Меню

Аллотропная модификация углерода которая хорошо проводит электрический ток

Аллотропные модификации углерода

Классификация

Возможность присоединять четыре атома делает углерод активным элементом. Помимо присоединения атомов других элементов углерод может образовывать различные модификации, отличающиеся структурой и свойствами.

Строение атома углерода

Рис. 1. Строение атома углерода.

Выделяют два вида углерода в зависимости от образования модификаций:

  • кристаллический – входит в состав твёрдых веществ;
  • аморфный – образует мягкие вещества.

Кристаллические формы углерода:

  • алмаз;
  • лонсдейлит;
  • наноалмаз;
  • графит;
  • графен;
  • карбин;
  • фуллерены;
  • фуллерит;
  • углеродное волокно;
  • углеродные нановолокна;
  • углеродные нанотрубки.

В соответствии с геометрическим строением кристаллической решётки выделяют три типа аллотропных модификаций:

  • тетраэдрическая (sp 3 -гибридизация) – один атом углерода, находящийся в центре, связан с атомами в узлах тетраэдра;
  • тригональная (sp 2 -гибридизация) – атомы углерода образуют шестиугольники, связанные друг с другом послойно;
  • линейная (sp-гибридизация) – атомы углерода образуют цепочки, связанные одинарными, двойными, тройными связями.

Строение кристаллических решёток углерода

Рис. 2. Строение кристаллических решёток углерода.

Аморфный углерод образует следующие модификации:

  • активированный уголь;
  • древесный уголь;
  • ископаемый уголь;
  • кокс каменноугольный;
  • стеклоуглерод;
  • углеродная нанопена;
  • техуглерод;
  • сажа.

Лонсдейлит является гексагональной модификацией алмаза. Наноалмазы, фуллерены, нанотрубки, нанографиты объединены в семейство наноуглеродных кластеров. Они образованы вложенными друг в друга углеродными сферами.

Основные модификации

Наиболее изучены твёрдые формы углерода – алмаз, графит и карбин. Особенности строения и свойства аллотропных модификаций углерода представлены в таблице.

Модификация

Строение решётки

Свойства

Применение

Относительно мягкий жирный минерал, обладающий электропроводностью. Имеет серый цвет, металлический блеск. Плотность – 2,23 г/см 3 . Не плавится. Реагирует со щелочными металлами, солями, кислородом

Смазка в прокатном производстве. За счёт отслоения тригональной решётки используется в качестве стержня карандаша

Мелкокристаллический порошок с небольшой плотностью. Полупроводник

Используется в фотоэлементах

Прозрачный минерал, обладающий наибольшей твёрдостью. Обладает теплопроводностью, является полупроводником. Имеет большой показатель преломления. Плавится при температуре 3700°C

Драгоценный камень, абразив. Из алмаза изготавливают свёрла, ножи, резцы

Рис. 3. Графит, карбин и алмаз.

При сильном нагревании графит переходит в алмаз, а алмаз – в графит.

Что мы узнали?

Углерод имеет множество аллотропных модификаций. Основные из них – графит, алмаз, карбин. Они отличаются друг от друга физическими, химическими свойствами, строением кристаллической решётки. Наиболее твёрдая модификация – алмаз – используется для изготовления промышленных инструментов. Графит – мягкий минерал – применяется в прокатной промышленности. Благодаря строению способен отслаиваться, оставляя след, поэтому используется в качестве карандашного стержня. Карбин – порошок, который используется в фотоэлементах.

Источник

Творческие проекты и работы учащихся

В индивидуальной исследовательской работе по химии «Углерод и его аллотропные модификации» автор изучает литературу по теме исследования и подробно рассказывает об аллотропных модификациях углерода, о химических и физических свойствах, а также знакомится с её видами.

