Реферат на тему:


Воспользуйтесь поиском к примеру Реферат        Грубый поиск Точный поиск






Загрузка...

Реферат на тему:

Углерод и углеродные материалы

Углерод в виде сажи, древесного и каменного угля известный с глубокой древности.

Углерод составляет примерно 0,5% от массы земной коры (~ 1 · 1017 т). Круговорот углерода, как и любого другого элемента, происходит большим и малым циклами. Большой (геологический) круговорот связан с химическим выветриванием углерода литосферы и выносом в океан карбонатов изверженных пород с последующим метаморфизмом и выделением углекислоты в атмосферу.

Биологический круговорот углерода связан с жизнедеятельностью организмов. Углерод, содержащийся в виде СО2 в атмосфере (23,5 · 1011 т), служит сырьем для фотосинтеза растений. Часть углерода в виде СО2 возвращается в атмосферу при разложении растений, а другая часть накапливается в виде мертвой органики, например залежей угля и торфа - продуктов процесса фотосинтеза растений прошлых геологических эпох.

Основная масса углерода аккумулированная в карбонатных отложениях дна океана (1,3 · 1016 т), кристаллических породах (1,0 · 1016 т), каменном угле и нефти (3,4 · 1015 т). Именно этот углерод принимает участие в медленном геологическом круговорот. Жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддерживаются относительно небольшим количеством углерода, участвующего в малом круговорот и содержится в тканях растений (5 · 1011т) и животных (5 · 109 т).

Органогенные породы (Биолит) делятся на две группы - каустобиолиты (горючие ископаемые) и акаустобиолиты (негорючие породы: мел, известняк, кораллы).

В природе углерод встречается и в свободном состоянии, и в виде соединений - главным образом солей угольной кислоты (мел, известняк, мрамор). Многие углерода содержат каменный и бурый уголь, торф. Углерод входит в состав нефти, природного газа, воздуха, растений, организма человека и животных. В отличие от кислорода и азота углерод при обычных условиях кроме фуллеренов не образует молекул, у него атомные кристаллические решетки, что связано с чотирьохвалентнистю углерода. различные способых случаях углерод, как правило, четырехвалентное. Это же характерно и для кремния.

Углерод и кремний занимают особое положение среди других химических элементов. На основе углерода построены молекулы живых организмов. Кремний - один из главных элементов, которые образуют земную кору.

Углерод в виде сажи, кокса, древесного угля, костного угля находит широкое применение. Кокс используется в металлургии. Древесный уголь также применяют в металлургии, при изготовлении черного пороха и как адсорбент. Пиролиз животных остатков или костей дает животное или костно угля. Этот уголь имеет большую удельную поверхность, высокую способность поглощать газы и растворенные вещества. Если животное и костяной уголь обработать паром, то поверхность их, а следовательно, и поглощающая способность значительно возрастают. Такое обробление угля называют активированными. Активированный уголь применяют для очистки спирта (от сивушных масел), сахара и других веществ.

Алмаз

Это чистый углерод в кристаллическом виде. В 1694 флорентийские академики пытались сплавить несколько малых алмазов в один большой. Алмазы тлели как раскаленный уголь и, наконец, сгорели.

Кристаллическая решетка алмаза состоят из атомов углерода, соединенных между собой очень прочными ковалентными в-связями, образованные за счет перекрывания sp3-гибридных орбиталей атомов углерода и расположены, следовательно, в тетраэдрических углами.

Конечно алмазы бесцветные, но бывают синего, голубого, красного цвета. Алмаз - самый твердый из всех известных в природе веществ. Граненые прозрачные алмазы называют бриллиантами. Однако, на изготовление ювелирных изделий идет незначительное количество алмазов (15%). Основная часть их используется в технике: алмазная пыль - для шлифования твердых материалов, тонкого заточки токарных резцов; алмазные столбики в бурильной деле.

На территории бывшего Советского Союза месторождения алмазов было найдено в Якутии, на Среднем Урале, в Архангельской области РФ, и в Донцький области Украины.

Кристаллы алмаза имеют октаэдрических форму, каждый атом кристаллической решетки расположен в центре тетраэдра из других атомов углерода. Все расстояния между атомами одинаковы (0,15445 нм), как и углы между связями (109,5 °). Кристаллы алмаза бесцветные, отличаются высоким показателем преломления и твердостью (рис. 1.3).

