|
Меню сайта
Статистика
|
Полиморфные переходыПолиморфные переходыОдно 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.
|
ПОИСК
Block title
|
