Номер 13, страница 165 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 4. Закономерности протекания химических реакций и физико-химических процессов. Параграф 23. Химическое равновесие и способы его смещения - номер 13, страница 165.

Условие.

13. В 1939 г. были опубликованы термодинамические расчёты обратимого процесса превращения одной аллотропной формы углерода в другую:

$\text{C}(\text{графит}) \rightleftharpoons \text{C}(\text{алмаз})$

Известно, что при нагревании свыше 1800 °С при нормальном давлении алмаз превращается в графит, равновесие смещено влево. Найдите в Интернете или в литературе условия, при которых графит превращается в алмаз, т. е. равновесие смещено вправо. Возможно ли получение искусственных алмазов таким способом? (Разобраться в данном вопросе вам поможет книга: Зимон А. Д. Популярная физическая химия. — М.: Радэкон, 2000.)

Решение.

Решение 2.

Для анализа условий, при которых происходит превращение графита в алмаз, необходимо обратиться к принципу Ле Шателье. Этот принцип гласит, что если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, оказывается внешнее воздействие (изменение температуры, давления или концентрации), то равновесие смещается в направлении, которое ослабляет это воздействие. Рассмотрим процесс: $C(\text{графит}) \rightleftharpoons C(\text{алмаз})$

1. Влияние давления. Ключевым отличием между графитом и алмазом является их плотность. Плотность графита составляет около 2,26 г/см³, в то время как плотность алмаза значительно выше — около 3,51 г/см³. Это означает, что при одинаковой массе алмаз занимает меньший объем, чем графит. Прямая реакция (превращение графита в алмаз) идет с уменьшением объема системы ($\Delta V < 0$). Согласно принципу Ле Шателье, для смещения равновесия в сторону меньшего объема необходимо увеличить давление. Таким образом, для синтеза алмаза из графита требуется создание очень высокого давления.

2. Влияние температуры. Переход графита в алмаз является эндотермическим процессом, то есть он идет с поглощением тепла ($\Delta H > 0$). Стандартная энтальпия этого превращения составляет примерно +1,9 кДж/моль. По принципу Ле Шателье, для смещения равновесия эндотермической реакции в сторону продуктов (вправо) необходимо повышать температуру. Однако, что еще более важно, при обычных температурах скорость перестройки кристаллической решетки из графита в алмаз ничтожно мала, даже при высоком давлении. Поэтому высокая температура необходима не только для смещения равновесия, но и для преодоления огромного энергетического барьера реакции, то есть для обеспечения приемлемой скорости процесса.

Следовательно, условия, при которых графит превращается в алмаз, — это одновременное воздействие очень высоких давлений и высоких температур. На фазовой диаграмме углерода область термодинамической стабильности алмаза как раз находится в зоне высоких P и T. Например, для синтеза алмаза при температуре около 1500 °C требуется давление порядка 5,5 ГПа (гигапаскалей), что примерно в 54 000 раз превышает нормальное атмосферное давление.

Возможно ли получение искусственных алмазов таким способом?

Да, это не только возможно, но и является основным промышленным методом получения синтетических алмазов. Этот метод называется HPHT (High Pressure/High Temperature — высокое давление/высокая температура). Технология была разработана в середине XX века, после того как термодинамические расчеты теоретически обосновали такую возможность. В процессе синтеза графит помещается в специальный аппарат (пресс), где создаются необходимые экстремальные условия. Часто для ускорения процесса и снижения требуемых давления и температуры используют металлы-катализаторы (например, железо, никель, кобальт). Углерод растворяется в расплавленном металле и затем кристаллизуется в виде алмаза, так как в данных P-T условиях именно алмаз является стабильной формой. Таким способом сегодня производят значительную часть технических и ювелирных алмазов.

Ответ: Для превращения графита в алмаз, то есть для смещения равновесия вправо, необходимо создать условия очень высокого давления (порядка 5–6 ГПа и выше) и высокой температуры (1400–1600 °C). Да, получение искусственных алмазов таким способом возможно, и это является основным промышленным методом их синтеза, известным как метод HPHT.