Рис. 1.3 Структура кристаллов алмаза (а) и графита (б)

Графит

Графит представляет собой темно-серую с металлическим блеском, мягкую, жирную на ощупь вещество, плотность его 2,17-2,3 г / см3. Хорошо проводит ток, на воздухе не замаеться даже при сильном накаливании, а в кислороде горит, образуя CO2.

Как и в алмазе, в граффити каждый атом углерода образует друг с другом четыре связи. Однако эти связи не одинаковы. Три из них у-связями, образованными в результате перекрывания sp2-гибридных орбиталей атомов углерода. Все они располагаются в одной плоскости под углом 120 °, образуя непрерывную плоскую сетку, состоящую из правильных шестиугольников, в углах которых находятся атомы углерода. Четвертый p-связь образуется за счет перекрывания лепестков p-орбиталей выше и ниже плоскости, в которой расположены атомы углерода. p-связь образует сплошную электронное облако по всему слоя атомов углерода, как и в случае металлической связи. Углеродные слои в граффити связаны очень слабыми силами межмолекулярного взаимодействия. Эти особенности строения графита и обусловливают такие его свойства, как электропроводность, слоистость и т.д.

Графит используется для изготовления карандашей, тугоплавких тиглей, электродов, смазочных материалов, в качестве замедлителя в ядерных реакторах.

На территории стран СНГ месторождения графита найдено в Восточной Сибири, на Алтае и в Украине.

Сегодня графит получают искусственным путем - прокаливанием смеси песка и измельченного антрацита или кокса в электрических печах. Искусственный графит отличается исключительной чистотой и мягкостью, поэтому ценится выше естественного.

Графит, если рассматривать его идеализированную тококтура, представляет собой непрерывный ряд слоев, параллельных основной плоскости, состоящие из гексагонально связанных друг с другом атомов углерода (рис.1.2). По взаимному смещением этих слоев в плоскости различают гексагональную и ромбоэдрических формы. В гексагональной форме слои чередуются по схеме А-В-А-В -..., а в ромбоэдрических - по схеме А-В-С-А-В-С -... Смещение слоев в ромбоэдрических форме может достигать в природных графит 30%, в искусственных она практически не встречается. Расстояние между любыми соседними атомами углерода в плоскости слоя равна 0,1415 нм, между соседними слоями 0,3354.

Такое строение приводит к анизотропии физических свойств графита в направлениях параллельном и перпендикулярном взлома.

Описанная структура характерна для монокристалла графита. Реальные тела состоят из множества областей упорядоченности углеродных атомов, имеющих конечные размеры, которые отличаются на несколько порядков для различных образцов углеродных тел графитовой или графитоподобный структуры. Структура этих областей может приближаться к идеальным решетки графита или отличаться от нее за счет искажений внутри слоев, так и за счет неправильностей их чередования. Такие области упорядоченности называются кристаллитами и имеют собственные геометрические характеристики: La - средний диаметр, Lc - средняя высота кристаллита и d002 - среднее расстояние между взломами в кристаллитов. Эти величины определяются с помощью рентгенографического анализа. Кроме того, в реальных графитовых телах имеется некоторое количество неупорядоченных атомов (аморфный углерод), занимающих пространство между кристаллитами или внедрены между слоями. Эти атомы могут, находится в sp, sp2 или sp3- гибридном состоянии.

Графит и алмаз могут при определенных условиях переходить друг в друга. Информацию о термодинамические параметры, при которых стабильные кристаллические модификации углерода, дает диаграмма состояния углерода. При ее составлении были исследованы условия равновесия между различными фазами, в частности были вычислены равновесные температуры и давления для системыводородным газом и водородом позволяют практически удвоить ее массу.

Особенности кристаллической структуры графита и малая величина сил сцепления между его слоями, обусловливают скольжения слоев друг относительно друга даже при малых значениях напряжения сдвига в направлении скольжения. Это позволяет использовать углеграфитовые материалы в качестве антифрикционных, работающих без использования за счет низких сил сцепления между соприкасающимися поверхностями. С другой стороны, отсутствие прочных межслойных связей в граффити облегчает отделение его частиц от трущихся деталей. Это обусловливает уменьшение их износа.

Электропроводность аллотропных модификаций углерода очень различается по абсолютной величине. Алмаз является диэлектриком, причем его электросопротивление одинаковый во всех направлениях кристалла. Это связано с тем, что все валентные электроны входят в четыре равноценные в-связи, а свободные р-электроны, образующие облако, отсутствуют.

