a blocurilor metalice, cum ar fi piese turnate de fier care conțin mici incluziuni de grafit (la presiuni care depășesc 1 milion atm.)

Metalul, care are o compresibilitate mai mică decât grafitul, acționează ca un frigider, o incluziune de răcire foarte rapidă.

Acest lucru împiedică diamantul format de unda de șoc să revină la grafit după trecerea undei de șoc, o tendință tipică pentru experimentele cu cristale simple sub compresie la rece. Produsul final obținut prin această tehnologie este carbonul parțial hexagonal, ceea ce confirmă și tendința lonsdaleitei de a se forma în condiții de presiuni foarte mari și temperaturi relativ scăzute. Materialul astfel produs este folosit ca pulbere de măcinat.

Din când în când, sunt raportate studii menite să modifice una sau alta dintre aceste metode. Astfel, L. Trueb a folosit principiul De-Carli-Jamison pentru a crea o presiune de 250.000-450.000 atm timp de 10-30 μs, însoțită de încălzire după impact la 1100 ° C. Grafitul a fost folosit sub formă de particule cu diametrul de 0,5-5 microni, iar diamantele rezultate au avut aceleași dimensiuni.

Cu toate acestea, s-a stabilit că aceste particule sunt formate din diamante cubice foarte mici (de la 10-40 la 100-1600 A). În prezent, nu există indicii că produsele Allied Chemical Corporation sunt comercializate.

Metoda dezvoltată de această companie necesită îmbunătățiri suplimentare pentru a concura cu succes cu metoda solvenților și metoda DuPont de Nemur. Un avantaj potențial al metodelor de compresie la șoc este că explozia este o modalitate ieftină de a crea presiuni ridicate.

Cum este diferit grafitul de diamant?

Atât diamantul, cât și grafitul sunt modificări ale carbonului.

Diamant:

Grafit:

Cu toate acestea, există o mulțime de diferențe:

1. Diamantul este cea mai dura substanță cunoscută (10 pe scara Mohs), grafitul este una dintre cele mai moi (1-2).

2. Diamant - modificarea polimorfă cubică cristalină a carbonului nativ.
densitate de aproximativ 3,5 g/cc, cel mai mare indice de refracție dintre pietrele prețioase (2,417). semiconductor. Cristalele mari transparente de diamant sunt pietre prețioase de primă clasă.

Grafit - cea mai comună și mai stabilă modificare polimorfă hexagonală a carbonului din scoarța terestră. structura stratificata. densitate aprox. 2,2 g/cm3. ignifugă, conductoare electric, rezistentă chimic.

3. Diferența este vizibilă și atunci când se analizează crearea de diamante artificiale: tehnologia de producere a diamantelor artificiale este destul de complexă. Diamantele sunt sintetizate la o temperatură de 1200-2000°C și o presiune de 1000-5000 MPa (50-60 mii atmosfere) din pulbere de grafit amestecată cu pulbere de fier, nichel și crom. Diamantele cristalizează datorită faptului că topitura la presiuni mari nu este saturată în raport cu grafitul și suprasaturată în raport cu diamantele.

Apropo, grafitul poate fi obținut și artificial: încălzirea antracitului fără acces la aer.

4. Diamantele sunt de obicei fluorescente în razele X și razele ultraviolete. Diamantele sunt transparente la razele X. acest lucru facilitează identificarea diamantelor: unele pahare și minerale incolore, uneori similare ca aspect, sunt opace la razele X de aceeași lungime de undă și intensitate.

5. Despre rețeaua cristalină:

Diferența este vizibilă cu ochiul liber. R Grila de diamant este foarte durabilă: atomii de carbon sunt localizați în el la locurile a două rețele cubice cu fețe centrate, foarte strâns introduse una în alta (a = 3,5595 A).

Cât despre grafit: legătura dintre atomi este puternică, de tip covalent; între straturi - slab, tip de metal rezidual.

Introducere

Industria diamantelor din țara noastră se află în stadiu de dezvoltare, introducând noi tehnologii de prelucrare a mineralelor.

Depozitele de diamante găsite sunt dezvăluite doar prin procese de eroziune. Pentru un explorator, asta înseamnă că există multe depozite „oarbe” care nu ajung la suprafață. Prezența lor poate fi recunoscută după anomaliile magnetice locale detectate, a căror margine superioară este situată la o adâncime de sute și, dacă aveți noroc, la zeci de metri. (A. Portnov).

