Почему графит проводит электричество, а алмаз нет: причины и объяснения (6 видео)

Графит и алмаз – два разновидности углерода, превосходящие друг друга в различных свойствах. Однако, если мы рассмотрим их электрическую проводимость, то обнаружим принципиальную разницу. Графит легко проводит электричество, в то время как алмаз является хорошим изолятором. В чем же причина этого кардинального различия?

Ответ на этот вопрос кроется в кристаллической структуре этих двух форм углерода. Дело в том, что кристаллическую структуру алмаза характеризуют тугоплотные связи между атомами углерода. Это приводит к тому, что каждый атом окружен шестью другими атомами и электронные энергии углерода оказываются полностью занятыми, что делает алмаз химически стабильным и электрически непроводимым.

В случае с графитом, ситуация принципиально отличается. Здесь атомы углерода образуют слои, которые состоят из шестиугольных решеток. Между слоями присутствуют слабые межмолекулярные связи, которые обуславливают свободное движение электронов вдоль плоскости графита – это и обеспечивает проводимость вещества.

Содержание

Структура графита и алмаза
Молекулярная структура графита
Кристаллическая структура алмаза
5. Проводимость графита и непроводимость алмаза
6. Влияние связей между атомами
Различия в электронной структуре
📹 Видео

Видео:Почему электроны в проводе не кончаются, а провода не портятсяСкачать

Структура графита и алмаза

Структура графита представляет собой слоистую решетку, состоящую из плоских слоев атомов углерода. В каждом слое атомы углерода образуют шестигранники и связаны между собой силами ковалентных связей. Внутри каждого слоя атомы углерода также связаны друг с другом, создавая плоскую структуру.

Слои графита соединены слабыми связями Ван-дер-Ваальса, что позволяет легко сдвигать слои друг относительно друга. Это объясняет некоторые свойства графита, такие как его мягкость и способность образовывать след на бумаге.

Алмаз, в отличие от графита, имеет трехмерную кристаллическую структуру. Каждый атом углерода в алмазе тесно связан с другими атомами через ковалентные связи, образуя жесткую и прочную решетку. Эта структура делает алмаз одним из самых твердых материалов на Земле.

Кристаллическая структура алмаза образует полиэдральную форму, где каждый атом углерода является вершиной полиэдра. Этот полиэдральный рисунок дается алмазу его характерной формой и блеском.

В результате разных структур графита и алмаза, эти два материала обладают различными физическими и химическими свойствами, включая их способность проводить электричество. Структура графита способствует передаче электричества, тогда как структура алмаза делает его непроводящим материалом.

Молекулярная структура графита

Каждый графеновый слой состоит из шестиугольных колец, образующих гексагональную решетку. Каждый атом углерода в графите связан с тремя другими атомами углерода, образуя плоскую структуру, похожую на пчелиные соты. Эти слои связаны слабыми взаимодействиями между атомами в плоскости и слабыми взаимодействиями между слоями, что обуславливает хорошую проводимость графита.

Каждый графеновый слой может перемещаться относительно других слоев, что делает графит мягким и пластичным. Это объясняет его использование в качестве смазок и материала для карандашей.

Молекулярная структура графита также обладает некоторыми другими особенностями. Например, из-за наличия свободных электронов между слоями, графит имеет способность проводить электричество, что делает его полезным материалом в электронике и промышленности.

В целом, молекулярная структура графита обеспечивает ему множество уникальных свойств, которые делают его незаменимым в различных областях науки и технологии.

Кристаллическая структура алмаза

Каждая связь углерод-углерод в алмазе является ковалентной, что означает, что электроны внешней оболочки атомов углерода совместно участвуют в образовании связей. Это создает сильные ковалентные связи, которые придают алмазу его твердость и неизменность структуры.

Структура алмаза позволяет каждому атому углерода иметь наименьшее количество энергии и обеспечивает плотную и регулярную упаковку атомов. Кристаллическая решетка алмаза образует кубическую структуру, где каждый угол куба составляет 109.5 градусов.

Из-за своей кристаллической структуры, алмаз обладает множеством уникальных свойств, включая высокую твердость, прозрачность для света и химическую стойкость. Кристаллическая структура алмаза также позволяет ему быть хорошим теплоотводом и прекрасным проводником тепла.

Видео:ГРАФИТ. НЕОБЫЧНЫЕ СВОЙСТВАСкачать

5. Проводимость графита и непроводимость алмаза

Графит обладает слоистой структурой, в которой атомы углерода организованы в плоские слои. Каждый слой состоит из шестиугольных колец атомов углерода, связанных между собой с помощью сильных ковалентных связей. Внутри плоского слоя связи между атомами углерода достаточно крепкие, однако между слоями существует слабое взаимодействие. Благодаря этому графит обладает металлической проводимостью электричества вдоль плоскости слоев.

Алмаз же имеет трехмерную кристаллическую структуру, в которой каждый атом углерода тесно связан с другими атомами с помощью сильных ковалентных связей. Кристаллическая решетка алмаза образует твердое, непроводящее электричество вещество. В отличие от графита, алмаз не образует слоистую структуру, а его атомы углерода не могут перемещаться вдоль образующих слои плоскости.

Таким образом, различия в проводимости графита и непроводимости алмаза объясняются их структурой и способностью электронов свободно перемещаться в графите, но оставаться фиксированными в алмазе.

6. Влияние связей между атомами

В молекулярной структуре графита атомы углерода соединены друг с другом при помощи сильных ковалентных связей внутри плоскости, но слабо связаны между собой в третьем измерении, образуя слоистую структуру. Это позволяет электронам свободно передвигаться вдоль плоскости графита и обеспечивает его проводимость электричества.

В кристаллической структуре алмаза каждый атом углерода связан с четырьмя соседними атомами через ковалентные связи, образуя трехмерную решетку. Эти связи очень крепкие и не позволяют электронам свободно передвигаться, что делает алмаз непроводимым для электричества.

Таким образом, различия в электронной структуре и связях между атомами графита и алмаза определяют их проводимость электричества. Графит благодаря своей слоистой структуре может принимать электроны и передавать их вдоль плоскости, в то время как алмаз обладает трехмерной структурой, которая не позволяет электронам передвигаться.

Различия в электронной структуре

Графит имеет плоскую двумерную молекулярную структуру, состоящую из слоев атомов углерода, которые соединены соседними атомами по своим трех плоскостям. Такая структура образует углеродные слои, которые могут сдвигаться относительно друг друга при наложении силы. В каждом слое атомы углерода образуют шестиугольники, которые сопрягают свои пи электронные облака, образуя плоские пи-связи, что позволяет электронам свободно перемещаться вдоль плоскости и обеспечивает проводимость графита.

Алмаз, в отличие от графита, имеет кристаллическую трехмерную структуру. В каждом алмазном кристалле каждый атом углерода связан с четырьмя соседними атомами другими связями – σ-связями, образуя трехмерную ковалентную сетку. Данные связи сильно завязывают атомы углерода в кристаллической структуре, образуя кристаллы алмаза. Каждый атом углерода в алмазе полностью насыщен связями и не имеет свободных электронов, что делает его непроводимым для электричества.

Различия в электронной структуре графита и алмаза являются ключевыми для их различной проводимости электричества. В графите существует большой потенциал для перемещения электронов по плоскости вдоль слоев углерода, что обеспечивает его высокую проводимость электричества. В алмазе, в свою очередь, отсутствуют свободные электроны, которые могут перемещаться, и электричество не может проходить через его кристаллическую структуру.