Подробнее о проекте:

Учащаяся института профессионального образования в рамках своего проекта на тему «Углерод и его аллотропные модификации» изучила такие аллотропные модификации углерода, как алмаз, графит и фуллерен, описала историю их открытия и структуру каждого рассматриваемого вещества. Также изучены и представлены физические и химические свойства алмаза, графита и фуллерена.

Оглавление

Введение
1. Понятие аллотропии.
2. Аллотропные модификации углерода.
3. Алмаз.
4. Графит.
5. Фуллерен.
6. Физические свойства.
7. Химические свойства.
8. Практическая часть.
Заключение
Список использованной литературы

Введение

Углерод и его аллотропные модификации имеют большое практическое значение в жизни человека и промышленности.

Цель исследования: Подробно рассказать об аллотропных модификациях углерода, о химических и физических свойствах, а также ознакомиться с её видами.

  1. проведем анализ, соберем и изучим информацию о аллотропии.
  2. выясним чем она нам может пригодиться в жизни.
  3. сделаем стенд где наглядно показано как выглядит аллотропия.

Понятие аллотропии

Понятия «Аллотропия» имеет древнегреческие корни: αλλος — другой, τροπος — свойство. Аллотропия — существование двух и более простых веществ одного и того же химического элемента. Понятие аллотропии введено в науку Й. Берцелиусом в 1841 году для обозначения разных форм существования элементов.

Явление аллотропии подразумевает возможность создания из одного и того же элемента определенного количества различных веществ. Например, кислород и озон в своем составе содержат только лишь оксиген. Вопрос о том, как это вообще возможно, на протяжении длительного периода времени интересовал многих людей. На сегодняшний момент ученые легко могут объяснить все особенности этого процесса.

Далеко не все элементы способны образовывать несколько разных простых веществ. Такая способность напрямую зависит от структуры молекул. Чаще всего подобное явление наблюдается у элементов, которые имеют переменные окислительные степени.

Это касается таких групп, как:

  • неметаллы;
  • полуметаллы;
  • благородные газы;
  • галогены.

Причины аллотропии могут быть нескольких типов. К наиболее вероятным из них ученые относят такие факторы, как:

  • Различное количество атомов, необходимых для образования одной молекулы.
  • Отличающийся порядок сопряжения атомов в одну молекулу.
  • Параллели между спинами электронов.
  • Разновидность кристаллической решетки.

Для того чтобы наглядно понять, каким образом может существовать явление аллотропии, необходимо рассмотреть несколько наиболее примечательных примеров, широко встречающихся в природе.

При нагревании металлов в процессе превращения поглощается тепло, при этом изменение решеточной конструкции происходит при одной и той же температуре. Аллотропным модификациям подвергаются многие металлы, например, титан, железо, олово и др. Железо при нагревании до +1390 ºС характеризуется гранецентрированной решеткой. Повышение температуры до +1540 ºС ведет к перестройке до центрировано-кубической структуры.

Аллотропные модификации углерода

Углерод в виде угля, копоти и сажи известен человеку с незапамятных времен; около 100 тыс. лет назад, когда наши предки овладели огнём. Вероятно, очень рано люди познакомились и с аллотропными изменениями углерода – алмазом и графитом, а также с ископаемым углем. Не удивительно, что горение углеродсодержащих веществ было одними из первых химических процессов, заинтересовавших человека.

Элементом был огонь-явление, сопровождающее горение; в учениях об элементах древности огонь обычно фигурирует в качестве одного из элементов. На рубеже XVII-XVIII вв. возникла теория флогистона, выдвинутая Бехером и Шталем. Эта теория признавала наличие в каждом горючем теле особого элементарного вещества – невесомого флюида-флогистона, улетучивающегося в процессе горения.

Так как при сгорании большого количества угля остается лишь немного золы, флогистики полагали, что уголь-это почти чистый флогистон. Именно этим объясняли, в частности, «флогистирующее» действие угля, — его способность восстанавливать металлы из «известей» и руд. Позднейшие флогистики, Реомюр, Бергман и др., уже начали понимать, что уголь представляет собой элементарное вещество. Однако впервые таковым «чистый уголь» был признан Лавуазье, исследовавшим процесс сжигания в воздухе и кислороде угля и других веществ.