Pe baza celor de mai sus, pot judeca perspectivele de dezvoltare a industriei diamantelor. De aceea am ales subiectul - „Diamant și grafit: proprietăți, origine și semnificație”.

În munca mea, am încercat să analizez legătura dintre grafit și diamant. Pentru a face acest lucru, am comparat aceste substanțe din mai multe puncte de vedere. Am trecut în revistă caracteristicile generale ale acestor minerale, tipurile industriale ale zăcămintelor lor, tipurile naturale și tehnice, dezvoltarea zăcămintelor, domeniile de aplicare și semnificația acestor minerale.

În ciuda faptului că grafitul și diamantul sunt polari în proprietățile lor, ele sunt modificări polimorfe ale aceluiași element chimic - carbonul. Polimorfii, sau polimorfii, sunt substanțe care au aceeași compoziție chimică, dar o structură cristalină diferită. Odată cu începutul sintezei diamantelor artificiale, interesul pentru studiul și căutarea modificărilor polimorfe ale carbonului a crescut brusc. În prezent, pe lângă diamant și grafit, lonsdaleitul și haotita pot fi considerate stabilite în mod fiabil. Primul în toate cazurile a fost găsit doar în intergrowth strâns cu diamantul și, prin urmare, este numit și diamant hexagonal, iar al doilea se găsește sub formă de plăci alternând cu grafitul, dar situat perpendicular pe planul său.

Polimorfi de carbon: diamant și grafit

Singurul element care formează minerale din diamant și grafit este carbonul. Carbonul (C) este un element chimic din grupa IV a sistemului periodic de elemente chimice al lui D.I Mendeleev, număr atomic - 6, masă atomică relativă - 12.011 (1). Carbonul este stabil în acizi și alcaline și este oxidat doar de dicromat de potasiu sau de sodiu, clorură ferică sau aluminiu. Carbonul are doi izotopi stabili C (99,89%) și C (0,11%). Datele privind compoziția izotopică a carbonului arată că acesta provine din origini diferite: biogene, nebiogene și meteoritică. Varietatea compușilor de carbon, explicată prin capacitatea atomilor săi de a se combina între ei și atomii altor elemente în diferite moduri, determină poziția specială a carbonului între alte elemente.

Caracteristicile generale ale diamantului

Cuvântul „diamant” ne aduce imediat în minte povești secrete despre vânătoare de comori. Pe vremuri, oamenii care vânau diamante habar n-aveau că obiectul pasiunii lor era carbonul cristalin, care formează funingine, funingine și cărbune. Acest lucru a fost dovedit pentru prima dată de Lavoisier. El a experimentat arderea diamantelor folosind o mașină incendiară asamblată special pentru acest scop. S-a dovedit că diamantul arde în aer la o temperatură de aproximativ 850-1000*C, fără a lăsa reziduuri solide, ca cărbunele obișnuit, iar într-un curent de oxigen pur arde la o temperatură de 720-800*C. Când este încălzită la 2000-3000*C fără acces la oxigen, se transformă în grafit (acest lucru se explică prin faptul că legăturile homeopolare dintre atomii de carbon din diamant sunt foarte puternice, ceea ce determină un punct de topire foarte ridicat.

Diamantul este o substanță cristalină incoloră, transparentă, care refractă extrem de puternic razele de lumină.

Atomii de carbon din diamant sunt într-o stare de hibridizare sp3. În starea excitată, electronii de valență din atomii de carbon sunt perechi și se formează patru electroni neperechi.

Fiecare atom de carbon din diamant este înconjurat de alți patru, situate departe de el de centru, la vârfurile tetraedrului.

Distanța dintre atomi din tetraedre este de 0,154 nm.

Puterea tuturor conexiunilor este aceeași.

Întregul cristal este un singur cadru tridimensional.

