Детская энциклопедия

Меню сайта











Полиморфные переходы

Одно и то же вещество может принимать раз­личные, так называемые аллотропические фор­мы: кислород и озон, графит и алмаз. У хи­мических соединений такие аллотропические формы называются полиморфными модифи­кациями (см. ст. «Твердое тело и его загадки»). При изменении окружающих условий — темпе­ратуры, давления,— когда это изменение достиг­ло определенной стадии, вещество из одной алло­тропической формы переходит в другую и приоб­ретает другие химические или физические свой­ства. Эта точка так и называется точкой перехода. Различные аллотропические формы бывают не только у веществ, состоящих из одного химиче­ского элемента, но и у многих химических сое­динений (полиморфные формы).

В наше время считают, что при давлениях до 50 тыс. атм у каждого химического соедине­ния возможен по крайней мере один полиморф­ный переход. Опыты показывают, что у мно­гих веществ их гораздо больше. Известно, что у камфары их одиннадцать, у воды — семь, у висмута — восемь и т. д. Остановимся на воде. При 0° Ц вода замерзает. Если лед сжимать, то при 30 тыс. атм образуется форма льда-VII, который плавится при +190° Ц. Значит, на таком куске льда можно было бы жарить пи­щу, если бы лед-VII сохранял свои свойства и при снижении давления. Лед-VII обладает нео­бычайной твердостью и может поэтому стать причиной катастрофы. В подшипниках, в ко­торых вращаются валы мощных турбин, разви­вается огромное давление. Если в смазке есть хоть немного воды, она замерзает. Образовав­шийся лед, как песок, трет вал и подшипник и быстро выводит их из строя.

В природе существуют и необратимые пере­ходы: вещества, полученные под давлением, сохраняют свои свойства и после того, как давление снято. К таким веществам относит­ся углерод. Этот элемент может существовать в виде двух полиморфных модификаций — гра­фита и алмаза. Как только это было установ­лено, начались попытки превратить графит в алмаз. На цветной таблице  изоб­ражены кристаллические решетки графита и ал­маза. В графите атомы углерода расположены в углах шестиугольников и слои этих шести­угольников находятся на расстоянии 3,4 А друг от друга. Слои шестиугольников, как че­шуйки, скользят друг по другу. Поэтому гра­фит иногда употребляют для смазки.

В алмазе атомы углерода находятся в вер­шинах тетраэдра, длина ребра которого равна 4,54 Е. Таким образом, в алмазе расстояние между атомами почти вдвое меньше, чем в гра­фите. Алмаз — самое твердое вещество на свете. Кроме того, так как алмаз встречается в при­роде довольно редко, он считается драгоценным камнем и стоит очень дорого. Не удивительно, что уже давно люди стремились найти способ, как превратить графит в алмаз. На решение этой проблемы было потрачено немало сил и средств. Много было разочарований, прежде чем эта проблема была решена. А решили ее только, когда был найден научный путь, когда были накоплены знания и достигнут определен­ный уровень развития техники. В 50-х годах нашего века нашли способ осуществлять искус­ственно полиморфный переход графита в алмаз. В наше время уже налажено промышленное про­изводство технических алмазов.

Чтобы графит мог перестроиться в алмаз, нужно не только сжать его до давлений в сотни тысяч атмосфер, но и нагреть при этом до очень высокой температуры. Правда, графит можно превратить в алмаз и при комнатной темпера­туре при давлении всего около 10 тыс. атм, но тогда нужно было бы ждать века, пока полу­чится хоть крупинка алмаза. Высокая темпера­тура нужна, чтобы процесс превращения шел быстро. А чем выше температура процесса, тем большее давление требуется, чтобы получить алмаз.

Кроме высокой температуры, для перехода графита в алмаз нужны катализаторы — веще­ства, ускоряющие процесс. Правда, в послед­ние годы научились обходиться и без них.

Аппарат, в котором осуществляется синтез алмаза, изображен на рисунке 7. Он состоит из многослойного кольцевого сосуда. Внутренний слой сделан из сверхтвердого сплава. На этот слой надеты пояса (бандажи) из твердой стали, мягкой стали, меди и пояс, в котором циркули­рует холодная вода. Такое чередование материа­лов уменьшает опасность разлета осколков, если аппарат разрушится.

Сверху и снизу аппарат закрыт многослой­ными крышками. Внутренние части — это штам­пы из сверхтвердого сплава. На конусные части штампов надевают прокладки из пирофиллита (минерал — алюмосиликат железа). Он обла­дает свойством становиться при очень высоких давлении и температуре пластичным.

Внутрь кольцевого сосуда вставляют контей­нер из пирофиллита. В контейнере находятся графитовый стержень и катализатор. Все три части аппарата собирают и вставляют в гидравлический пресс. Затем сжимают плиты пресса и начинают увеличивать давление в аппарате. Пирофиллит заполняет все неплотности между штампами и кольцевым сосудом и предотвра­щает падение давления.

Чтобы нагреть содержимое контейнера, че­рез штампы пропускают ток большой мощ­ности. Штампы изолированы от плит пресса и соединены металлическими прокладками с гра­фитовым стержнем в контейнере. Ток, проходя­щий через эту электрическую цепь, нагревает графит до 3000°Ц.

Проходят десятки минут, и процесс закон­чен. Внутри контейнера уже не графит, а кри­сталлики алмаза с ребром до 2 мм.

Алмаз ценится не только как украшение. Прежде всего его ценят за необычайную твер­дость. Из алмазов изготовляют резцы, сверла, фрезы, шлифовальные круги, буровые корон­ки. Алмазные инструменты обрабатывают самые твердые сплавы с необычной скоростью, точ­ностью и чистотой.

Несколько лет назад был найден еще один полиморфный переход. Нитрид бора (BN) — белый порошок, решетка которого очень сход­на строением с решеткой графита,— может под давлением 70 тыс. атм и при температуре около 1500°Ц необратимо перестроиться в боразон. Решетка этой новой полиморфной формы схожа с решеткой цинковой обманки (ZnS). Твердость боразона сравнима с твердостью алмаза, а тер­мическая стойкость его еще выше.





 
Календарь
«  Декабрь 2016  »
ПнВтСрЧтПтСбВс
   1234
567891011
12131415161718
19202122232425
262728293031

Новые статьи
Каталог статей
Как подготовить ребенка к школе
Освоение навыков чтения
Природные материалы на уроках труда

Статистика




 
Адрес почты Вопросы по рекомендациям, размещению рекламы и обратных ссылок обращайтесь pochta@enciklopediya1.ru
2013 © 2016