Отличие графита от алмаза, особенности строения и процесс перехода одного минерала в другой

Алмазом называют прозрачный кристалл, не имеющий цвета, обладающий высокими характеристиками преломления света. Выделяют следующие основные свойства минерала:

  1. Неоднороден по составу и содержит небольшие доли примеси железа, магния, азота, алюминия и других элементов, которые могут придавать алмазу голубоватый, красноватый и даже черный оттенки.
  2. Благодаря своему химическому составу минерал обладает хрупкостью, раскалываясь на мелкие кусочки при сильном ударе.
  3. АлмазЖесткость, благодаря чему алмаз незаменим при создании абразивных инструментов.
  4. Стойкость к воздействию кислот и щелочей, растворяющих даже металлы.
  5. Основная характеристика алмаза – метастабильность, то есть способность при обычных условиях долгое время сохранять неизменное состояние.
  6. Твердость, при которой ни один другой минерал не способен нанести вред алмазу.

Природа зарождает как алмазы определенных форм, так и в нескольких кристаллических формах, что обусловлено его внутренним строением. Ярко выраженные кристаллы имеют форму куба или тэтраэдра с плоскими гранями. Иногда грани кажутся рельефными из-за наличия невидимых глазу многочисленных наростов и преобразований.

Графит представляет собой кристаллическое вещество серо-черного цвета, обладающее металлическим блеском. По составу графит имеет слоистую структуру, его кристаллы состоят из мелких тонких пластинок. Это очень хрупкий минерал, напоминающий по внешнему виду сталь или чугун. У графита низкая теплоемкость, но высокая температура плавления. Кроме того, этот минерал:

  • хорошо проводит тепло и электричество;
  • Графитимеет высокую огнеупорность;
  • устойчив к кислотам и любым видам химических реагентов;
  • имеет маленький коэффициент трения;
  • смешивается с любыми веществами.

На ощупь графит жирный, а при проведении по бумаге оставляет следы. Это происходит из-за того, что атомы кристаллической решетки слабо связаны.

Алмаз и графит – аллотропные по отношению друг к другу минералы, то есть имеют различные свойства, но являются разными формами углерода. Их основное отличие заключается лишь в химическом строении кристаллической решетки.

Кристаллическая решетка алмаза имеет вид тэтраэдра, в котором каждый атом окружен еще 4 атомами и является вершиной соседнего тэтраэдра, образуя бесконечное множество атомов, имеющих прочные ковалентные связи.

Графит на атомном уровне состоит из пластов шестиугольников с вершинами-атомами. Атомы хорошо связаны между собой только на уровне пластов, но пласты между собой сильной связи не имеют, что делает графит мягким и нестойким к разрушению. Именно эта особенность и позволяет получить из графита алмаз.

Физические и химические свойства алмаза и графита хорошо видны из таблицы.

Характеристика Алмаз Графит
Строение атомной решетки Кубическая форма Гексагональная
Светопроводимость Хорошо проводит свет Не пропускает свет
Электропроводимость Не обладает Имеет хорошую электропроводимость
Связи атомов Пространственные Плоскостные
Структура Твердость и хрупкость Слоистость
Максимальная температура, при которой минерал остается неизменным 720 по Цельсию 3700 по Цельсию
Цвет Белый, голубой, черный, желтый, бесцветный Черный, серый, стальной
Плотность 3560 кг/м.куб. 2230 кг/м.куб.
Использование Ювелирное дело, промышленность Литейное производство, электроугольная промышленность.
Твердость по шкале Мооса 10 1

Химическая формула алмаза и графита одна и та же – углерод (С), но процесс создания в природе разный. Алмаз возникает при очень высоких давлениях и мгновенном охлаждении, а графит, наоборот, при низком давлении и высокой температуре.

