Топология атома углерода

Вместе с бором углерод занимает на размерной шкале атомов диапазон приблизительно от 18 000 до 25 000 связанных электронов; “официальный” размер атома углерода, соответствующий его атомной массе, составляет 22 100 электронов. Атомы изотопов углерода могут отличаться размерами друг от друга довольно значительно; их разброс может составлять 4 500 электронов или приблизительно 20 процентов от номинала. В среднем атом углерода больше атома бора на 3 400 электронов; это, как раз, — то увеличение, которое делает углерод отличающимся от бора; а это отличие, главным образом, состоит в том, что у углерода не бывает тех “агрессивных” проявлений, какие есть у бора.

Топология атома углерода почти не отличается от топологии атома бора. Точно так же первоначальный тор деформируется в овал; потом на концах овала образуются петли; эти петли загибаются, стыкуются своими вершинами, еще раз загибаются, уходят, слипаясь, внутрь, отклоняются в сторону, выворачиваются и вытягиваются, образую в результате четырехшнурный жгут со спаренными петлями на концах.

Топология атома углерода по линии литий-бериллий-бор-углерод — основная, но возможен и такой вариант, когда литиево-бериллиевый загиб петель внутрь не происходит. В нем отпадает необходимость, если концевые петли овала случайным образом загнутся так, что их присасывающие стороны окажутся обращенными друг к другу, то есть во внутрь. Устремившись навстречу и столкнувшись вершинами, петли начнут взаимно присасываться и вытягиваться в линию, образуя на другом конце шнуров вторичные петли. Таким образом атом углерода сразу же приобретает свою окончательную вытянутую формы. Вторичные петли в таком случае оказываются взаимно отталкивающими: их присасывающие стороны будут располагаться снаружи. Отталкиваясь, они разойдутся веером и поспешат присосаться к таким же петлям других атомов. В крайнем случае, если этим петлям не представится возможность найти себе пары на стороне, они, выкручиваясь, замкнутся сами на себя. Такова топология окончательно сформировавшегося одиночного атома углерода. У него, как и у атома бора, — четыре петли и два желоба; петли — попарно сомкнувшиеся, а желоба — выкрученные.

Стереометрия аллотропии углерода.

Атомы углерода могут объединяться между собой в разных комбинациях, и каждый вид объединений дает свою оригинальную аллотропическую модификацию. Соединения осуществляются в основном петлями, но могут быть и соединения атомов с помощью желобов.

Для того, чтобы атомы углерода начали соединяться между собой петлями, последние необходимо предварительно раскрыть. Осуществить это можно различными способами: тепловым воздействием, давлением, жесткими волнами эфира, с помощью катализаторов или комбинацией этих факторов. Наиболее распространенную аллотропическую модификацию углерода — графит можно получить, например, путем нагревания антрацита без доступа воздуха. Рассмотрим этот процесс более подробно.

Одиночный атом углерода, как мы отмечали, представляет собой дважды сложенное кольцо: сначала исходный тор сплющивается в овал, то есть растягивается, а потом складывается еще раз; полученная конфигурация напоминает фигуру шва теннисного мяча. Если вдвое сложенный замкнутый шнур атома углерода растянуть, то на концах образуются парные петли. (Напомним, что радиусы этих петель равны 285 шарикам.) Полученная форма одиночного атома — не окончательная: одна из пар петель окажется сложенной отталкивающими сторонами — такого быть не может, и эти петли постараются как-нибудь вывернуться, чтобы вновь соединиться, но уже обратными присасывающими сторонами. Длина сложенного атома углерода позволяет это сделать, и петли развернутся и сложатся, но при этом спаренные шнуры, то есть желоба, будут выкручены. Очевидно, такая форма одиночного атома углерода не очень устойчива, так как в ней присутствует противоборство желобов и петель: выкрученные желоба хотели бы выпрямиться в ущерб слипшимся петлям, а те, в свою очередь, будут всеми своими силами сохранять свое слипание.

