Книга Путешествие в Страну элементов - Л. Бобров

По странной прихоти природы, углерод и кремний оказались на одном «меридиане» карты Страны элементов: оба они представители четвертой группы периодической системы Менделеева.

Главный элемент жизни

Как это ни парадоксально на первый взгляд, содержание углерода в земной коре по сравнению с другими элементами невелико — всего 0,14 процента. Его гораздо меньше, чем кислорода, кремния, алюминия, натрия, магния или железа. Но легко представить, как выглядела бы наша планета, если бы с нее исчез весь углерод: исчезло бы все живое, целые горные хребты и плоскогорья, сложенные из известняков, Земля превратилась бы в мертвую пустыню. Не было бы угля, нефти, даже климат стал бы гораздо суровее.

«Один в трех лицах…»

Углерод встречается на поверхности Земли и в виде соединений и в свободном виде. Свободный углерод образует три так называемые аллотропические модификации.

Аллотропия довольно часто встречается у элементов периодической системы, как металлов, так и неметаллов. Атомы одного и того же элемента могут по-разному располагаться в кристаллических решетках; тогда говорят о различных аллотропических модификациях элемента.

У углерода их три: алмаз, графит и аморфный углерод (то есть сажа или древесный уголь).

Самая редкая, но и самая своеобразная из этих форм — алмаз. Чистый алмаз прозрачен, бесцветен, обладает сильным блеском. Примеси часто придают ему различную окраску; встречается даже черный алмаз. Он сильно засорен графитом — другой аллотропической модификацией углерода. Большая твердость алмаза была известна уже несколько тысяч лет назад, и нет в природе веществ более твердых, чем он.

Алмаз в четыре-пять раз тверже всех известных минералов и твердых сплавов, применяемых для его замены, кроме боразона. Алмазный резец служит без заточки в тысячи раз дольше, чем резец из самого твердого сплава. Поэтому алмазные резцы незаменимы во многих отраслях техники. Если бурильщикам встречается на пути твердая порода, то на помощь им приходит алмаз. На бур надевают алмазную коронку. Коронка, конечно, стальная, но в ее нижнюю, режущую поверхность вделаны специально заточенные обломки кристаллов алмаза. Недавно советские ученые и инженеры приняли решение о бурении сверхглубоких скважин. Они достигнут глубины в 15–18 километров и выведают у земной коры ее новые тайны. Алмазный бур поможет преодолеть самые твердые породы на пути буровых скважин.

Во многих областях техники алмаз пока незаменим. И только в своем самом старом применении — в качестве украшения (бриллианты) — он уже давно вытесняется другими, более дешевыми драгоценными камнями и даже стеклом. Ведь для украшений огромная твердость алмаза не играет никакой роли, а обыкновенное стекло и отшлифовать гораздо легче, чем природный алмаз, и окрасить можно в самые разнообразные цвета.

Правда, алмаз гораздо сильнее преломляет свет, разлагая его на различные цвета, и сильнее блестит, но есть камни, которые в этом отношении ничуть не уступают алмазу. Поэтому будущее принадлежит не алмазу-вельможе, ограненному и отшлифованному так, что от его природного веса остается одна треть, а алмазу-труженику, неважно какому — черному, желтому или прозрачному, как вода, но всегда прочному и побеждающему пока все другие материалы.

Алмаз, как и многие другие полезные ископаемые, встречается в основных и россыпных, так называемых вторичных, месторождениях. Он образуется на большой глубине под действием огромных температур и давлений. Иногда глубинная магма прорывается наверх и застывает в виде узкой, расширяющейся кверху кимберлитовой трубки. Такие выходы издавна были известны в Африке и Бразилии. Несколько лет назад и у нас в Якутии обнаружены кимберлитовые трубки, содержащие богатейшие запасы алмазов. Однако содержание алмазов в кимберлите — не более одного грамма на тонну, а дробление твердой породы и отделение алмазов — трудная задача. Поэтому часто алмазы добывают из вторичных россыпных месторождений. Они образуются тогда, когда верхняя часть основного месторождения разрушается и вымывается водой.

Много усилий потратили ученые, пытаясь получить искусственные алмазы.

Первые опыты ставились еще в конце прошлого века. Они не имели успеха. В лабораториях нужно было создать такие условия, какие существуют в глубинах Земли: высокие температуры и огромные давления. Это позволила сделать лишь новая техника. В 1956 году английским ученым удалось синтезировать алмаз. Они использовали давление свыше 100 тысяч атмосфер в сочетании с температурой около 3 тысяч градусов. В 1961 году советские ученые, научные сотрудники Института синтетических сверхтвердых материалов в Киеве изготовили в подарок XXII съезду КПСС 2 тысячи каратов искусственных алмазов (1 карат = 0,2 грамма).

В чем же причина огромной прочности алмаза? Связь атомов углерода между собой отличается огромной устойчивостью. В алмазе каждый атом углерода связан с четырьмя другими, причем образуется симметричная фигура тетраэдра. Чтобы оторвать хотя бы один атом углерода с поверхности алмаза, нужно разорвать не менее двух углерод-углеродных связей. Такая прочная химическая связь и взаимное расположение атомов придают кристаллам алмаза их удивительную твердость.

Но стоит лишь «перестроить» кристаллическую решетку алмаза, как исчезает его твердость, и вместо прекрасного блестящего кристалла мы получаем мягкий минерал. Это графит.

В кристаллической решетке графита каждый атом углерода тоже соединен с четырьмя другими, но в противоположность алмазу все эти атомы лежат в одной плоскости. Последние связаны между собой слабо, поэтому графит легко расслаивается на чешуйки, отдельные его плоскости скользят друг вдоль друга. Это свойство позволяет применять его в качестве твердой смазки.

Графит имеет серый цвет и абсолютно непрозрачен. Он хорошо проводит электрический ток.

В природе графит образует целые месторождения. Его можно получить и искусственно: надо нагревать чистый уголь до нескольких тысяч градусов без доступа воздуха. Если в аналогичные условия (при температуре около 2000 °C) поместить алмаз, он переходит в графит. Это свидетельствует, что графит — наиболее устойчивая при обычных условиях форма углерода.

Сейчас графит находит большое применение в промышленности. Из него делают различные трущиеся контакты, электроды для электропечей, угли для прожекторов, тигли для плавки металлов, наконец, стержни самых обычных карандашей. Но больше всего чистого графита (десятки тысяч тонн) используется в атомных реакторах.

Ученые обнаружили, что чистый графит почти не поглощает нейтроны, образующиеся при делении урана, и в то же время очень хорошо замедляет их. Кроме того, графит дешев, легко обрабатывается, не боится высокой температуры и излучений реактора. Все эти качества сделали его незаменимым материалом в атомной промышленности.

Третья аллотропическая форма углерода встречается в природе в виде обычной сажи, а также каменного и древесного угля. Правда, каменный уголь — это не совсем чистый углерод. Лучшие его сорта — антрациты — содержат не более 95 процентов углерода, остальное