Выделяют следующие методы получения алмазов:

  1. Графит и алмазПроцесс превращения графита в алмаз под воздействием высокой температуры (около 3000 С) и давления (примерно 1010 Па) путем изменения ковалентных связей. Для этого необходимо разрушить атомную решетку графита либо снизить ее энергию для перестройки в другой вид. Для оказания такого каталитического действия используют специальные агенты, в роли которых, как правило, выступают какие-либо металлы или их сплавы.

    Необходимое для процесса преобразования давление создается при помощи прессов на гидравлике в специальных камерах. Раствор графита и агента, который облегчает синтез металла, нагревается электрическим током до нужной температуры. Процесс занимает от нескольких минут и может длиться несколько часов. Полученные в результате алмазы охлаждают и снижают давление в камере. Алмазы, полученные таким способом, получаются довольно грязными и мутными, имеющими пористую структуру.

  2. Еще один метод получения алмазов, который пока не используется в широком промышленном применении – ударная волна, взрыв, для сжатия графита, получения алмазной пыли для дальнейшего использования в промышленности. Для этого используют либо обычное взрывчатое вещество, либо взрыв проволокой токовыми импульсами. При таком способе кристаллы алмаза получаются очень чистыми и прозрачными, высокого качества, имеющие форму природного алмаза, но маленькими.
  3. Для ускорения процесса создания в камеру с алмазом добавляют метан, который разрушается до углерода при определенных условиях. В результате получаются камни черного цвета формы куба с прочностью натурального камня. На выходе получается вещество под названием кабрид, но именуется он алмазом из-за содержания его в своем составе.
  4. Алмаз и графитВыращивание с помощью катализаторов. В основном используют железо, платину и никель. На выходе получаются маленькие камни черного или темно-серого цвета, имеющие форму квадрата. В зависимости от катализатора, давления и температуры получаются разноцветные кристаллы.

Процесс алмаза в графит аналогичен. Разница лишь в показателях давления и температуры.

Особенности алмаза и графита

Главными отличительными особенностями алмаза являются:

  • способность преломлять и отражать солнечный свет, что придает ему знаменитый блеск;
  • самая высокая твердость (по сравнению с другими минералами) и хрупкость;
  • метастабильность – способность не менять своей структуры и состояния на протяжении сотен лет при обычных условиях;
  • высокие показатели теплопроводности;
  • высокая устойчивость к кислотам и щелочам;
  • обладает низким коэффициентом трения;
  • диэлектрик, электрический ток не проводит.
Предлагаем ознакомиться  Где и как добывают алмазы: месторождения, способы

Такие свойства минерала становятся возможными благодаря тому, что его внутренняя структура имеет сложную кристаллическую решетку, представляющую собой куб или тетраэдр. В основе строения лежит такой химический элемент как углерод.

Структура алмаза и графита

Графит является полной противоположностью алмазу. Его структура состоит из ряда слоев, внешне напоминающие собой тонкие пластины. Основным элементом строения является углерод. Имеет черный цвет с оттенком металла. Мягкий и немного жирноватый на ощупь.

Имеет следующие отличительные особенности:

  • не пропускает и не преломляет свет;
  • хорошие показатели теплопроводности;
  • хорошая способность огнеупорности;
  • хрупкость;
  • низкий коэффициент трения;
  • проводит электрический ток;
  • можно смешивать с другими веществами.

Не смотря на столь отличающиеся свойства, современная наука научилась искусственно изготавливать представленные здесь минералы друг из друга.

Для того, чтобы ответить на этот вопрос разберемся, а что же вообще такое «минерал». В современной науке минералом принято считать твердое тело природного происхождения, имеющее кристаллическую структуру, то есть расположение атомов строго упорядочено.

Так как структура алмаза представляет собой куб или тетраэдр, имеет четкую кристаллическую решетку, его с уверенностью можно отнести к минералам.

Аналогичная ситуация и с графитом, пластинчатая структура которого так же имеет строгую упорядоченность.