Частичное разрешение противостояния желобов и петель может произойти даже при самом незначительном нагреве или даже без него — в нормальных условиях: если два атома случайно столкнутся между собой вывернутыми петлями, то эти петли могут раскрыться (как ладони) и состыковаться, образовав таким образом молекулу. Можно даже предположить, что в антраците углерод находится именно в таком молекулярном состоянии.

При более высоком нагреве молекулы углерода из двойных атомов соединяются в графит. При случайном столкновении двух молекул своими концами их петли могут раскрыться и соединиться перекрестно, то есть к присасывающей стороне петли одной молекулы может прилипнуть присасывающей стороной петля другой молекулы. Такое соединение первых двух молекул между собой можно считать началом роста кристалла графита. В перекрестном соединении двух молекул слипшимися оказываются только их две петли, а две другие оказываются раскрытыми. Они будут искать себе пары, и при случайном столкновении с другими молекулами раскроют их концевые петли и выберут себе по одной из них, образовав таким образом следующие межмолекулярные связи. Подобные подсоединения будут происходить и в продольном и в поперечном направлениях до тех пор, пока будут находиться очередные свободные молекулы углерода и пока их тепловые движения позволят это делать. Возникающий кристалл графита будет плоским, так как петли всех соединившихся молекул имеют параллельную ориентацию.

После прекращения роста кристалла процесс его формирования продолжится: должна решится судьба оставшихся открытыми петель, располагающихся по бокам кристалла (на концах кристалла они замкнуты). Раскрытые боковые петли соседних атомов, тех, что образовали в самом начале молекулы, устремятся навстречу друг другу, столкнутся своими вершинами и, слипаясь, загнутся вовнутрь, напоминая тем самым образование атомов лития и бериллия.

Возникшие кристаллы графита будут иметь, как принято говорить, формы чешуек, то есть будут плоскими. Если же уточнять, то их формы больше будут напоминать вытянутые пластины с анизотропными свойствами, чем гексогональные изотропные чешуйки. Кристалл графита имеет возможность в любое время продолжить свой рост; но для того, чтобы расти ему в ширину, нужно разорвать только что слипшиеся “в сердечко” петли соседних атомов, а это сделать уже не легко.

Пластины графита могут собираться в стопки, присасываясь одна к другой желобами, и даже не ими, а отдельными их точками — выступающими боковушками петель. Эти соединения непрочны, и поэтому карандаш можно чинить простым ножом. В то же время разорвать отдельный кристалл графита практически невозможно: настолько крепки его петлевые соединения. Они противостоят даже химическому воздействию; поэтому графит — достаточно инертное вещество. Его химическая стойкость, механическая прочность и тонко пластинчатая структура делают его хорошей смазкой трущихся поверхностей при большом удельном давлении.

Черный цвет графита объясняется тем, что прямые участки шнуров его атомов настолько длинные, что могут “звучать” только на низких инфракрасных частотах. Понятна также радиационная стойкость графита: его атомы не имеют опасных изгибов, готовых привести к излому упругих шнуров при жестких ударах радиации. И еще — об электропроводности графита: у его атомов все присасывающие желоба почти полностью открыты, не имеют пересечений и удобно соединяются между собой петлями, — и все это способствует тому, что электроны могут свободно перемещаться по кристаллам графита. Некоторое сопротивление они испытывают только на стыках петель. Но на боковых сторонах кристаллов, где присасывающие желоба образуют “сердечки” как у атомов металлов, сопротивление движению электронов почти полностью отсутствует. В толстом слое графита электроны имеют возможность, перескакивая с одной цепочки атомов на другую, избегать петлевых стыков и поэтому испытывают меньшее сопротивление своему движению.

Не избежать электронам петлевых стыков только в том случае, если кристаллы графита будут представлять собой отдельные нити. Выше мы отмечали, что кристалл графита анизотропен: его структуры в продольном направлении и в поперечном — различные, и обусловлено это тем, что продольное наращивание кристалла требует одних физических условий, а поперечное — других. При наличии и тех и других кристалл растет и в длину и в ширину; но если в действительности окажутся только первые условия и не будут соблюдены вторые, то кристаллы начнут вытягиваться в нити; появится новая аллотропическая модификация углерода — карбин. О нем можно сказать так: идеальный кристалл карбина представляет собой тот же кристалл графита, но с шириной в один атом.

