Question

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

Answer 1

Ну, это проходили ещё в школе на уроках химии.

Алмаз к тому же ещё и гораздо прочнее графита.

Объясняется это тем, что у графита и алмаза совершенно разная молекулярная структура. Что и является причиной того, что эти два вещества выглядят совершенно по разному и имеют разные свойства, хотя и состоят из атомов углерода.

Answer 2

Все дело в том, что хотя эти вещества состоят из одного элемента - углерода, но расположение атомов углерода относительно друг друга в кристаллической решетке там разное. В алмазе каждый атом служит вершиной тетраэдра, в результате получается самая плотная упаковка атомов, поэтому алмаз не только прозрачный, но и весьма твердый. А графит - мягкий (карандаши из него делают), и тоже благодаря кристаллической решетке с ярко выраженной слоистой структурой.

Answer 3

Причиной, как уже сказал Сергей МИДИмэн, является то, что алмаз и графит имеют различную структуру. Но причину, почему это различие приводит именно к такой разнице в свойствах, он не раскрыл.

Алмаз представляет собой структуру, в которой каждый атом углерода находится в sp3-гибридном состоянии и связан с четырьмя ему подобными. При этом каждая из связей насыщена, свободных валентностей нет и электроны полностью заполняют валентную зону, образованную молекулярными орбиталями, связывающими атомы углерода между собой. При этом все электроны локализованы -- чтобы придать электрону дополнительную энергию для его перемещения, нужно перевести его на соседний уровень внутри зоны, а все уровни заняты. Принцип Паули запрещает находиться двум одинаковым электронам в одной системе, поэтому чтобы "оторвать" электрон и сделать его свободным, нужно придать ему энергию порядка энергии связи углерод-углерод. Такая энергия соответствует дальнему УФ излучению, для которого алмаз непрозрачен. А видимое излучение алмаз пропускает, так как энергии его квантов не хватает для того, чтобы изменить энергию электронов.

У графита ситуация другая. Каждый атом углерода связан с тремя другими атомами (sp2-гибридизация) и четвертый электрон остается "лишним". Эти "лишние" электроны образуют общее для всех атомов слоя электронное облако над и под слоем. В этом облаке электроны делокализованы и свободно перемещаются, чем обеспечивается высокая проводимость графита и сильное поглощение света с любой длиной волны.

Answer 4

Мало того, что алмаз является прозрачным веществом, а графит не пропускает световые волны любой частоты, алмаз к тому же твердый прозрачный диэлектрик, а графит хрупкий проводник, т. е. проводит электричество. То, что столь отличные свойства объясняются разной упаковкой атомов углерода в кристаллической решетке этих двух веществ нам хорошо известно со школы:

Но не её строение имеет первостепенное значение в пропускании света. Свет поглощается в тех случаях, когда его захватывают свободные электроны. Кристаллическая решетка алмаза удерживает электроны в прочных связях, и они поглощают свет только на частотах возбуждения межатомных связей, которые не попадают в видимую часть спектра.

В графите свободные электроны слабых связей перемещаются по монослоям, соединяющих атомы сильными связями. Они то и поглощают свет любой частоты, делая графит непрозрачным.