В книге Гитона де Морво, Лавуазье и Фуркруа «Метод химической номенклатуры» (1787) появилось название «углерода» вместо французского «чистый уголь». Под этим же названием углерод фигурирует в «Таблице простых тел» в «Элементарном учебнике химии» Лавуазье. В 1791 году английский химик Теннант первым получил свободный углерод; он пропускал пары фосфора над прокаленным мелом, в результате чего образовывался фосфат кальция и углерод. То, что алмаз при сильном нагревании сгорает без остатка, было известно давно.

Еще в 1751 году французский король Франц I согласился дать алмаз и рубин для опытов по сжиганию. Оказалось, что сгорает лишь алмаз, а рубин (окись алюминия с примесью хрома) выдерживает без повреждения длительное нагревание в фокусе зажигательной линзы. Лавуазье поставил новый опыт по сжиганию алмаза с помощью большой зажигательной машины, пришел к выводу, что алмаз представляет собой кристаллический углерод.

Второй аллотроп углерода – графит в алхимическом периоде считался видоизмененным свинцовым блеском и назывался plumbago; только в 1740 году Потт обнаружил отсутствие в графите какой – либо примеси свинца. Шееле исследовал графит (1779) и будучи флогистиком счел его сернистым телом особого рода, особым минеральным углем, содержащим связанную «воздушную кислоту» (СО2) и большое количество флогистона. Двадцать лет спустя Гитон де Морво путем осторожного нагревания превратил алмаз в графит, а затем в угольную кислоту.

Международное название Carboneum происходит от латинского carbo (уголь). Слово это очень древнего происхождения. Его сопоставляют с cremare – гореть; корень car, cal, русское гар, гал и гол, санскритское cra означает кипятить, варить. Со словом «carbo» связаны названия углерода и на других европейских языках (carbon, charbone и др.). Немецкое Kohlenstoff происходит от Kohle – уголь.

Древнерусское угорати, или угарати (обжигать, опалять) имеет корень гар, или гор, с возможным переходом в гол; уголь по-древнерусски югъль, или угъль, того же происхождения. Слово алмаз происходит от древнегреческого – несокрушимый, непреклонный, твердый, а графит от греческого – пишу. В начале XIX в. Старое слово уголь в русской химической литературе иногда заменялось словом «углетвор» (шере, 1807; Севергин, 1815); с 1824 г. Соловьев ввел название углерод.

Читайте также:  Основные параметры источников тока

углерод 1

Алмаз

Согласно современным теоретическим представлениям, тверже алмаза ничего в мире быть не может — такова у него кристаллическая решетка. Можно сказать, что алмаз — самый крепкий минерал в мире. Плавится алмаз при высоких температурах, от 3700 до 4 тыс. градусов. Но еще раньше, при 850 градусах, он начинает гореть, а без доступа воздуха при достижении половины от температуры плавления превращается в графит.

Алмазы не всегда были драгоценными камнями, имевшими ценность и шкалу стоимости. В природе этот камушек непривлекателен — простая шершавая стекляшка. Ценность ему придает огранка. Все изменилось в XIX веке, когда в Южной Африке около современного города Кимберли на ферме братьев де Бирс обосновались искатели алмазов. Камней на этих землях было много. Настоящая промышленная их добыча стала связана с именем Сесиля Родса.

Сесиль Родс стал монополистом на рынке алмазов, чему поспособствовали Ротшильды, а бриллианты стали потребительским товаром, доступным не только королям. Монопольное положение де Бирс пошатнулось только в середине XX века благодаря антимонопольному законодательству в США и началу массовой добычи в странах, где возможностей захвата рынка в принципе не было — например, в СССР. Существует несколько способов огранки алмазов, при которой они лучше всего проявляют такое свое свойство, как игру цвета. Играет свою роль и исходная форма камня, поскольку огранщик старается свести его потери к минимуму.