Карбин относится к линейным полимерам углерода. Его отличительной особенностью является то, что сплетенный из его непрерывных нитей в сотни раз прочнее остальных, и поэтому нити карбина используют для армирования сверхпрочных композиционных материалов. Другой особенностью этих нитей является то, что их электропроводность значительно ниже, чем у графита (с этого мы начали разговор о нем). Правда, обнаружено, что под воздействием света электрическое (электронное) сопротивление карбина резко снижается; и в этом проявляются его полупроводниковые свойства: короткие, но жесткие волны света подталкивают электроны и помогают им преодолевать неудобные переходы в петлевых соединениях.

Но самой, пожалуй, интересной (точнее — привлекательной) аллотропической модификацией углерода является пространственный полимер — алмаз. Кристалл алмаза выращивается при сочетании определенных условий, основными из которых являются давление в 60 000 атмосфер и температура в интервале 1 600 … 2 000 градусов Цельсия. Главным из этих факторов является давление, а температура в основном определяет скорость роста.

В формировании кристалла алмаза принимают участие одиночные атомы углерода (в графите они — парные) с нормальной взаимоперпендикулярной ориентацией петель на противоположных концах, при этом у одной пары петель атома присасывающие стороны располагаются снаружи, а у другой — изнутри., так что шнуры стволов атомов — не выкрученные, а нормальные. Петли атома расходятся от ствола веером с максимальным углом между ними в 90 градусов. Конечно, в свободном состоянии атомы углерода такими быть не могут. Поэтому можно предположить, что кристаллы алмаза выращиваются не из чистого углерода, а из связанного, например из углеводорода, в частности из метана: в нем атом углерода имеет самые подходящие формы для подсоединения к кристаллу.

Кристалл алмаза представляет собой трехмерную ортогональную конструкцию без косых, диагональных связей. Особенностью кристалла является то, что узлы соединений атомов в нем — не пространственные, а плоские; трехмерность общей конструкции возникает вследствие того, что плоские двумерные узлы на концах каждого из атомов ориентированы перпендикулярно друг другу.

Рассмотрим устройство межатомного узла, имея в виду, что все узлы кристалла — абсолютно одинаковые. Он объединяет четыре атома; все они сходятся к нему по двум взаимно перпендикулярным прямым линиям. Петли одной пары атомов, лежащих на общей прямой, имеют внешние присасывающие стороны, а петли другой пары, располагающейся на перпендикулярной прямой, — внутренние. В узле петли вторых атомов охватывают петли первых, и они накрепко слипаются; прочность их соединения определяет прочность алмаза. Других соединений, например с помощью желобов, кристалл не имеет.

Завершенные узлы, объединяющие по четыре атома, располагаются внутри кристалла, а на его поверхности они — некомплектные; их доукомплектование и есть рост кристалла. Представим себе незавершенный узел, объединяющий только три атома углерода; у него слипшимися будут только две пары петель, а оставшиеся две петли от встречно расположенных атомов будут прикрыты атомами водорода. Также прикрытыми будут петли того атома углерода, который должен присоединиться к данному узлу. Учитывая то, что метан в сложившихся условиях рождения кристалла находится в предплазменном состоянии, когда атомы водорода еле-еле удерживаются на своих местах, присоединяемый атом углерода под воздействием давления отжимает атомы водорода и замыкает своими петлями освободившиеся петли узла; узел становится завершенным.

Не будет особых проблем и при доукомплектовке узла из двух атомов при дополнении его третьим, уже встроенным в кристалл и готовым к присоединению; этому третьему атому не остается ничего другого, как искать своим свободным концом возможности присоединения к некомплектному узлу, и он ее находит.

