Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия (не проверялась)

Элементарная ячейка лонсдейлита

Лонсдейлит или алмаз гексагональный— одна из аллотропных модификаций углерода. Открыт в 1966 или ранее, первая публикация 1967. (Frondel, C.; U.B. Marvin (1967). "Lonsdaleite, a new hexagonal polymorph of diamond". Nature 214: 587–589) Одновременно он обнаружен в природе, в метеоритном каньоне. В настоящее время группе американских и китайских ученых удалось доказать, что самый твердый на сегодняшний день материал - специально обработанный лонсдейлит. Он оказался на 58 процентов тверже алмаза.^[1] Статья ученых появилась в журнале Physical Review Letters, а ее краткое изложение доступно на сайте physorg.com (Pan, Zicheng; Sun, Hong; Zhang, Yi; and Chen, Changfeng (2009). "Harder than Diamond: Superior Indentation Strength of Wurtzite BN and Lonsdaleite". Physical Review Letters 102)

Строение

Алмаз и лонсдейлит имеют одинаковые валентные углы, которые равны 109°28’16’’, длины связей у них равны 0,1545 нм, а координационное число — 4. Элементарная ячейка алмаза содержит восемь атомов углерода, а лонсдейлита — четыре.

Решетки алмаза и лонсдейлита отличаются способом упаковки. Для лонсдейлита характерна двухслойная упаковка типа (…АВАВ…), где каждый последующий тетраэдрический слой повернут на 60° по отношению к предыдущему. Для алмаза — трехслойная типа (…АВСАВС…), где все слои построены из одинаковых координационных тетраэдров. Алмаз в этом плане схож с α-графитом, только алмазная плоскость «гофрированная».

Укладка слоем лонсдейлита

Укладка слоем алмаза

Свойства

Является самым твердым веществом, на 58 % превосходящем по твердости алмаз, однако маловероятно практическое использование из-за сложности его получения

История

Назван в честь Кэтлин Лонсдейл, британского кристаллографа.

графит, карбины и фуллерены, которые резко различаются по свойствам. Наиболее стабильной формой существования углерода является графит, однако и другие его модификации при обычных условиях могут сохраняться сколь угодно долго. При высоких температурах они переходят в графит. В случае алмаза это происходит при нагревании выше 1000 ^oС в отсутствие кислорода. Обратный переход осуществить гораздо труднее. Необходима не только высокая температура (1200-1600 ^oС), но и гигантское давление - до 100 тысяч атмосфер. Превращение графита в алмаз проходит легче в присутствии расплавленных металлов (железа, кобальта, хрома и других).

В случае молекулярных кристаллов полиморфизм проявляется в различной упаковке молекул в кристалле или в изменении формы молекул, а в ионных кристаллах - в различном взаимном расположении катионов и анионов. Некоторые простые и сложные вещества имеют более двух полиморфных модификаций. Например, диоксид кремния имеет десять модификаций, фторид кальция - шесть, нитрат аммония - четыре. Полиморфные модификации принято обозначать греческими буквами α, β, γ, δ, ε,... начиная с модификаций, устойчивых при низких температурах.

При кристаллизации из пара, раствора или расплава вещества, имеющего несколько полиморфных модификаций, сначала образуется модификация, менее устойчивая в данных условиях, которая затем превращается в более устойчивую. Например, при конденсации пара фосфора образуется белый фосфор, который в обычных условиях медленно, а при нагревании быстрее превращается в красный фосфор. При обезвоживании гидроксида свинца вначале (около 70 ^oС) образуется менее устойчивый при низких температурах желтый β-PbO, около 100 ^oС он превращается в красный α-PbO, а при 540 ^oС - снова в β-PbO.

Переход одной полиморфной модификации в другую называется полиморфными превращениями. Эти переходы происходят при изменении температуры или давления и сопровождаются скачкообразным изменением свойств.

Процесс перехода одной модификации в другую может быть обратимым или необратимым. Так, при нагревании белого мягкого графитоподобного вещества состава BN (нитрид бора) при 1500-1800 ^oС и давлении в несколько десятков атмосфер образуется его высокотемпературная модификация - боразон, по твердости близкий к алмазу. При понижении температуры и давления до значений, отвечающих обычным условиям, боразон сохраняет свою структуру. Примером обратимого перехода может служить взаимные превращения двух модификаций серы (ромбической и моноклинной) при 95 ^oС.

Полиморфные превращения могут проходить и без существенного изменения структуры. Иногда изменение кристаллической структуры вообще отсутствует, например, при переходе α-Fe в β-Fe при 769 ^oС структура железа не меняется, однако исчезают его ферромагнитные свойства.