Происхождение алмазов и графита

Точных и достоверных данных, откуда появились эти минералы, нет. Существует лишь некоторые гипотезы, а именно:

  1. Гипотеза о магматическом происхождении
  2. Гипотеза о мантийном происхождении
  3. Гипотеза о флюидном происхождении

Первые две теории являются самыми популярными и сводятся к тому, что появление произошло в недрах нашей Земли много миллионов лет назад на глубине от ста до двухсот километров. На поверхность кристаллы были вынесены в результате взрывов и извержений вулканов.

Графит в свою очередь может образовываться и в результате изменения осадочных пород.

Предлагаем ознакомиться  Камень Водолея – женщины и мужчины: какой минерал подходит по гороскопу?

Интересным фактом является наличие алмазной крошки в метеоритах. Это говорит о том, что кроме земного происхождения, существует еще и кристаллы метеоритного происхождения, принесенные из космоса.

Существует ряд гипотез о том, как могла образовываться крошка в метеоритах. Наиболее популярная теория заключается в том, что сам по себе метеорит не содержит в себе алмазную крошку в «чистом» виде, а лишь обогащен углеродом. При ударе о Землю развиваются идеальные условия для воссоздания минерала: высокая температура (две-три тысячи градусов) и давление (от 5 до 10 ГПа). Алмазы, образованные данным способом, называются импактитами.

К сожалению, космического происхождения кристаллы слишком малы для промышленной добычи и потому все используемые для добычи месторождения только природного происхождения.

Российские месторождения находятся в Республике Саха (Якутия), Пермском крае и Архангельской области.

Для того, чтобы обнаружить алмазное месторождение применяется рентген. На поиски уходят десятки лет. Очень малое количество открытых месторождений обладает минералами высокого качества, достаточного для использования в ювелирной отрасли.

Процесс добычи заключается в извлечении руды и ее измельчения, отделении сопутствующих пород. После этого, с помощью специальной техники, определяют категории и классы добытого материала.

Структура алмаза и графита

Крупнейшие из графитовых месторождений расположены в Краснодарском крае и на Украине. Месторождения с низким качеством материала находятся на Мадагаскаре, в Бразилии, Канаде и Мексике.

Как правило, встречается вместе с известняковыми породами, такими как апатит и флогопит, а так же в образованиях пневматолита, а именно: кварца, полевого шпата, биотита, титаномагнетита.

Область применения

Применяются во многих областях промышленности.

Область применения алмазов:

  • электрическая техника;
  • радиоэлектроника и силовая электроника;
  • бурильные установки;
  • изготовление драгоценных украшений и аксессуаров.

Область применения графита:

  • создание огнестойкого оборудования;
  • изготовление смазочных материалов;
  • выпуск грифелей для карандашей;
  • ядерная энергетика (как замедлитель нейтронов);
  • искусственное производство алмазов.

Самая популярная область применения – ювелирное дело. Минерал после обработки, называемый бриллиантом, имеет высокую стоимость и большую популярность на рынке украшений. Для многих людей он еще является отличным вариантом для вложения капитала.

Принцип получения неестественным путем заключается в воссоздании оптимальных условий, наиболее благоприятных для изменения формы углерода. Необходима одновременно высокая температура (от 1500 до 3000 градусов) и давление (в несколько ГПа). Самый простой способ получения заключается в импульсном нагреве графита до двух тысяч градусов.

В связи с этим для получения алмазного кристалла необходимо стабильное поддержание высоких параметров температуры и давления в течение длительного времени. Это делает технологию преобразования энергоемкой и затратной. Кроме того, в ходе данного процесса получается получить только технический алмаз, непригодный к использованию в ювелирных изделиях.

Алмаз и графит

По этим причинам неестественное алмазное производство признано нерентабельным по сравнению с добычей.

Существуют следующие виды искусственных графитов: доменные, коксовые, реторные, ачесоновские.

Самым популярным ненатуральным видом является коксовый. Способ получения заключается в получении плотной углеродной массы из песка и кокса, ее обжиге, связанном с карбонизацией. На последнем этапе происходит кристаллизация (графитизация). Для уменьшения пористости, полученный минерал пропитывают синтетическими смолами и повторяют обжарку. Каждый повторенный цикл значительно уменьшает пористость. Всего циклов может быть до пяти.

