sâmbătă, 24 noiembrie 2012

DIAMANTUL SI CARBUNELE




 

 











Diamantul si carbunele


        Carbonul este un nemetal, situat in grupa a IVa. Se noteaza prescurtat C
       Carbonul se gaseste, in natura, in in stare elementara, in cele doua forme alotropice: diamantul si carbunele.

Diamantul se gaseste fie in zacaminte primare, in care s-a format, fie in aluviunile unor rauri. Zacamintele primare sunt roci eruptive (silicati), care au luat nastere din magma topita, patrunsa vertical din adancime prin scoarta solida a pamantului, unde s-a solidificat sub presiune mare. In zacamintele diamantifere care se gasesc numai in putine puncte pe glob, diamantele sunt sunt continute de obicei sub forma de cristale mici  ( 0,1 – 0,5 grame/tona ), si numai rar ca bucati mai mari de forme neregulate ( cel mai mare diamant gasit pana in prezent este numit Cullinam, cantareste aproximativ 650 g = 3025 carate). Numai circa 5% din diamantele extrase sunt destul de pure pentru a putea servi ca podoabe. La slefuire se pierde cea mai mare parte din diamantul brut. Diamantele impure servesc pentru scopuri industriale.

Diamantul incolor si straveziu, cand este pur, cristalizeaza in sistem cubic. Densitatea este 3,51 g/cm³. Indicele de refractie, neobisnuit de mare da nastere jocului de lumina specific al acestei pietre pretioase. Diamantul este rau conducator de caldura si electricitate.

Diamantul este una din cele mai dure substante cunoscute si de aceea este de neinlocuit in fabricarea de scule destinate a taia, gauri sau lustrui materiale foarte dure. El insusi nu poate fi lustruit decat cu propria lui pulbere. Pe de Alta parte diamantul este casant; el poate fi pulberizat intr-un mojar de otel.    

Fiecare atom de carbon hibridizat sp³ dezvolta patru valente identice dirijate uniform in spatiu dupa schema tetraedica. Unghiul dintre doua valente este de 109°28`. Prin cele patru valente ale sale, fiecare atom de carbon este legat covalent de alti patru atomi C formand astfel o retea tridimensionala infinita. Intreg cristalul constitue de fapt o singura molecula.

Proprietatile diamantului. Structura cristalina a diamantului da socoteala de toate proprietatile acestei substante. Temperatura inalta de vaporizare, aproape 4000°, lipsa unei faze lichide si caldura mare de vaporizare, egala cu caldura de atomizare se explica prin faptul ca, la trecerea din starea cristalina in starea de vapori trebuie rupte covalente. La temperatura inalta la care are loc vaporizarea vaporii de carbon sunt compusi din atomi liberi. Energiile de legatura C-C fiind foarte mari, se intelege pentru ce cristalele de diamant sunt asa dure.