Дисперсные системы

Дисперсные системы состоят из множества мелких частиц (кристалликов, капелек, пузырьков), распределенных в однородной среде. В зависимости от размера частиц дисперсные системы условно делят на грубодисперсные (взвеси), содержащие частицы размером более 1 мкм (10⁻³ мм), и тонкодисперсные (коллоидные системы), в которых частицы имеют размеры от 1 мкм до 1 нм (10⁻⁶ мм). Если размеры частиц не превышают 1 нм, то такие системы уже относят к истинным растворам.

Образование крошечных частиц в дисперсных системах может произойти, например, при измельчении твердого вещества или распылении жидкости. Другой путь образования таких систем - конденсация из еще более мелких частиц. Таким образом в природе из переохлажденного водяного пара образуется туман. Возможно также образование дисперсных систем в результате химической реакции, если продукт реакции находится в агрегатном состоянии, отличном от агрегатного состояния реагентов. Так, при взаимодействии газообразных аммиака и хлороводорода образуется дым из твердых частиц хлорида аммония, а в результате реакции газообразного триоксида серы и водяного пара при температуре более 100 ^oС - туман из капелек серной кислоты.

Неоднородные смеси веществ с относительно большими размерами частичек называют взвесями. Со временем взвеси могут разрушаться из-за оседания частиц с более высокой плотностью (по сравнению с окружающей их средой) или за счет укрупнения частиц. Наиболее устойчивы взвеси с одинаковой плотностью образующих их веществ или с высокой вязкостью среды, препятствующей осаждению частиц.

Взвеси различаются по агрегатному состоянию образующих их веществ. Среда, в которой находятся частички вещества, может быть газообразной, жидкой или твердой. К смесям с газообразной средой относятся порошки, волокнистые материалы типа войлока, аэрозоли. Аэрозолями называют взвеси жидких или твердых частиц в газовой среде (обычно в воздухе). К аэрозолям относятся дым, туман, пыль, смог. В аэрозольной форме сжигается все жидкое и значительная часть твердого топлива. Аэрозольные препараты используют в медицине, бытовой химии, лакокрасочной промышленности.

Частицы твердого, жидкого или газообразного вещества, распределенные в жидкой среде, образуют суспензии, эмульсии или пены. Суспензии (от латинского "суспензио" - подвешивание) - взвеси твердых частиц в жидкой среде. Частицы твердого вещества в суспензиях обычно со временем выпадают в осадок или всплывают. Суспензии используют в медицине и в быту, в строительной технологии, в производстве лакокрасочных материалов, бумаги. Эмульсии - взвеси мелких капелек жидкости в другой, не смешивающейся с ней, жидкости. Это слово происходит от латинского "эмульсус" - выдоенный, так как одной из первых изученных эмульсий было молоко. Эмульсиями являются многие лекарственные и косметические средства. Широко известны водоэмульсионные краски.

Твердые тела (стеклообразные или кристаллические) могут включать твердые частички, капельки жидкости или пузырьки газа. Например, рубиновые стекла окрашены мельчайшими частицами меди или золота. Такие материалы, как пенопласты, содержат пузырьки газа.

Дисперсные системы с предельно малыми частицами называют коллоидными системами. В отличие от истинных растворов, в таких системах имеются границы раздела между частицами вещества и окружающей их средой. Для краткости и по исторической традиции до сих пор используется термин "коллоиды" (клееподобные тела), введенный в 1861 г. Т. Грэмом. Он также применил термины "золь" для коллоидных растворов и "гель" - для студнеобразных коллоидных систем. Золь - жидкая коллоидная система (коллоидный раствор), в которой частицы вещества, состоящие из десятков и сотен молекул или ионов, свободно перемещаются в процессе броуновского движения. Золями могут быть и расплавы, при охлаждении которых образуются так называемые твердые золи, например, цветные стекла. Гель (от латинского "гело" - застываю) - коллоидная система, в которой частицы образуют пространственную структуру (сетку). Хотя в большинстве гелей твердые частицы распределены в жидкой среде, они обладают некоторыми признаками твердых тел: способностью сохранять форму, твердостью, пластичностью.

Коллоидные растворы были известны еще в средние века. Восстанавливая золото, растворенное в виде соединений в воде, алхимики готовили коллоидные растворы этого металла (Парацельс называл их "золотым напитком"). В зависимости от содержания золота такие растворы имеют окраску от зеленой до рубиново-красной.

Коллоидные системы с жидкой или газовой средой довольно устойчивы: оседанию частиц препятствует броуновское движение. Для того, чтобы не допустить разрушения коллоидных систем, используют введение веществ-стабилизаторов, которые препятствуют объединению мелких частиц.

Дисперсные системы повсеместно распространены в природе. К ним относятся горные породы, грунты, почвы, атмосферные осадки, растительные и животные ткани. Они используются во многих технологических процессах. Именно в виде дисперсных систем выпускается большинство промышленных продуктов и предметов бытового потребления.