Труднее всего происходит зарождение нового узла; здесь возможны два варианта, один из которых кристаллу неприемлем; встает вопрос: как он избегает его? Неприемлемым является соединение петель однонаправленными сторонами, например наружной с наружной или внутренней с внутренней. Значит, если на свободном конце атома углерода — петли с внутренними присасывающими сторонами, то первое подсоединение к нему должно быть петель другого атома с внешними сторонами. Остается предположить, что в случае зарождения нового узла с неправильным подсоединением очередного атома (а таких случаев — половина от общего числа) не может возникнуть комбинация с встраиванием ее в кристалл, и она рано или поздно будет разрушена. И только при правильном зарождении узла атомы углерода, его образующие, встраиваются в кристалл, и там они чувствуют себя в безопасности.

Рост кристалла прекращается тогда, когда физические условия изменяются настолько, что не отвечают требованиям роста. Какие это условия? Мы их уже упоминали: во-первых, они должны создавать предплазменное состояние исходного материала; во-вторых, они должны разрушать неправильные комбинации атомов и, в-третьих, они должны быть бессильны разрушить правильно соединенные атомы. Получается так, что физические параметры условий роста кристалла алмаза должны укладываться в определенный интервал: не ниже и не выше. Если не будут выполняться эти требования, то и большого кристалла не будет. Особенно обращаем внимание на второе условие — на разрушение неправильных комбинаций; реализовать его в условиях производства искусственных алмазов можно простым механическим перетиранием кристаллов, дробящим неправильные из них, и не приносящим вреда полноценным.

После завершения роста кристалла алмаза все его поверхностные узлы будут недоукомплектованы; это означает, что он будет окружен “щетиной” из незамкнутых между собой петель атомов углерода. В естественных условиях петли притягивают к себе любой окружающий мусор и делают алмаз невзрачным. При огранке мусор удаляется и замещается прозрачным веществом. Если очищенный кристалл ничем не покрыть, то он скоро снова обрастает мусором.

Предложенная модель кристалла хорошо согласуется с физическими характеристиками алмаза. Его твердость выражается в том, что он не способен пластически деформироваться и противостоит механическому разрушению. Объясняется это тем, что атомы углерода в кристалле не имеют возможности изменять свое положение (они соединены петлями, а не желобами), связаны между собой перекрестными пространственными связями и связи эти образуются полноценными петлевыми соединениями. К этому следует еще добавить то, что кристалл алмаза не имеет дислокаций и инородных включений, за исключением, может быть, атомов бора. Последние, если их размеры близки к размерам атомов углерода, не только не ослабляют кристалл, но, напротив, упрочняют его. Разные длины атомов (у углерода, как мы знаем, они — тоже разные) делают всю конструкцию кристалла очень жесткой, противостоящей, в частности, косому сдвигу; поэтому алмаз не имеет даже упругих деформаций.

Прозрачность алмаза выражается в том, что его кристаллы имеют сквозные прямолинейные щели, сквозь которые волны эфира (света) проникают без препятствий; к тому же, на самой поверхности кристалла плотность атомов (их шнуров) не очень большая, и поэтому они не отражают свет. В то же время правильная внутренняя структура алмаза позволяет ему собирать свет и направлять его концентрированными пучками в определенных направлениях.

Стволы атомов углерода, то есть их прямые участки, в кристалле алмаза — очень короткие, так как большая часть их длины уходит на отогнутые концевые петли, поэтому если и “звучат” эти прямые участки, то только на высоких (голубых и далее) частотах.

С точки зрения электропроводности алмаз, как известно, — полупроводник: в пределах одного атома электроны движутся вдоль его присасывающих желобов, но при переходе на соседний атом они должны сначала перескочить на желоб, образованный слипшимися петлями, а затем уже с них — на присасывающий желоб другого атома; указанные перескакивания и определяют электрическое сопротивление. Перескакивания могут быть облегчены воздействием внешних факторов: жесткого света, повышенной температуры и прочих, — и это определяет полупроводниковые свойства алмаза.

Стереометрия углеводородов.

Молекулы углеводородов построены только у атомов углерода и водорода; вариантов их соединения — огромное количество. Их можно классифицировать по разным признакам: по степени насыщенности водородом (насыщенные и ненасыщенные), по разомкнутости-замкнутости (ацикличности и алицикличности), по фазовому состоянию (газообразные, жидкие, твердые), изомерности и по другим.