La 20*C, densitatea diamantului este de 3,1515 g/cm. Așa se explică duritatea sa excepțională, care variază de-a lungul marginilor și scade în succesiunea: octaedru - dodecaedru rombic - cub. În același timp, diamantul are un clivaj perfect (de-a lungul octaedrului), iar rezistența sa la încovoiere și la compresiune este mai mică decât cea a altor materiale, astfel încât diamantul este fragil, se rupe cu un impact puternic și, atunci când este zdrobit, se transformă relativ ușor în pulbere. . Diamantul are duritate maximă. Combinația acestor două proprietăți îi permite să fie utilizat pentru unelte abrazive și alte instrumente care funcționează sub presiune specifică semnificativă.

Indicele de refracție (2,42) și dispersia (0,063) ale diamantului le depășesc cu mult pe cele ale altor minerale transparente, care, combinate cu duritatea maximă, determină calitatea sa de piatră prețioasă.

Impuritățile de azot, oxigen, sodiu, magneziu, aluminiu, siliciu, fier, cupru și altele se găsesc în diamante, de obicei în miimi de procent.

Diamantul este extrem de rezistent la acizi și alcaline, nu este umezit de apă, dar are capacitatea de a adera la unele amestecuri de grăsimi.

Diamantele se găsesc în natură atât sub formă de cristale individuale bine definite, cât și sub formă de agregate policristaline. Cristalele formate corect arată ca poliedre cu fețe plate: octaedru, dodecaedru rombic, cub și combinații ale acestor forme. Foarte des există numeroase etape de creștere și dizolvare pe fațetele diamantelor; dacă nu sunt vizibile cu ochiul, marginile apar curbate, sferice, sub formă de octaedroid, hexaedroid, cuboid și combinații ale acestora. Diferitele forme ale cristalelor se datorează structurii lor interne, prezenței și naturii distribuției defectelor, precum și interacțiunii fizico-chimice cu mediul care înconjoară cristalul.

Dintre formațiunile policristaline se remarcă ballas, carbonado și board.

Balasele sunt formațiuni sferulitice cu structură radială. Carbonado - agregate criptocristaline cu dimensiunea cristalelor individuale 0,5-50 microni. Placa este din agregate clare. Ballas și mai ales carbonado au cea mai mare duritate dintre toate tipurile de diamante.

Fig.1

Fig.2

Caracteristicile generale ale grafitului

Grafitul este o substanță cristalină gri-negru, cu un luciu metalic, gras la atingere și este inferioară ca duritate chiar și hârtiei.

Structura grafitului este stratificată, în interiorul stratului atomii sunt legați prin legături mixte ionic-covalente, iar între straturi prin legături esențial metalice.

Atomii de carbon din cristalele de grafit sunt în hibridizare sp2. Unghiurile dintre direcțiile de legătură sunt egale cu 120*. Rezultatul este o grilă formată din hexagoane regulate.

Când este încălzit fără acces la aer, grafitul nu suferă nicio modificare până la 3700 * C. La temperatura specificată, este expulzat fără să se topească.

Cristalele de grafit sunt de obicei plăci subțiri.

Datorită durității sale scăzute și clivajului foarte perfect, grafitul lasă cu ușurință o urmă pe hârtie care este grasă la atingere. Aceste proprietăți ale grafitului se datorează legăturilor slabe dintre straturile atomice. Caracteristicile de rezistență ale acestor legături sunt caracterizate de căldura specifică scăzută a grafitului și punctul său de topire ridicat. Datorită acestui fapt, grafitul are o rezistență la foc extrem de ridicată. În plus, conduce bine electricitatea și căldura, este rezistent la mulți acizi și alte substanțe chimice, se amestecă ușor cu alte substanțe, are un coeficient de frecare scăzut și o capacitate mare de lubrifiere și de acoperire. Toate acestea au condus la o combinație unică de proprietăți importante într-un singur mineral. Prin urmare, grafitul este utilizat pe scară largă în industrie.

Conținutul de carbon din agregatul mineral și structura grafitului sunt principalele caracteristici care determină calitatea. Grafitul este adesea numit un material care, de regulă, nu este doar monocristalin, ci și monomineral. Ele înseamnă în principal forme agregate de substanță de grafit, grafit și roci care conțin grafit și produse de îmbogățire. Pe lângă grafit, ele conțin întotdeauna impurități (silicați, cuarț, pirit etc.). Proprietățile unor astfel de materiale de grafit depind nu numai de conținutul de carbon grafit, ci și de dimensiunea, forma și relațiile reciproce ale cristalelor de grafit, de exemplu. asupra caracteristicilor texturale și structurale ale materialului utilizat. Prin urmare, pentru a evalua proprietățile materialelor de grafit, este necesar să se ia în considerare atât caracteristicile structurii cristaline a grafitului, cât și caracteristicile texturale și structurale ale celorlalte componente ale acestora.