В отличие от алмаза в монокристалле графита у-связи и р-электронные облака, образующие электронные слои параллельные монослой атомов углерода и обусловливают электропроводность металлического типа в направлении параллельном слоям. В направлении им перпендикулярном графит ведет себя, как полупроводник, проводимость которого определяется положительными дырками. В связи с этим электропроводность графита в параллельном направлении примерно на два-три порядка превышает проводимость в направлении ему перпендикулярном.

В поликристаллических углеродных материалах общая проводимость определяется двумя составляющими: электропроводностью кристаллитов, металлической по своему типу, и проводимостью аморфного углерода-полупроводника. Этим обусловлена, экстремальная зависимость электропроводности многих углеграфитовых материалов от температуры: электросопротивление полупроводника с ростом температуры падает, а металла растет. Поэтому существует минимум температурной зависимости сопротивления, причем его положение сдвигается в область более низких температур при совершенствовании кристаллической структуры образца. Таким образом, по положенияться в пределах от 1 до 30.

Карбин

Карбин представляет собой линейную форму углерода и открытый тридцати лет назад. В начале 60-х годов советские химики В.В.Коршак, А.М.Сладков и В.И.Касаточкин каталитическим окислением ацетилена синтезировали "одномерный" полимер углерода и назвали его Карбин (корень "зарубка" от сагbоnеuм - углерод, а окончания "ин" принято в органической химии для веществ, содержащих тройные связи). Атомы углерода соединены в цепочку одинарными и тройными связями, которые чередуются. Внешним видом карбин: черный мелкодисперсный порошок, имеет полупроводниковые свойства.

Благодаря свойствам этой структуры ей прочат широкое растосування в будущем в микроэлектронике, оптике, микроволновой и электрической технологии, конструкции источников тока и медицине. Во всех этих областях ключевое значение имеет высокая стабильность физических и химических свойств. В связи с этим вызывает интерес изменение поверхности Карбин в атмосфере воздуха в течение нескольких лет, прошедшие после синтеза, а также его модификация в условиях сверхвысокого вакуума. Электропроводность Карбин заметно возрастает при освещении. На этом основаны первые практические шаги по использованию нового материала в технике. Карбин фотоэлементы надежные до 500 ° С, превосходя другие подобные приборы.

В Карбин наблюдается линейное расположение атомов, в виде цепочек. Он подразделяется на две модификаций: с кумульованимы связями = С = С = С = (пр-карбин) и полииновимы связями (б-карбин).

Эти модификации различаются по соединением продуктов озонирования

.

История химии знает немало примеров, когда какое-либо вещество, полученное в лаборатории, находили потом в природе. Так случилось и с Карбин. В журнале «Science» было опубликовано сообщение, что в кратере Рис, расположенном недалеко от Мюнхена, ученые нашли минерал, состоящий практически из чистого углерода. К всеобщему удивлению его структура ничуть не напоминала ни алмаз, ни графит.А вот с Карбин у него много общего, и прежде всего - одинаковая структура элементарной ячейки. Правда, параметры граней решетки разные, но величины их кратные. Кроме того, вещество из кратера Рис серого цвета. Такие расхождения легко объясняются хотя бы с той точки зрения, что сравниваемые соединения - полимеры, свойства которых в значительной степени зависят от степени полимеризации. К тому же если это не алмаз и не графит то ему ничем быть, кроме как естественным Карбин.

Так оно и оказалось. Дифракция рентгеновских лучей в углероде, найденном в Баварии, и в углероде, синтезированном в лаборатории, практически одинакова. Кстати, совсем недавно российские ученые из графита с помощью лазерного луча идентифицировали микрокристаллы белого Карбин. Ученые попытались было превратить карбин в алмаз по проверенной на граффити схеме, но тщетно. Впрочем, так оно должно и быть. Ведь теоретические расчеты как раз и говорят о самой термодинамическую устойчивость новой формы элементарного углерода. Кроме того, ожидается, что нитевидные кристаллы Карбин окажутся наиболее прочными материалами на Земле.

Фуллерены

История открытия фуллерена, возможно, самая необычная. В 1973 российские ученые Д.А. Бочвар и Е.Н. Гальперн опубликовали результаты квантово-химических расчетов, из которых следовало, что должна существовать устойчивая форма углерода, содержащий в молекуле 60 углеродных атомов и не имеет никаких заменителей. В той же статье была предложена форма такой гипотетической молекулы. Выводы этой работы казались в то время совершенно фантастическими. Никто не мог себе представить, что такая молекула может существовать, и тем более - как взяться за ее получение. Эта теоретическая работа немного опередила свое время и была сначала просто забыта.