Наиболее распространенными формами бриллианта являются:

  • круглая, 57 граней;
  • овальная;
  • «груша»;
  • «маркиза»;
  • радиант;
  • квадрат;
  • «принцесса».

Один атом углерода окружен еще четырьмя атомами в виде четырехгранного треугольника или пирамиды. Каждый атом находится на одинаковом расстоянии друг от друга. Связь у атомов очень крепкая, именно поэтому алмаз является таким твердым и прочным. Еще одно свойство алмаза — это то, что он может проводить свет, в отличие от графита.

углерод 2

Графит

Графи́т — минерал из класса самородных элементов, одна из аллотропных модификаций углерода. Структура слоистая. Слои кристаллической решётки могут по-разному располагаться относительно друг друга, образуя целый ряд политипов, с симметрией от гексагональной сингонии (дигексагонально-дипирамидальный), до тригональной (дитригонально-скаленоэдрический).

Слои слабоволнистые, почти плоские, состоят из шестиугольных слоёв атомов углерода.

В 60-х годах XVI столетия в Англии. Местные пастухи, нашедшие залежи странного черно-блестящего материала, приняли его сначала за свинец, но, поняв, что пуль из него не отольешь, стали отбивать куски черного камня и метить им своих овец. На новый материал скоро обратили внимание художники и коммерсанты, быстро наладившие на английских улицах торговлю тонкими пластинками и кусочками графита. Конечно, пользоваться им было очень неудобно — руки пачкались! Приходилось обматывать графит веревкой, бумагой, а то и просто зажимать между дощечек. Так появились первые карандаши в деревянном корпусе.

Физические свойства в графите сильно различаются по направлениям – перпендикулярному и параллельному слоям атомов углерода.

При нагревании без доступа воздуха графит не претерпевает никаких изменений до 3700°С. При указанной температуре он возгоняется, не плавясь.

Искусственный графит получают из лучших сортов каменного угля при 3000°С в электрических печах без доступа воздуха.

Графит термодинамически устойчив в широком интервале температур и давлений, поэтому он принимается в качестве стандартного состояния углерода. Плотность графита составляет 2,265 г/см3.

Известны две формы графита: альфа-графит (имеет гексагональную структуру и кристаллическую решетку) и бета-графит (имеет ромбоэдрическую структуру и кристаллическую решетку). У α-графита половина атомов каждого слоя располагается над и под центрами шестиугольника, а у β-графита каждый четвёртый слой повторяет первый.

Альфа-графит может быть преобразован в бета-форму с помощью механической обработки. Бета-форма переходит в альфа-форму при нагревании графита свыше 1300 °C.

Фуллерен

Открытие фуллерена произошло в результате экспериментов Смолли и Крото с инструментом, который Смолли изобрел для изучения молекул и атомных кластеров. Крото заинтересовала предложенная Смолли методика лазерного испарения. С ее помощью он намеревался проверить свою теорию о поведении углерода в межзвездном пространстве. Крото считал, что богатые углеродом красные гиганты способны испускать сложные углеродные соединения, которые можно обнаруживать с помощью радиотелескопов.

Атом связь Фуллерен является новой аллотропной формой углерода. Молекулы фуллерена состоят из 60,70 атомов, образующих сферу. Кристаллические фуллерены представляют собой полупроводники. Разнообразие физико-химических и структурных свойств соединений на основе фуллеренов позволяет говорить о химии фуллеренов как о новом перспективном направлении органической химии.

Атомы углерода расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида. Самый симметричный и наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов фуллерен (C60), в котором углеродные атомы образуют усечённый икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий футбольный мяч.