Самым мелкомолекулярным насыщенным углеводородом является метан: его молекула состоит из одного атома углерода и четырех атомов водорода. Не трудно себе представить стереометрию этой молекулы: на каждой петле атома углерода на их присасывающих сторонах закреплены по атому водорода; на одном конце атома углерода водородные торы роспологаются снаружи, а на другом — изнутри; петли с прилипшими к ним атомами водорода расходятся от ствола атома углерода веером, причем угол расхождения петель с внутренними присасывающими сторонами больше, чем с внешними.

Если атом метана дополнять группой из одного атома углерода и двух атомов водорода, то получится гомологический ряд атомов насыщенных углеводородов: этан (два углерода и шесть водородов), пропан (три углерода и восемь водородов), бутан (четыре углерода и десять водородов), пентан (пять углеродов и двенадцать водородов) и так далее.

Стереометрия молекул этих углеводородов — уже сложнее, чем у молекулы метана, и, кроме того, они видоизменяются у каждого углеводорода в отдельности; такие видоизменения называются изомерами; определяются они соединениями петель атомов углерода. У этана возможны три варианта: его два атома углерода могут слипаться внешними сторонами, внутренними или перекрестно. У пропана, имеющего три атома углерода, таких комбинаций может быть четыре; у бутана — больше, а у пентана — еще больше. Но во всех этих изомерных стереометриях обнаруживается следующая закономерность: если петли соединяются одними сторонами (либо внешними, либо внутренними), то стволы атомов углерода в молекулах располагаются в линию, параллельно друг другу; а если петли соединяются перекрестно (внешней стороной с внутренней), то стволы атомов углерода располагаются перпендикулярно или близко к тому. Говоря о стереометрии углеводородов, мы не должны забывать, что петли на одном конце атома развернуты по отношению к петлям на другом его конце под прямым углом; из-за этого любая молекула представляет собой пространственную конструкцию (но на плоском листе бумаги такие объемные конструкции приходится изображать плоскими).

Стереометрия позволяет ответить на вопрос: почему некоторые углеводороды газообразны, другие в нормальных условиях являются жидкостями, а третьи — твердыми? Отметим, что газообразны мелкомолекулярные углеводороды: метан, этан, пропан, бутан; жидкостями являются углеводороды с более крупными молекулами, начиная с пентана, молекулы которого содержат по пять атомов углерода, — и кончая углеводородом с шестнадцатью атомами углерода в молекуле; и наконец, твердыми являются парафины, молекулы которых содержат более девятнадцати атомов углерода; наиболее твердые парафины — их называют церезинами —имеют молекулы, содержащие более тридцати семи атомов углерода, и мелкокристаллическую структуру.

Ответ на поставленный вопрос будем искать все в той же пушистости. Атомы углерода сами по себе не имеют противоборствующих участков и поэтому не пульсируют. Пульсируют и очень интенсивно атомы водорода — мы об этом знаем. Так вот, в соединениях тех и других, то есть в углеводородах, углерод не подавляет колебания водородных атомов, и те создают вокруг него стоячие тепловые поля; плотность их вокруг молекулы может быть такой, что она вся превратится в пушистую частицу; а это уже — главный признак газообразности. Получается так, что атомы водорода своим порханием и своим стремлением поднять атом углерода в воздух напоминают сказочных пташек, уносящих с собой в высь прицепившуюся лягушку. Если у этих пташек — у водородных атомов — хватает сил, они делают молекулу газообразной; если не хватает, то — жидкостной; а уж если совсем не будет сил, то молекула останется прилипшей к твердому телу.

Кроме того пушистость углеводородной молекуле придают петлевые соединения атомов углерода; каждое такое соединение можно приравнять в этом смысле к одному атому водорода. Сказываются также расположение атомов водорода в молекулах углеводородов, конфигурация молекул, разумеется — температура и другие факторы.