Fig.3.

În acest articol:

„În ce scopuri sunt folosite diamantul și grafitul?” - această întrebare cu greu este pusă de niciunul dintre oamenii care manifestă interes doar pentru învelișul mineralelor. Într-adevăr, ce poate lega două substanțe cu proprietăți atât de diferite? Diamantul este un mineral dur, ale cărui depozite sunt rare în natură. Grafitul este unul dintre cele mai moi minerale; depozitele sale se găsesc în multe părți ale lumii. S-ar părea că nu există nicio legătură între aceste substanțe, dar de fapt nu este cazul - înțelegerea acestui fapt ne permite nu numai să înțelegem unde și în ce scop sunt utilizate, ci și cum se face acest lucru.

Caracteristici fizice și chimice

Diamantul este un mineral transparent, de formă cristalină. Există diamante colorate roșu, albastru și negru. Un diamant tăiat devine un diamant, valoarea lui crește, dar acest lucru nu afectează proprietățile substanței.

Relația „diamant artificial - grafit”

Mineralul este o modificare alotropică a carbonului. Ocupă locul 10 pe scara de duritate Mohs și, prin urmare, este considerat cel mai dur dintre toate mineralele. Aceasta este diferența dintre diamant și grafit, chiar dacă pot fi derivate unul de celălalt.

Diamantul reflectă și refractă lumina mai bine decât alte minerale. Densitatea mineralului este de 3,4-3,5 g/cm3. Capacitatea de a conduce căldura fluctuează la 2300 W. Coeficientul de frecare pentru metal este 0,1, ceea ce se explică prin prezența unei pelicule de gaz adsorbit pe diamant. - 4000 de grade Celsius, in timp ce trebuie supus la o presiune de 11 GPa.

Procesul de ardere minerală începe atunci când temperatura aerului atinge 800-1000 de grade. Când oxigenul pur participă la reacția de ardere, diamantul se aprinde ca propanul. În timpul procesului de ardere, apare o flacără albastră.

Atomii și moleculele rețelei cristaline de diamant sunt interconectate prin legături puternice în vrac, formând un tetraedru obișnuit. Fiecare atom dintr-un astfel de tetraedru este înconjurat de alți atomi care formează partea superioară a tetraedrelor situate în apropiere. Astfel, fiecare dintre tetraedre face parte din toate tetraedrele, ceea ce determină duritatea și indestructibilitatea diamantului. Diamantul și grafitul au structuri de zăbrele diferite.

Spre deosebire de diamant, grafitul nu este un cristal. Mineralul este un set de plăci de culoare neagră cu o tentă gri. Aspectul mineralului seamănă cu oțelul. Grafitizarea grafitului are loc în aliajele metalice care conțin carburi de carbon instabile. La contactul cu grafitul, simți prezența grăsimii, dar aceasta este moale și se sfărâmă ușor, lăsând pete negre.

Mineralul este un conductor de căldură și electricitate. Fiind o modificare polimorfă a carbonului, este similar în multe privințe. O caracteristică distinctivă este structura rețelei moleculare. Rețeaua de grafit este plată. Toți atomii de grafit sunt localizați într-un singur plan, reprezentat de un număr de hexagoane care au legături slabe între ele. Această structură de zăbrele face mineralul moale și stratificat, ceea ce îi permite să fie utilizat în diverse domenii de activitate.

În plus, această structură cu zăbrele face posibilă transformarea grafitului în diamant. Desigur, o astfel de transformare necesită condiții precum temperatura și presiunea aerului. Procesul poate fi inversat: trecerea diamantului la grafit are loc în timpul expunerii termice și presiunii.

Aplicații

Diamantul este cel mai dur dintre toate mineralele. Decupează sticlă, lemn, metal și obiecte fabricate din substanțe cu duritate inferioară diamantului. Această abilitate extinde zonele limitate anterior exclusiv la fabricarea de bijuterii.

