Поліморфні переходи
Одна і та ж речовина може існувати в різних, так званих алотропічних формах: кисень та озон, графіт та алмаз. У хімічних сполук такі алотропічні форми називаютьсяполіморфними модифікаціями.При зміні навколишніх умов - температури, тиску, коли ця зміна досягла певної стадії, речовина з однієї алотропічної форми переходить в іншу і набуває інших хімічних або фізичних властивостей. Одне з пояснень причини появи різних поліморфних форм полягає в наступному: простір іонних кристалів, як правило, заповнено негативно зарядженими аніонами, в порожнечі між якими розташовані катіони, що позитивно заряджені. При стисканні кристала практично стискуються аніони. У міру стиснення різниця у розмірах радіусів аніонів та катіонів зменшується. Нарешті, настає момент, коли відбувається фазовий перехід - з'являється нова поліморфна модифікація.
В наш час вважають, що при тиску до 5 ГПа у кожної хімічної сполуки можливий принаймні один поліморфний перехід. Досліди показують, що у багатьох речовин їх значно більше. У камфари їх одинадцять, біля води - вісім, у вісмуту - вісім і т. д. Зупинимося на воді. За 0°С вода замерзає. Якщо лід стискати, то при 3 ГПа утворюється форма льоду-VII, який плавиться при 190 ° С. Якби лід-VII зберігав свої властивості і при зниженні тиску, на ньому, як на плиті, можна було б зварити суп. Лід-VII має велику твердість і може тому стати причиною катастрофи. У підшипниках, у яких обертаються вали потужних турбін, розвивається величезний тиск. Якщо в мастилі є хоч трохи води, воно замерзає. Крига, що утворилася, як пісок, трет вал і підшипник і швидко виводить їх з ладу.
У природі існують і незворотні переходи:речовини, отримані під тиском, зберігають свої властивості і після того, як знято тиск. Наприклад, вуглець. Цей елемент може існувати у вигляді двох поліморфних модифікацій – графіту та алмазу. Як тільки це було встановлено, почалися спроби перетворити графіт на алмаз. На рисунках 8 і 9, стор. 242 і 243, зображені кристалічні грати графіту та алмазу. У графіті атоми вуглецю розташовані в кутах шестикутників, і шари цих шестикутників знаходяться на відстані 0,35 нм (0,35 • 10 -9 м) один від одного. Шари шестикутників, як лусочки, ковзають один по одному. Тому графіт м'який, з нього роблять грифелі, іноді вживають для змащення.
В алмазі сусідні атоми вуглецю знаходяться на відстані 0,154 нм один від одного. Таким чином, в алмазі відстань між атомами майже вдвічі менша, ніж у графіті. Алмаз - найтвердіша речовина. Оскільки алмаз зустрічається в природі досить рідко, він вважається дорогоцінним каменем і коштує дуже дорого. Не дивно, що вже давно люди прагнули знайти спосіб перетворення графіту на алмаз. На вирішення цієї проблеми було витрачено чимало сил і коштів, і в 50-х роках ХХ століття успіху було досягнуто. Тепер промисловість виготовляє технічні алмази.
Щоб графіт міг перебудуватися в алмаз, потрібно стиснути його до тисків в десятки гігапаскалів і при цьому нагріти до дуже високої температури. Правда, графіт можна перетворити на алмаз і при кімнатній температурі при тиску всього близько 1 ГПа, але тоді потрібно було б чекати століття, поки вийде хоч крупинка алмазу. Висока температура потрібна, щоб процес перетворення йшов швидко. А чим вища температура, тим більший потрібен тиск. Крім високої температури для переходу графіту в алмаз, потрібні каталізатори - речовини, що прискорюють процес. Але останніми роками навчилисяобходитися без них.
Апарат, в якому одержують алмази, зображений на малюнку 7. Він складається з багатошарової кільцевої судини. Внутрішній шар виготовлений з надтвердого сплаву карбіду вольфраму. На цей шар надіті пояси (бандажі) з твердої сталі, м'якої сталі, міді та пояс, в якому циркулює вода, що охолоджує. Таке чергування матеріалів зменшує небезпеку розльоту уламків, якщо апарат зруйнується.
Зверху та знизу апарат закритий багатошаровими кришками. Внутрішні частини – це штампи із надтвердого сплаву. На конусні частини штампів надягають прокладки з пірофіліту (мінерал-алюмосилікат заліза). Він має властивість ставати пластичною при дуже високому тиску і високій температурі.
Всередину кільцевої судини вставляють контейнер із пірофіліту. У контейнері знаходяться графітовий стрижень та каталізатор. Усі три частини апарату збирають та вставляють у гідравлічний прес. Потім стискають плити преса та починають збільшувати тиск в апараті. Пірофіліт заповнює всі нещільності між штампами та кільцевою судиною та запобігає падінню тиску.
Щоб нагріти вміст контейнера через штампи пропускають струм великої сили. Штампи ізольовані від плит преса та з'єднані металевими прокладками з графітовим стрижнем у контейнері. Струм, що проходить через цей електричний ланцюг, нагріває графіт до 3000°С.
Минають хвилини, і процес закінчено. Усередині контейнера не графіт, а кристалики алмазу з ребром до 2 мм. Діамант цінується не тільки як прикраса. З алмазів виготовляють різці, свердла, фрези, шліфувальні круги, бурові коронки. Алмазні інструменти обробляють найтвердіші сплави з дуже великою швидкістю, точністю та чистотою.
При тиску 10 ГПа та температурі 1200-1400 ° С в нову модифікаціюпереходить і кварц-он стає вдвічі щільнішим від звичайного.
Цікаво, що частки саме такого кварцу знайдено у найбільшому метеоритному кратері в штаті Арізона (США). Можливо, він утворився там від удару та розігріву ґрунту при падінні метеориту. Новий мінерал названий стиповеритом, на ім'я радянських учених Стішова, Попової і Верещагіна, що синтезували його.
Знайдено ще один поліморфний перехід. Нітрид бору (BN) - білий порошок, грати якого дуже подібні до будови з гратами графіту, - може під тиском 7 ГПа і при температурі близько 1500° С незворотно перебудуватися вборазон.Твердість боразону порівняна з твердістю алмазу, а термічна стійкість ще вище.