Из чего всё сделано? Рассказы о веществе

Бабушкины серёжки и углерод 3D

Ну что, откроем шкатулку? Впрочем, и так ясно, что в ней маленькое женское богатство: колечки, серебряные и золотые, несколько подвесок из камней драгоценных металлов, золотые швейцарские часы с откидной крышкой, которые в прежние времена носили на длинной цепочке, пара бриллиантовых серёжек и колечко с бриллиантом. Наверно, это колечко подарил ваш дедушка вашей бабушке на свадьбу. Угадала?

Традиция дарить кольцо с бриллиантом или другим драгоценным камнем в честь помолвки и на свадьбу жива в Европе до сих пор. Хотя появилась она в Средние века, несколько сот лет назад, когда в Европе периодически вспыхивали эпидемии чумы. Эта страшная болезнь убивала тысячи и миллионы людей, спасения от неё не было. Но бедные люди, которых было большинство, подметили, что чума почему-то обходит стороной богатые семьи, укрывавшиеся за каменными стенами и заборами своих замков и усадеб. Богачи носили кольца с драгоценными камнями, чаще с бриллиантами. Вот люди и решили, что этот камень защищает от чумы.

Конечно, причина была совсем в другом. Чуму разносили крысы. И бедные люди, жившие в хижинах с земляными полами, рядом с крысами, становились лёгкими жертвами инфекции. В господские же замки крысы доступа не имели. Может быть, всё было и не так, но версия красивая и правдоподобная. Молодой человек, дарящий своей возлюбленной кольцо с бриллиантом, хочет уберечь и защитить её от напастей и болезней. Хотя понятно, что никакой камень не может справиться с такой задачей. В том числе и бриллиант.

Бриллиант — это огранённый алмаз. «Это свет солнца, сгустившийся в земле и охлаждённый временем, он играет всеми цветами радуги, но сам остаётся прозрачным, словно капля» — так писал об этом природном минерале русский писатель Александр Иванович Куприн. Но похоже, он не видел алмазов, которые извлекают из земли. А они совсем даже невзрачны на вид, матовые, шероховатые, покрытые какой-то корочкой из другого вещества. Только зоркий глаз знатока распознает в таком камне будущий бриллиант. Хотя, конечно, попадаются и прозрачные кристаллы, но это случается редко.

Сколько помнит себя человечество, столько оно помнит и алмазы. Кажется, они действительно были всегда. Но понять, как устроен этот минерал, удалось лишь двести лет назад. В 1649 году флорентийские академики поставили знаменитый опыт. Они взяли большое вогнутое зеркало, с его помощью сфокусировали солнечные лучи и этого горячего солнечного зайчика направили на камень. Алмаз взял и испарился без следа. Объяснить, почему так произошло, никто не смог. Затем, спустя десятилетия, великий французский химик Антуан Лоран Лавуазье занялся экспериментами с алмазами и выяснил, что при сильном нагревании на воздухе алмаз не испаряется, как вода из блюдечка, а сгорает, без остатка, переходя в газ. Наконец в 1814 году Гемфри Дэви со своим ассистентом Майклом Фарадеем повторили опыт флорентийцев и доказали, что алмаз состоит из чистого углерода.

Углерод — это ещё одно химическое чудо природы, потому вся жизнь на Земле крутится вокруг именно этого элемента. Казалось бы, ну что особенного в простом веществе, которое состоит только из атомов углерода? А дело в том, что в природе существует несколько веществ, причём очень разных, состоящих из атомов углерода. Чёрная сажа в печке, налипшая на стенках и пачкающая руки, — это чистый углерод. Грифель в простом карандаше, которым мы рисуем и пишем, — тоже чистый углерод, который мы называем «графит». А тут ещё прозрачные кристаллы чистого углерода — алмазы! Почему же они такие разные?

Всё дело в структуре. В чёрной саже атомы углерода располагаются хаотично, потому она такая мягкая и вялая. В графите атомы углерода соединяются в ажурные плоские сетки. Эти сетки уложены в стопку, как листы бумаги. Связи между слоями слабые, поэтому, когда мы рисуем карандашом, верхние слои графита легко отделяются и оставляют на бумаге след.

А вот алмаз — это уже 3D, выражаясь современным языком. Здесь каждый атом углерода соединён с четырьмя другими атомами углерода, которые располагаются на одинаковом расстоянии друг от друга в вершинах крошечных пирамидок — вроде египетских, только очень маленьких. Каждая такая вершина становится центром новой пирамиды и так далее. В результате этого образуется идеальная ажурная 3D структура. Атомы в ней держатся друг за друга изо всех сил, просто так их не оторвать, поэтому алмаз — самое твёрдое вещество на Земле. Недаром древние греки назвали этот камень «адамас» — несокрушимый.