В 1980-х гг. Астрофизические исследования позволили установить, что в спектрах некоторых звезд, так называемых "красных гигантах", обнаружены полосы, указывающие на существование чисто углеродных молекул разного размера.

В 1985 Г.Крото и Р.Смолли начали проводить исследования ужев "земных" условиях. Они изучали масс-спектры паров графита, полученных под ударом лазерного луча, и нашли, что в спектрах есть два сигнала, интенсивность которых намного выше, чем всех остальных. Сигналы отвечали массам 720 и 840, что указывало на существование крупных агрегатов из углеродных атомов - С60 и С70. Масс-спектры позволяют установить лишь молекулярную массу частицы и не более того, однако этого оказалось достаточно, чтобы фантазия ученых заработала. В итоге была предложена структура многогранника, собранного из пяти - и шестиугольников. Это было точное повторение структуры, предложенной 12 лет назад Бочвар и Галперном.

Название "фуллерен" было дано в честь известного американского архитектора Бакминстера Фуллера, который предложил строить ажурные куполообразные конструкции сочетанием пяти - и шестиугольников. На первый взгляд кажется, что конструкция собрана из треугольников, однако чередование пяти - и шестилучевых центров именно и соответствует строению фуллерена. Время фуллерен был доступен только в количествах, достаточных для спектральных исследований, но не химических. Получить фуллерен в заметных количествах удалось Д.Хаффману и В.Кретчмеру, что провели выпаривания графита с помощью электрической дуги в атмосфере гелия. Сажа, образующаяся в этом процессе, была проекстрагована бензолом. Из раствора выделили соединения, имеющие смесь С60 и С70; вторая соединение образуется в количествах, примерно в шесть раз меньше, чем первая, и поэтому основная масса исследований проводится с С60. Описанный способ получения фуллерена с теми или иными технологическими вариациями на сегодня все еще единственный. Содержание фуллеренов в саже, образующейся достигает 44%. Существуют схемы синтеза фуллерена способами органической химии, но они пока не реализованы. В каталогах химических реактивов вещество С60 называется бакминстерфулерен, химики чаще называют его просто фуллереном. Есть и другая образное название - футболен. Сходство с крышкой футбольного мяча очевидна. Существует еще гибрид обоих названий - бакиболл. открытие фулерена буквально ошеломило химиков. Казалось, что об элементарном углерод известно практически все. От других аллотропных модификаций углерода фуллерен - отличается прежде всего тем, что это индивидуальные конечные молекулы, имеющие замкнутую форму. Фуллерен в отличие от известных ранее трех форм углерода растворим в органических растворителях (бензол, гексан, сероуглерод). Из растворов фуллерен кристаллизуется в виде мелких темно-коричневых кристаллов. Для структурного анализа они не пригодны, так как через сферическую форму молекул их структура розупорядкованих. Увидеть молекулу фуллерена «своими глазами» удалось далеко не сразу, только после того, как был получен продукт взаимодействия фуллерена с тетроксид осмия Os4 в присутствии трет-бутилпиридину, хорошо кристаллизуется.

четырёхвалентности углерода в формуле фуллерена полностью выполняется. Вернее изображать фуллерен в виде каркаса с простыми и кратными связями, чередующиеся, но чаще применяют упрощенное изображение, где каркас состоит из одинарных рисков.

Еще одна необычная структурная особенность фуллерена заключается в том, что его молекула имеет внутреннюю полость, диаметр которой примерно 0,5 нм. Внешний диаметр самой молекулы 0,71 нм. Внутренний диаметр, естественно, меньше внешнего, поскольку атомы углерода и их электронные оболочки имеют определенный размер.

Фуллерен - исключительно стойкое соединение. В кристаллическом виде он не реагирует с кислородом воздуха, устойчив к воздействию кислот и щелочей, не плавится до температуры 360 ° С. Химические свойства находятся в полном согласии с упомянутыми выше структурными особенностями - фуллерен не вступает в реакции, характерные для ароматических соединений. Невозможны реакции замещения, так как у атомов углерода нет никаких боковых заменителей. Достатння количество изолированных кратных связей позволяет считать фуллерен полиолефинов системой. Для него наиболее типичное присоединение по кратной связи.

Фуллерен является ярко выраженным акцептором электронов и при действии сильных видновник (щелочные металлы) может принимать до шести электронов, образуя анион С606--. Кроме того, он легко присоединяет нуклеофилы и свободные радикалы. При восстановлении щелочными металлами (например, цезием или рубидием) происходит перенос электрона от атома металла в фуллерена.

Загрузка...

Страницы: 1 2