Caldura atomica a diamantului este anormal de mica Cp=1,25 cal/mol la 25°, in loc de 6,4 cum cere regula Dulong si Petit.
Proprietatile optice ale diamantului sunt de asemenea in concordanta cu structura sa cristalina. Transparenta totala (lipsa de absortie ) fata de lumina vizibila si ultravioleta pana la 1500Å sau mai jos dovedeste ca electronii legaturilor C-C din diamant nu pot fi excitati la frecventele acestor radiatii electromagnetice.
Reactivitate . Diamantul este mult mai putin reactiv de cat carbunele negru si chiar decat grafitul. El nu se aprinde in Oxigen molecular decat pe la 800°.
Polimorfismul diamant-grafit. In conditii standard, diamantul este forma alotropica nestabila, iar grafitul cea stabila. Prin incalzire indelungata la 1500°, in absenta oxigenului, diamantul se transforma in grafit. Caldura de transformare polimorfa este de 0.2 kcal/mol.
Diamante artificiale. Transformarea diamantului in grafit, la temperatura joasa, fiind exoterma, transformarea inversa trebuie sa fie favorizata, conform principiului Le Chatelier, la temperatura inalta. Tot conform acestui principiu, transformarea grafitului in diamnat trebuie sa fie favorizata de presiune, deoarece diamantul are o densitate mai mare (deci un volum mai mic la masa egala) decat grafitul. Incercari numeroase de a fabrica diamante sintetice, efectuate in timp de aproape un secol au esuat.
Incepand din 1955 se fabrica industrial diamante sintetice, prin incalzirea grafitului la cca. 3000° si 125 000 atm. Viteza transformarii este marita prin mici adaosuri de Cr, Fe sau Pt. Rolul catalizatorului consta, para-se, in formarea unui film din metal topit pe suprafata grafitului. In aceste conditii metalul dizolva carbon si il precipita ca diamant, mai putin solubil. Se obtin diamante negre de 0,02-0,05 g, care se utilizeaza in scopuri industriale.
Un procedeu recent promitator pentru obtinerea diamantelor se bazeaza pe un principiu diferit : se trece metan, la o presiune mai joasa decat cea atmosferica peste pulbere de diamant su dimensiunea de 1 micron, incalzita la 1000°. Micile cristale de diamant servesc ca centre de cristalizare ; O parte din carbonul rezultat prin descompunerea metanului se depune pe suprafata acestor cristale a caror retea se extinde astel in spatiu; o alta parte din carbon se depune ca grafit. Grafitul se indeaprteaza prin incalzire cu Hidrogen la 50 atm, deoarece se hidrogeneaza mult mai repede ca diamantul.             
Alotropia este proprietatea unor elemente chimice de a se prezenta in una sau mai multe forme cristaline (sau moleculare). Ea este determinata de formarea unor molecule cu numar diferit de atomi si modificatii cristaline diferite. Formele alotropice difera prin proprietatile fizice si chimice.
In cristalul de diamant format din atomi de carbon, atomii din retea se unesc prin legaturi covalente. Fiecare atom de carbon pune in comun cei 4 electroni de valenta cu alti 4 atomi vecini.
In cristalul de carbon, atomii de retea formeaza tot legaturi covalente, dar fiecare atom de carbon pune in comun 3 electroni cu alti 3 atomi vecini.
Covalenta reprezinta numarul de electroni unui atom pusi in comun cu electronii altui atom. Legaturile covalente sunt orientate in spatiu, sunt rigide si mai puternice decat legaturile ionice.
In grafit se gaseste un tip special de retea atomica numita retea statificata, care este o retea atomica hexagonala formata din plane paralele de atomi de carbon.
Diamantul are o retea cubica, iar cristalele de grafit sunt alcatuite din straturi paralele de hexagoane de atomi de carbon, care formeaza o retea stratificata atomica. Atomi de carbon dintr-un plan ocupa colturile unor hexagoane regulate.
          Proprietatiile fizice ale diamantului cat si ale grafitului sunt determinate de structura lor. Astfel, atat diamantul cat si grafitul sunt substante in starea de agregare solida. Diamantul nu are culoare, deci este incolor, este transparent si straluciltor, pe cand grafitul este de culoare cenusie, opaca si este unsuros. Duritatea diamantului este de zece ori mai mare decat cea a grafitului. Diamantul este notat cu 10 pe scara Mohs, iar grafitul doar cu 1, putand fi zgariat cu unghia. Pe hartie, grafitul lasa o dar cenusie. Densitatea diamantului este de 3,514 g/cm3, iar cea a grafitului de doar 2,262 g/cm3. Grafitul este bun conducator de caldura si de curent electric, pe cand diamantul nu conduce nici caldura, nici curentul electric. Diamantul, daca este incalzit la 1900oC, in absenta aurului se transforma in grafit. Nici diamantul, nici grafitul nu pot fi topite. La o temperatura de peste 3500oC se formeaza direct vapori de atom de carbon. Atat diamantul, cat si grafitul au o reactivitate foarte mica, astfel ele nu reactioneaza chimic cu nici o substanta.
          Diamantul este folosit la scule, pietre abrazive, obiecte de podoaba si instrumente optice, iar grafitul este folosit la electrozi pentru cuptoare electrice cu arc, cuve elecrolitice, confectionarea minelor de creion si fabricarea figrelor de carbon.
          Masa diamantului, cat si a briliantelor ( o forma mai valoroasa a diamantului) se masoara in carate (1carat = 0,205g). Pretul diamantelor depinde de masa, claritatea si stralucirea acestora.
          Primul diamant sintetic a fost obtinut in anul 1955, in Statele Unite ale Americii, incalzind grafit la o presiune mai mare de 100.000 atm. Si temperatura de aproximativ 2800oC. Diamantele obtinute sunt de culoare neagra, de 0,02g-0,05g; ele se utilizeaza in scopuri industriale.