Нагревание при нормальном атмосферном давлении без доступа кислорода до температуры выше 1200-1500 °С приводит к превращению алмаза в графит. Графитизация начинается на вершинках и ребрах, распространяется на всю поверхность кристалла, а затем и на внутренние части его. В итоге вместо сверкающего кристалла алмаза получаем тусклый черный агрегат графита, имеющий форму исходного камня, но несколько большего объема (из-за различий в плотности алмаза и графита). Обратного перехода графита в алмаз в условиях атмосферного давления осуществить не удается ни путем нагрева или охлаждения, ни какими-либо другими способами.
Таким образом, при атмосферном давлении устойчивой модификацией углерода является графит, а алмаз в этих условиях представляет собой неустойчивую (метастабильную) модификацию данного вещества. Если так, то возникают два вполне естественных вопроса. Во-первых, почему алмаз переходит в графит только при сильном нагреве, а при обычной температуре не изменяется на протяжении тысяч и, как увидим в последующих главах, даже сотен миллионов лет? Во-вторых, при каких же условиях происходит кристаллизация углерода в форме алмаза?
Ответ на первый из поставленных вопросов дают результаты исследований физико-химических процессов образования горных пород и минералов. Установлено, что реакции полиморфного превращения (в отличие, например, от плавления) протекают с большим трудом и незначительной скоростью. Для начала перехода одной модификации в другую, более устойчивую, необходимо, чтобы составляющие кристалл частицы (атомы, ионы) обладали определенным количеством энергии, достаточным для преодоления «энергетического барьера» при перестройке кристаллической структуры. Чем ниже температура, тем меньше вероятность преодоления такого «барьера» и скорость превращения.
При низких температурах скорость превращения может стать равной нулю и тогда метастабильная модификация будет сохраняться неопределенно долго.
Малая скорость превращения характерна для случаев, когда полиморфные модификации сильно различаются по своему кристаллическому строению. Именно благодаря очень сильным различиям в структуре кристаллических решеток не происходит самопроизвольного превращения алмаза в графит при обычных температурах на земной поверхности.
Ответ на второй вопрос — об условии кристаллизации углерода в виде алмаза — был получен в итоге теоретических исследований, результаты которых полностью подтвердились экспериментальными проверками.
Советский ученый О. И. Лейпунский на базе теоретических предпосылок рассчитал, что для превращения графита в алмаз в твердой фазе необходимы давление около 60 000 кгс/см2 и температура 1700-1800 °С. Он указывал также на возможное образование алмаза и при несколько меньших давлениях, если использовать вещества, характеризующиеся относительно невысокой температурой плавления и достаточной растворимостью углерода. В качестве одного из таких веществ называлось железо.
В конце 50-х — начале 60-х годов XX в. термодинамические расчеты стабильности алмаза и графита при различных давлениях и температурах проводились многими исследователями. Расчеты выполнялись с различными степенями приближения, но все они свидетельствуют о том, что образование алмаза возможно только при высоких давлениях, измеряемых десятками тысяч килограмм-сил на квадратный сантиметр. Теоретические выводы о необходимости для образования алмаза высоких давлений полностью подтверждены экспериментально и нашли широкое практическое применение. Подробнее эти вопросы рассматриваются в следующей главе.
В алмазе атомы углерода равномерно заполняют пространство, и поэтому кристаллическая решетка этого минерала трехмерная. В графите атомы группируются в виде плоских сеток — решетка двухмерная. Ученых уже давно интересовал вопрос о возможности построения такой полиморфной формы углерода, в которой атомы располагались бы в виде линии, образуя одномерную молекулу.
Наиболее подходящим для этой цели с теоретических позиций представлялся ацетилен. Еще в прошлом веке А. Байеру удалось получить соединение, молекула которого представляла собой нить, состоящую из четырех ацетиленовых палочек.
Шоу бізнес