Если учитывать только отношение количества атомов водорода плюс количество петлевых соединений к количеству атомов углерода в молекулах (назовем такое отношение коэффициентом пушистости), то у газообразных насыщенных углеводородов оно изменяется в пределах от 4 у метана (температура кипения минус 164,5 градуса Цельсия) до 3,25 у бутана (температура кипения минус 0,5 градуса); у жидкостных этот коэффициент колеблется от 3,2 у пентана (кипение при 36,1 градуса) до 3,063 у углеводорода с шестнадцатью атомами углерода; у парафинов — 3,053 до 3,029, а у церезинов — от 3,027 до 3,019.

Можно отметить еще такую закономерность: атомы водорода, располагающиеся на наружных сторонах петель углерода, создают большую пушистость, чем те, что располагаются на внутренних. Так у бутана, имеющего четыре наружных водорода, температура кипения равна минус 0,5 градуса, а у изобутана с пятью наружными водородами температура кипения еще ниже и составляет минус 11,7 градуса. То же самое наблюдается у жидкостей: пентан с шестью наружными водородами закипает при 36,1 градуса Цельсия, а изопентан с семью наружными водородами при 27,9 градуса.

Стереометрия ненасыщенных углеводородов — несколько сложнее. Возьмем для примера ацетилен, молекула которого состоит из двух атомов углерода и двух атомов водорода. Он получается при реагировании карбида кальция с водой или из метана при пропускании через него электрических разрядов. Отличительной особенностью стереометрии ацетилена является тройная связь атомов углерода в его молекулах. Это означает, что, во-первых, петли с внутренними присасывающими сторонами одного атома углерода охватывают петли с наружными присасывающими сторонами второго атома, и во-вторых, из оставшихся петель две, по одной от каждого атома, загнуты навстречу друг другу и образуют накладку типа той, что есть у атома гелия; и только оставшиеся незамкнутыми остальные две петли соединены с атомами водорода.

Позволим себе предположить, как возникает молекула ацетилена в момент проскакивания электрического разряда в метане. Разряд превращает метан в плазму; по-просту говоря, он срывает с атомов углерода атомы водорода. Освободившиеся атомы углерода соединяются между собой по-парно максимально возможным образом, то есть тремя петлями, как было сказано выше. Те петли, что образуют гелиевую накладку, стягиваясь, изогнут вновь образованную молекулу так, что две оставшиеся незамкнутыми петли не смогут дотянуться друг до друга и вынуждены будут поймать и присосать к себе находящиеся поблизости атомы водорода.

Характерной чертой стереометрии ненасыщенных углеводородов является двойная связь атомов углерода, когда петли с внутренними присасывающими сторонами одного атома охватывают петли с наружными сторонами другого атома; назовем такое соединение скобою. Она наблюдается и у ацетилена, и у этилена, и у бутилена, и у всех других ненасыщенных углеводородов; благодаря ей количеств атомов водорода в молекулах таких углеводородов уменьшается.

Скоба сильно пульсирует; ее пушистость можно оценить приблизительно в 3,1 тепловых поля атомов водорода. С учетом этого коэффициент пушистости этилена оказывается равным 3,55, и он по газообразности располагается между метаном (4) и этаном (3,5); температура вскипания этилена (минус 103,8 градуса Цельсия) выше чем у метана (минус 164,5 градуса), но ниже чем у этана (минус 88,6 градуса). Коэффициент пушистости бутилена с учетом действия скобы составляет 3,275, и бутилен со своей температурой кипения минус 6,3 градуса располагается между пропаном (коэффициент пушистости 3,33, температура кипения минус 42,1 градуса) и бутаном (коэффициент 3,25, температура минус 0,5).

Особая пушистость — у ацетилена; эта особенность вызвана его оригинальной стереометрией. Если оценить пушистость гелиевой накладки в 1,7 водородных тепловых поля, то коэффициент пушистости ацетилена составит 3,4, и он со своей температурой кипения минус 75 градусов займет место между этаном и пропаном.

Завершая разговор об углеводородах, отметим их бесцветность; она объясняется все тем же: атомы в молекулах углеводородов не имеют таких длин прямолинейных участков шнуров, которые колебались бы (“звучали”) на видимых человеческим глазом частотах.

Стереометрия и топология карбидов.

