Почему образование графита из алмаза термодинамически выгодно, но практически не наблюдается при обычных условиях; какие факторы контролируют скорость и можно ли ускорить процесс

8 Окт в 11:37
7 +2
0
Ответы
1

Коротко — потому что термодинамически графит устойчивее при нормальных условиях, но переход алмаз → графит ограничен очень большим кинетическим барьером. Пояснение и детали.

1) Почему «выгодно» термодинамически, но не происходит самопроизвольно

При 1 атм и комнатной температуре свободная энергия GGG графита чуть меньше, чем у алмаза, поэтому ΔGалмаз→графиталмаз → графиталмазграфит < 0 — графит термодинамически предпочтителен. Разница энергии сравнительно мала порядокединицкДж/мольпорядок единиц кДж/мольпорядокединицкДж/моль.Однако превращение требует переразвержения и перестройки многих C–C связей: sp3‑структура алмаза должна превратиться в sp2‑сеть графита. Это реконструктивный процесс с очень большим энергетическим барьером разрушениепрочныхsp3‑связей,реорганизацияатомнойсети,образованиеядрановойфазыразрушение прочных sp3‑связей, реорганизация атомной сети, образование ядра новой фазыразрушениепрочныхsp3‑связей,реорганизацияатомнойсети,образованиеядрановойфазы. Из‑за этого скорость реакции при низкой температуре практически нулевая, несмотря на положительную термодействующую «мотивацию». Именно это и называется метастабильностью алмаза.

2) Какие факторы контролируют скорость перехода

Температура: главный фактор — скорость растёт экспоненциально ArrheniusArrheniusArrhenius. Для крупных, качественных кристаллов нужны очень высокие T тысячи°Cтысячи °Cтысячи°C для заметной конверсии; для дефектных/наночастиц — значительно ниже.Давление: высокое внешнее давление стабилизирует sp3‑сеть алмазалмазалмаз; пониженное давление слегка благоприятствует графиту.Дефекты и дислокации: вакансии, границы зерен, повреждения — являются центрами нуклеации графита и снижают барьер.Размер частиц/поверхностный эффект: у нанодиамондов высокий удельный вклад поверхности — переход в sp2‑фон легче. Мелкие частицы графитизируются при гораздо более низких температурах.Химическая среда/термическая обработка: присутствие каталитических металлов Fe,Ni,Coидр.Fe, Ni, Co и др.Fe,Ni,Coидр. и некоторых газовых сред например,водород/углеводородыприопределённыхусловияхнапример, водород/углеводороды при определённых условияхнапример,водород/углеводородыприопределённыхусловиях может способствовать перераспределению связей. Но в обычном воздухе при нагреве чаще происходит окисление сгораниeсгораниeсгораниe алмаза, а не графитизация.Ионизирующее/лучевое воздействие и механическая деформация: облучение электронными/ионными пучками, лазерное воздействие, сверхбыстрое локальное нагревание, ударная обработка — всё это создаёт дефекты и может инициировать графитизацию.Кинетика нуклеации: образование первых «ячее́к» сп2‑фазы ядерядерядер требует определённых условий; если нуклеация затруднена, переход почти полностью подавлен.

3) Можно ли ускорить процесс и как практически это делают
Да, можно — но методы зависят от размера/качества алмаза и от того, хотите ли вы контролируемую графитизацию или — наоборот — избегаете разрушения:

Способы ускорения

Повышение температуры: для монокристаллических алмазов без катализа нужны очень высокие температуры порядок1500–2500°Cивышеввакуумеилиинертнойатмосферепорядок 1500–2500 °C и выше в вакууме или инертной атмосферепорядок1500–2500°Cивышеввакуумеилиинертнойатмосфере для образования значимого количества графита. Нанодиаманты и повреждённые образцы начинают переходить при гораздо более низких температурах несотни—тысячи°Cвзависимостиотусловийнесотни—тысячи °C в зависимости от условийнесотнитысячи°Cвзависимостиотусловий.Катализаторы: контакт с феррометаллами Fe,Ni,CoFe, Ni, CoFe,Ni,Co и некоторыми переходными металлами значительно понижает энергетический барьер и ускоряет переход sp3 → sp2.Создание дефектов: предварительное облучение ионами,электронамиионами, электронамиионами,электронами, механическая обработка или химическое повреждение поверхности делает преобразование проще.Локальные методы: лазерная обработка, плотное электронное/ионное бомбардирование позволяет локально превратить поверхность или участки в графит/графеноподобные слои.Контроль атмосферы: графитизация требует инертной или вакуумной среды; в воздухе при нагреве возможна окисление алмаза сгораниесгораниесгорание, а не превращение в графит.

Практические замечания и ограничения

Нагрев в воздухе чаще приводит к окислению потеремассыпотере массыпотеремассы прежде, чем к графитизации; для контролируемой графитизации берут вакуум или инертные газы.Катализаторы и радиация обычно повреждают кристалл и могут делать структуру непригодной для ювелирных/технических целей.Для многих приложений соединениеалмаз‑графенит.п.соединение алмаз‑графен и т.п.соединениеалмазграфенит.п. используют преднамеренную локальную графитизацию поверхностей лазером,плазмойлазером, плазмойлазером,плазмой — это контролируемый способ получить sp2‑слой.

Короткий итог
Термодинамически графит стабилен, но кинетический барьер разрушениепрочныхsp3‑связейинуклеацияsp2‑фазыразрушение прочных sp3‑связей и нуклеация sp2‑фазыразрушениепрочныхsp3‑связейинуклеацияsp2‑фазы очень велик, потому на обычных условиях переход не наблюдаем. Ускорить переход можно поднятием температуры, введением дефектов или катализаторов и локальным энергоснабжением лазер,ионылазер, ионылазер,ионы, однако это требует специальных условий и почти всегда приводит к механическому/химическому разрушению исходного алмаза.

8 Окт в 12:37
Не можешь разобраться в этой теме?
Обратись за помощью к экспертам
Гарантированные бесплатные доработки в течение 1 года
Быстрое выполнение от 2 часов
Проверка работы на плагиат
Поможем написать учебную работу
Прямой эфир