Следующим по распространённости является фуллерен C70, отличающийся от фуллерена C60 вставкой пояса из 10 атомов углерода в экваториальную область C60, в результате чего молекула C70 оказывается вытянутой и напоминает своей формой мяч для игры в регби. Так называемые высшие фуллерены, содержащие большее число атомов углерода (до 400), образуются в значительно меньших количествах и часто имеют довольно сложный изомерный состав. Среди наиболее изученных высших фуллеренов можно выделить Cn, n=74, 76, 78, 80, 82 и 84.

углерод 3

Физические свойства

Физические свойства. Углерод существует во множестве аллотропных модификаций с очень разнообразными физическими свойствами. Разнообразие модификаций обусловлено способностью углерода образовывать химические связи разного типа.

Поэтому разные модификации проявляют очень разные физические свойства это и очень твердое вещество, и мягкое вещество проводящее электрический ток и многие другие.

Алмаз:

Физ. свойства. Алмаз и графит резко отличаются по физ. Свойствам. Алмаз – прозрачные кристаллы, очень твердые. Твердость объясняется строением его кристаллической решетки. Графит – мягкое темно-серое вещ-во с Ме блеском.

Графит:

Физические свойства графита. – мягкое черное вещество из легко слоящихся кристалликов, — проводит электрический ток, — графит высокой чистоты применяют в ядерных реакторах в качестве замедлителя нейтронов. — температура плавления при повышенном давлении равна 3527° C. — При обычном давлении графит сублимирует при 3780° C.

Фуллерен:

Физические свойства фуллерена Конденсированные системы, состоящие из молекул фуллеренов, называются фуллеритами. Наиболее изученная система такого рода — кристалл С60, менее — система кристаллического С70. Исследования кристаллов высших фуллеренов затруднены сложностью их получения.

Химические свойства

Алмаз:

При обычной температуре углерод малоактивен. Он может быть, как восстановителем, так и окислителем. Как восстановитель: Горит на воздухе.

Графит:

Химические свойства. Со многими веществами (щелочными металлами, солями) образует соединения включения. Реагирует при высокой температуре с воздухом, сгорая до углекислого газа.

Фуллерен:

Восстановление, нуклеофильное присоединение, цикло присоединение, региохимическое множественное присоединение, галогенирование, модифицирование фуллеренов, кластерами гидрирование, присоединение радикалов, образование комплексов, переходных металлов окисление и реакции с электрофильными реагентами.

углерод 4

Практическая часть

Новая аллотропная модификация:

15 августа 2019 года группа учёных из IBM и Оксфордского университета опубликовала статью, в которой представлены данные об успешном синтезе молекулы цикло [18] углерода. Ранее существование циклоуглеродов считалось лишь гипотетическим, но теперь C18 — представитель новой аллотропной модификации углерода.

C18 был получен путём удаления монооксида углерода из молекулы C24O6 принципом атомно-силовой микроскопии на двухслойной поверхности хлорида натрия при температуре 5°K (-268,15°С). По мнению учёных, циклоуглероды могут оказаться полезными в компьютерных технологиях в качестве чрезвычайно энергоэффективного компьютерного логического устройства. Кроме того, создание С18 открывает путь для синтеза других углеродных аллотропов, но пока что предстоит глубокое изучение свойств новой молекулы.

Заключение

Углерод — вещество с самым большим числом аллотропических модификаций. В проекте рассмотрены аллотропные модификации алмаза, графита, фуллерена. Углерод и его аллотропные модификации имеют большое практическое значение в жизни человека и промышленности.

Большинство вещей в нашей жизни мы получили благодаря аллотропным модификациям, например, сверло, чёрные графитовые карандаши и батарейки.

Благодаря этому проекту мы узнала, как и кто помог нам в улучшении нашей жизни.

