Мария Васина
август 2017.
2144

Почему алмаз прозрачный, а графит черный, хотя оба из углерода?

Ответить
Ответить
Комментировать
3
Подписаться
2
2 ответа
Поделиться

Алмаз представляет собой структуру, в которой атомы углерода окружены тетраэдром из соседних атомов. Это соответствует sp3-гибридизации электронных орбиталей углерода, при которой все электроны внешней орбитали локализованы и участвуют в образовании связей - "свободных" электронов не остается. В связи с этим, алмаз является изолятором и, как большинство изоляторов, прозрачен в видимом диапазоне. Дело в том, что энергии электронных переходов для изоляторов достаточно высоки (соответствуют широкой запрещенной зоне) и поглощение начинается только в УФ-области, а энергии квантов видимого света недостаточно, чтобы "перебросить" электрон в возбужденное состояние.
С другой стороны, в графите углерод находится в sp2-гибридизации, треугольная конфигурация. При этом у атома остается один "свободный" делокализованный электрон, дающий вклад в электрическую проводимость - именно поэтому графит характеризуется проводимостью на уровне "плохого металла". Для металлов характерно поглощение по всему спектру. В некотором приближении можно сказать, что электрическое поле световой волны вызывает движение свободных электронов и, таким образом, происходит поглощение энергии эл-магн. излучения, в частности, видимого света. Поэтому графит выглядит либо черным, либо зеркальным, отражающим. В металлах проводимость еще выше, поэтому поглощение происходит в тончайшем слое и после этого почти без неупругого рассеяния происходит испускание света той же длины волны - это и есть отражение. В графите за счет более низкой проводимости поглощающий слой получается толще, поэтому вклад рассеяния выше, поэтому мы видим графит как черный, пусть и зеркальный.
Иными словами: 1) идеальное пропускание соответствует бесцветной прозрачности (как алмаз), 2) идеальное полное поглощение+полное испускание соответствует зеркальному-белому цвету (как металлы, кроме специфических исключений), 3) полное поглощение с равномерным вкладом рассеяния по всему диапазону - зеркальному-черному (как графит, оксид меди (II) или оксид никеля (II)), 4) полное поглощение с преимущественным рассеянием в какой-то части видимого диапазона - зеркальному-окрашенному (как зеркало с цветным стеклом). Нужно, конечно, учитывать, что "зеркальность" будет наблюдаться только в случае очень гладкой поверхности. Для шероховатых поверхностей или порошков цвет будет 1) белым, 2) белым, 3) черным и 4) какого-то цвета.

Разные кристаллические решетки. У графита она слоями, а у алмаза решетка кубическая гранецентрированная.

Именно по этой причине графитом вы можете спокойно писать, а алмазом резать самые твердве поверхности

Елизар Резвановотвечает на ваши вопросы в своейПрямой линии
Ответить