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

Углерод — один из самых удивительных элементов на Земле, имеющий множество аллотропных форм. Две из них — алмаз и графит — стоят на противоположных концах спектра. Алмаз славится своей прозрачностью и блеском, в то время как графит известен своей тёмной непрозрачной структурой. В чём же причина таких различий?

Кристаллическая структура

Ключ к пониманию различий между алмазом и графитом лежит в их кристаллической структуре. Алмаз имеет тетраэдрическую структуру, где каждый атом углерода связан с четырьмя другими атомами прочными ковалентными связями. Это создает крепкую трёхмерную сеть, которая не позволяет свету рассеиваться или поглощаться — отсюда и его прозрачность.

Напротив, графит состоит из слоев плотно упакованных атомов углерода в шестиугольной плоскости. Эти слои связаны между собой слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, позволяющими им легко скользить друг по другу. Свет не может проникать сквозь графит по той причине, что его слои эффективно поглощают и рассеивают свет, делая материал непрозрачным и чёрным.

Электронные свойства

Не менее важным аспектом являются электронные свойства этих материалов. Алмаз действует как электроизолятор, что также повышает его прозрачность, поскольку электроны в связях не переходят на более высокие энергетические уровни и не поглощают световую энергию.

В графите, напротив, электроны более свободны и способны перемещаться между слоями, что способствует эффективному поглощению света. Эти свободные электроны делают графит проводником электричества, в отличие от алмаза.

Внешние различия между алмазом и графитом, несмотря на их идентичный химический состав, определяются тем, как атомы углерода связаны в их кристаллических структурах. Именно эти уникальные связи придают алмазу его прозрачность и твердость, а графиту — черноту и мягкость. Такие удивительные свойства углерода делают его одним из самых многогранных элементов, что наглядно демонстрируют его аллотропные формы.