Карбиды, то есть соединения углерода с металлами (и некоторыми неметаллами, например с кальцием), имеют свою особую стереометрию; она характерна тем, что атомы в них соединяются не петлями, как в углеводородах, а желобами; при этом конфигурация атомов сильно видоизменяется, то есть стереометрия карбидов сопрягается с топологией атомов в них. Некоторое изменение форм атомов углерода наблюдалось, как мы видели, и в аллотропических модификациях, и в молекулах углеводородов; но там это выражалось в основном в развороте или отгибе концевых петель; но стволы атомов, состоящие из спаренных желобов, сохранялись почти неизменными. В карбидах атомы углерода могут трансформироваться до неузнаваемости.

Карбиды, как известно, получают прокаливанием при высоких температурах смеси порошков металлов или их оксидов с углем в электрических печах. Комбинацией электронного и теплового воздействия смеси приводятся в состояние плазмы, когда атомы металла разъединяются и легко скользят, с молекул оксидов срывается кислород, а стволы атомов углерода напоминают пучок бренчащих струн, утративших свое единство. В таком состоянии атомы металлов и углерода, перемешиваясь, находят такие формы контакта, которые противостоят электронно-тепловому разрушению.

Поясним сказанное на примере. Пусть прокаливается в электропечи смесь порошков бериллия и углерода; температура смеси поддерживается на уровне 1700 градусов. Бериллий в этих условиях становится жидким (его температура плавления равна 1284 градусам), а атомы углерода находятся в “пьяном” состоянии. Перемешиваясь, атомы бериллия и углерода будут находить такие соединения между собой, которые способны противостоять тепловым движениям: для их разрушения уже требуется температура в 2150 градусов; эти соединения называют карбидом бериллия. Процесс “подстраивания” будет происходить до тех пор, пока вся жидкая фаза не превратится в твердый карбид.

Пример с бериллием хорош тем, что сам бериллий дает нам подсказку в объяснении загадки карбидов. Когда мы рассматривали топологию атомов этого металла, то подчеркивали его способность склеивать атомы других металлов, делая их более прочными. Теперь точно таким же способом упрочняется сам бериллий, но в качестве клея уже используется углерод. В данном случае атом углерода напоминает своей формой атом бериллия: у него остаются замкнутыми между собой только первичные петли, а все тело выглядит как длинный желоб из спаренных шнуров, прилипший к соседним атомам бериллия и повторяющий их контуры. В образном сравнении атом углерода в карбиде напоминает тот же костюм взрослого, но не на фигуре школьника, а на груди ребенка.

Склеивание атомов металлов с помощью атомов углерода существенно повышает прочность их соединения, и это отражается на их жаростойкости, Чистый титан, плавящийся при температуре 1668 градусов, в соединении с углеродом остается твердым вплоть до температуры в 3140 градусов. Наряду с исключительной жаростойкостью и тугоплавкостью (порядка 3000 градусов) карбиды характеризуются высокой коррозионной стойкостью.

Некоторое исключение составляют карбиды марганца и железа: они термически и химически менее устойчивы, — и объяснить это можно тем, что они не являются полноценными металлами, то есть их атомы имеют несколько иные формы. К тому же, в железе углерод склонен объединяться в графит; смесь железа, карбида и графита известна как чугун.

Соединения атомов металлов с атомами углерода нельзя считать молекулами: эти соединения представляют собой сплавы; поэтому не совсем правильно изображать карбиды в виде формул молекул. То, что длины спаренных шнуров одного атома углерода хватает для того, чтобы опоясать два атома бериллия, не говорит о действительном соединении их между собой: соединиться они могут в любом количественном соотношении. Не поворачивается язык называть карбидные частицы кристаллами: они не имеют стереометрически правильную, регулярно повторяющуюся структуру, такую, например, как у графита или у алмаза.

Представление карбидов в виде сплавов, в которых атомы углерода похожи на атомы металлов, подтверждаются их металлическими признаками: большинство из них имеет высокую электропроводность, металлический блеск, положительный термический коэффициент электросопротивления и другие.

Дата добавления: 2014-12-25