Предлагаем ознакомиться  Камни для Льва: какие талисманы подходят по гороскопу женщинам, по знаку Зодиака мужчинам

Существенным минусом искусственного графита является содержание различных примесей и, соответственно, низкая «чистота».

На этом все! Большое спасибо за проявленный интерес и внимание! Не забудьте порекомендовать статью к прочтению друзьям в социальных сетях!

Команда ЛюбиКамни

Сфера применения

Алмаз и графит используют гораздо шире, чем может показаться на первый взгляд. Алмазы нашли свое применение в следующих сферах:

  • Бриллиантовые украшенияЮвелирная сфера. Алмазы чаще всего ограняют и используют как бриллианты. Для их создания используют только камни высокого качества, на долю которых приходится лишь около 20% всех добытых камней. Наука продвинулась далеко вперед и сегодня все чаще используются искусственные бриллианты вместо настоящих, однако даже непрофессионал, имея некоторый опыт, сможет узнать подделку, вооружившись лишь лупой и магнитом.

    При ближайшем рассмотрении ненастоящий камень содержит частицы металлических крапинок на поверхности и имеет оттенок желтизны на гранях. Также, имея усиленные магнитные характеристики, поддельный синтетический бриллиант при проведении магнитом сдвинется за ним. В создании синтетических бриллиантов используется кристаллический углерод, поэтому, при создании нужного давления и температуры бриллианты создают из всего, что богато углеродом, даже из человеческих останков.

    В Китае, например, научились перерабатывать в бриллианты диоксид углерода и калий, получая совсем крошечные, 1,2 миллиметровые камни. Искусственные бриллианты создаются также из прессованной бриллиантовой пыли, которая остается от производства алмазов, однако получаются настолько хрупкими, что бьются как стекло.

  • Техническая сфера. Здесь применяют второсортные алмазы с трещинами и дефектами, как в целом виде, так и отдельные осколки, непригодные для изготовления целого камня. Технические алмазы имеют подвиды:
    • алмазы определенной формы для изготовления подшипников, сверл, наконечников и др.;
    • необработанные камни;
    • мелкие камни с дефектами, годные только для измельчения в алмазный порошок.

    Алмазные дискиАлмазный порошок применяют в изготовлении мельчайших элементов (например, в часах). Это позволяет достичь высокой точности работы деталей. Алмазные диски, абразивные инструменты содержат в своем составе алмазный порошок.

    Алмазные иглы, применяемые в электронике, это необработанные кристаллы, от природы имеющие острую вершину, либо их остроконечные осколки. В промышленности алмазы применяют в буровых установках, что увеличивает их производительность. Благодаря своей теплопроводимости и изоляционным свойствам алмазные прослойки используются в микросхемах, счетчиках и других компонентах.

В процентном соотношении использования алмазов выглядит так:

  1. Инструменты, машинные детали – 60%.
  2. Обрамление шлифовочных кругов -10%.
  3. Переработка проволоки-10%.
  4. Бурение скважин – 10%.
  5. Ювелирные изделия, мелкие детали – 10%.

Что касается графита, то в чистом виде он практически не используется, а подвергаются предварительной обработке, хотя в разных сферах используется графит разного качества. Для канцелярских карандашей используют графит высочайшего качества. Наиболее широкое применение нашло в литейном производстве, обеспечивая гладкую поверхность различных форм стали. Здесь используется практически необработанный графит.

Электроугольная промышленность наряду с природным использует искусственно созданный графит, также получивший широкое применение благодаря особой чистоте и постоянству состава. Электропроводимость сделала графит материалом для электродов электрических приборов. В металлургии используется как смазочный материал.

Алмаз же, призванный радовать своей красотой, неоценим для экономики, принося огромные доходы от применения в ювелирной промышленности.