Физика

Содержание раздела

Механика

Полиморфные переходы

Одно и то же вещество может существовать в различных, так называемых аллотропических формах: кислород и озон, графит и алмаз. У химических соединений такие аллотропические формы называются полиморфными модификациями. При изменении окружающих условий - температуры, давления, когда это изменение достигло определенной стадии, вещество из одной аллотропической формы переходит в другую и приобретает другие химические или физические свойства. Одно из объяснений причины появления различных полиморфных форм состоит в следующем: пространство ионных кристаллов, как правило, заполнено отрицательно заряженными анионами, в пустотах между которыми расположены положительно заряженные катионы. При сжатии кристалла фактически сжимаются анионы. По мере сжатия разница в размерах радиусов анионов и катионов уменьшается. Наконец, наступает момент, когда совершается фазовый переход - появляется новая полиморфная модификация.

В наше время считают, что при давлениях до 5 ГПа у каждого химического соединения возможен по крайней мере один полиморфный переход. Опыты показывают, что у многих веществ их гораздо больше. У камфары их одиннадцать, у воды - восемь, у висмута - восемь и т. д. Остановимся на воде. При 0°С вода замерзает. Если лед сжимать, то при 3 ГПа образуется форма льда-VII, который плавится при 190° С. Если бы лед-VII сохранял свои свойства и при снижении давления, на нем, как на плите, было бы можно сварить суп. Лед-VII обладает большой твердостью и может поэтому стать причиной катастрофы. В подшипниках, в которых вращаются валы мощных турбин, развивается огромное давление. Если в смазке есть хоть немного воды, она замерзает. Образовавшийся лед, как песок, трет вал и подшипник и быстро выводит их из строя.

В природе существуют и необратимые переходы: вещества, полученные под давлением, сохраняют свои свойства и после того, как давление снято. Например, углерод. Этот элемент может существовать в виде двух полиморфных модификаций - графита и алмаза. Как только это было установлено, начались попытки превратить графит в алмаз. На рисунках 8 и 9, стр. 242 и 243, изображены кристаллические решетки графита и алмаза. В графите атомы углерода расположены в углах шестиугольников и слои этих шестиугольников находятся на расстоянии 0,35 нм (0,35 • 10^-9 м) друг от друга. Слои шестиугольников, как чешуйки, скользят друг по другу. Поэтому графит мягок, из него делают грифели, иногда употребляют для смазки.

В алмазе соседние атомы углерода находятся на расстоянии 0,154 нм друг от друга. Таким образом, в алмазе расстояние между атомами почти вдвое меньше, чем в графите. Алмаз - самое твердое вещество. А так как алмаз встречается в природе довольно редко, он считается драгоценным камнем и стоит очень дорого. Не удивительно, что уже давно люди стремились найти способ превращения графита в алмаз. На решение этой проблемы было потрачено немало сил и средств, и в 50-х годах нашего века успех был достигнут. Теперь промышленность производит технические алмазы.

Чтобы графит мог перестроиться в алмаз, нужно сжать его до давлений в десятки гигапаскалей и нагреть при этом до очень высокой температуры. Правда, графит можно превратить в алмаз и при комнатной температуре при давлении всего около 1 ГПа, но тогда нужно было бы ждать века, пока получится хоть крупинка алмаза. Высокая температура нужна, чтобы процесс превращения шел быстро. А чем выше температура, тем большее требуется давление. Кроме высокой температуры для перехода графита в алмаз нужны катализаторы - вещества, ускоряющие процесс. Но в последние годы научились обходиться и без них.

Аппарат, в котором получают алмазы, изображен на рисунке 7. Он состоит из многослойного кольцевого сосуда. Внутренний слой сделан из сверхтвердого сплава карбида вольфрама. На этот слой надеты пояса (бандажи) из твердой стали, мягкой стали, меди и пояс, в котором циркулирует охлаждающая вода. Такое чередование материалов уменьшает опасность разлета осколков, если аппарат разрушится.

Сверху и снизу аппарат закрыт многослойными крышками. Внутренние части - это штампы из сверхтвердого сплава. На конусные части штампов надевают прокладки из пирофиллита (минерал -алюмосиликат железа). Он обладает свойством становиться пластичным при очень высоком давлении и высокой температуре.

Внутрь кольцевого сосуда вставляют контейнер из пирофиллита. В контейнере находятся графитовый стержень и катализатор. Все три части аппарата собирают и вставляют в гидравлический пресс. Затем сжимают плиты пресса и начинают увеличивать давление в аппарате. Пирофиллит заполняет все неплотности между штампами и кольцевым сосудом и предотвращает падение давления.

Чтобы нагреть содержимое контейнера, через штампы пропускают ток большой силы. Штампы изолированы от плит пресса и соединены металлическими прокладками с графитовым стержнем в контейнере. Ток, проходящий через эту электрическую цепь, нагревает графит до 3000° С.

Проходят минуты, и процесс закончен. Внутри контейнера уже не графит, а кристаллики алмаза с ребром до 2 мм. Алмаз ценится не только как украшение. Из алмазов изготовляют резцы, сверла, фрезы, шлифовальные круги, буровые коронки. Алмазные инструменты обрабатывают самые твердые сплавы с очень большой скоростью, точностью и чистотой.

При давлении 10 ГПа и температуре 1200-1400° С в новую модификацию переходит и кварц -он становится вдвое плотнее обычного.

Любопытно, что частицы именно такого кварца найдены в крупнейшем метеоритном кратере в штате Аризона (США). Возможно, он образовался там от удара и разогрева почвы при падении метеорита. Новый минерал назван стиповеритом, по имени синтезировавших его советских ученых Стишова, Поповой и Верещагина.

Найден еще один полиморфный переход. Нитрид бора (BN) - белый порошок, решетка которого очень сходна строением с решеткой графита, - может под давлением 7 ГПа и при температуре около 1500° С необратимо перестроиться в боразон. Твердость боразона сравнима с твердостью алмаза, а термическая стойкость его еще выше.

перейти к началу страницы