Grafitul este un mineral moale, dar tocmai acesta este ceea ce îl face indispensabil în industrie, arhitectură și chiar în artă.

Diamant

Până la mijlocul secolului trecut, diamantele erau folosite exclusiv ca decor. Pietrele au fost prelucrate și folosite ca înlocuitor al banilor. Trebuie remarcat faptul că primele încercări de modelare a diamantului nu au avut succes. nu a permis utilizarea obiectelor din metal, piatră sau lemn pentru prelucrarea acestuia. În procesul de cercetare, s-a putut afla că tăierea diamantelor trebuie efectuată cu aceeași substanță durabilă, adică diamantul în sine. Acest tip de descoperire a sugerat posibilitatea folosirii diamantelor în alte zone.

Astăzi, diamantele sunt folosite în:

1. Constructii. Crearea burghiilor cu diamant a ușurat lucrul cu structuri din beton și oțel. Diamantele sunt o parte importantă a burghiilor, sculelor de tăiere și demontare. Utilizarea mineralelor previne apariția fisurilor, ceea ce este deosebit de important la așezarea tunelurilor, așezarea țevilor și la construirea clădirilor. Burghiile și ferăstrăile cu diamant taie beton, oțel, granit, marmură și șlefuiesc piatră zdrobită. În această zonă, diamantul și grafitul nu sunt comparabile, dar din nou sunt interdependente.
2. Confecţionarea instrumentelor. Multe dispozitive conțin o particulă de praf de diamant sau diamante întregi.
3. Domenii de inginerie mecanică. Diamantele sunt cel mai des folosite la strunjirea uneltelor metalice.
4. Zona spațială. Crearea de telescoape precise este imposibilă fără utilizarea pieselor de diamant.
5. Chirurgie. Instrumentul principal al chirurgului este un bisturiu, a cărui grosime și claritate determină în mare măsură succesul operației. Bisturiile cu diamante fac față perfect acestei sarcini. Laserele dezvoltate pe cristale, a căror substanță conducătoare este diamantul, merită o atenție deosebită.
6. Telecomunicatii si electronica. Diamantele sunt, de asemenea, folosite pentru a permite semnalelor de diferite frecvențe să circule printr-un cablu. Utilizarea lor în această zonă este asociată cu capacitatea de a rezista la temperaturi ridicate și supratensiuni.
7. Ştiinţă. Mineralul neutralizează efectele unui mediu agresiv, motiv pentru care este folosit ca element protector. Diamantul este o parte integrantă a experimentelor efectuate în domenii precum fizica cuantică, optică și crearea laserelor.
8. Minerit. Dispozitivele, a căror parte principală este diamantul, sunt utilizate în forarea minelor, extragerea petrolului, cărbunelui și gazului.

În scopuri industriale, se folosesc diamante cultivate exclusiv sintetic. Pietrele reale sunt folosite extrem de rar, în ciuda faptului că grafitul și diamantul apar în natură.

Grafit

Grafitul este utilizat în multe industrii:

1. Metalurgie. Substanța moale a grafitului face posibilă realizarea de creuzete ignifuge din acesta și utilizarea acestuia în acoperirea matrițelor de turnătorie pentru a preveni arderea pământului folosit pentru turnare prin turnare.
2. Electronice. Grafitul este folosit pentru a produce electrozi și cărbuni cu arc.
3. Zona de papetărie. Miezul creioanelor și creioanelor colorate este realizat din grafit. Mineralul este folosit pentru a face hârtie de copiere, vopsea neagră și cerneală de tipar.
4. Industria auto. În stare lichidă, mineralul este utilizat atunci când este necesară presarea volumetrică a pieselor auto.

Grafitul este uneori folosit ca lubrifiant atunci când uleiul nu este posibil. Grafitul este folosit pentru a acoperi suprafața cazanelor de abur, ceea ce le protejează de formarea calcarului. Există blocuri speciale de grafit în cazanele nucleare. În plus, mineralul este folosit în industria spațială.

Un domeniu important de aplicare pentru grafit este producția.

Progresul tehnic nu stă pe loc, domeniile de aplicare a diamantului și grafitului se extind în fiecare an, ceea ce crește cererea de minerale.