Исходя из всей проделанной работы, мы можем сделать следующие выводы:

  • Во-первых, я подробно изучила и рассмотрела виды аллотропии.
  • Во-вторых, я узнала кто открыл аллотропии, и где она применяется.
  • В-третьих, я сделала стенд где наглядно показано как выглядит аллотропия.
Читайте также:  Истории из лайка с тока бока

Источник

Характеристика аллотропных модификаций углерода

Задача 943.
Охарактеризовать аллотропные модификации углерода и указать причину различия их свойств.
Решение:
Известно несколько аллотропных модификаций углерода.
Карбин — кристаллическая модификация углерода с цепочечным строением молекул. Цепи состоят из атомов углерода, электронные орбитали которых находятся в состоянии sр-гибридизации. Различают α-карбин или полиин, в цепях которого чередуются тройные и одинарные связи: — С С — С С — и р-карбин или поликумулен, в цепях которого атомы углерода соединены двойными связями: =С = С = С = С= С = . Карбин встречается в природе в виде минерала чаоита и получается искусственно.

Графит — темно-серое или черное, мягкое, жирное на ощупь кристаллическое вещество со слабым металлическим блеском. Он теплопроводен и обладает электрической проводимостью. При температуре около 3700 °С и атмосферном давлении графит возгоняется без плавления. Графит имеет слоистую структуру (рис.1.), в которой плоские слои образованы правильными шестиугольниками из атомов углерода. Электронные орбитали атомов углерода в таких слоях находятся в состоянии sр 2 -гибридизации. Одинарные связи, образующиеся в результате перекрывания гибридных орбиталей, дополняются делокализованными по всему слою π-связями, поэтому кратность каждой из связей С — С равна 1,33, энергия связи составляет 480 кДж/моль. Атомы углерода каждого слоя располагаются против центров шестиугольников соседних слоев (верхнего и нижнего). Слои графита связаны между собой слабыми силами Ван-дер-Ваальса: энергия связи между слоями равна 17 кДж/моль. Вследствие этого графит легко расслаивается на чешуйки.

графит

Рис. 1. Фрагмент слоистой структуры графита (а) и схема перекрывания электронных облаков
(б) шести атомов углерода, образующих правильный шестиугольник

Различают две модификации графита: α-графит (гексагональный) и β-графит (ромбоэдрический). Различаются упаковкой слоёв. У α-графита половина атомов каждого слоя располагается над и под центрами шестиугольника (укладка …АВАВАВА…), а у β-графита каждый четвёртый слой повторяет первый. Ромбоэдрический графит удобно представлять в гексагональных осях, чтобы показать его слоистую структуру.

β-графит в чистом виде не наблюдается, так как является метастабильной фазой. Однако, в природных графитах содержание ромбоэдрической фазы может достигать 30%. При температуре 2500-3300 К ромбоэдрический графит полностью переходит в гексагональный.

графит

Рис. 2. Модификации графита: α-графит (гексагональный) и β-графит (ромбоэдрический)
(Материал взят из: ru.wikipedia.org/wiki/%).

Графит — распространенный в природе минерал. В промышленности его получают из кокса или из газообразных углеводородов. При температуре 2700 °С и давлении 11—12 ГПа графит превращается в алмаз.

Графен (англ. graphene) — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, находящихся в sp 2 -гибридизации и соединённых посредством σ- и π-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла.

графен

Рис. 3. Фрагмент графена — первого кристалла графита толщиной всего лишь в один атом,
экспериментально полученный в лабораторных условиях.

Сам графен по своей структуре — это множество таких пленок, сложенных одна на другую. Каждая пленка состоит из бессчетных атомов углерода, расположенных в виде правильных шестиугольников. Соединяясь друг с другом, эти шестиугольники образуют кристаллическую решетку. Подобная структура обуславливает необычные свойства графита. Например, он проводит электрический ток в одном направлении -параллельно пленкам, и не пропускает в другом — перпендикулярно им.

Графен очень тверд и одновременно гибок. За графеном великое будущее в области электроники, космонавтики, медицине и других областях.

Углеродные нанотрубки — это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких cантимметров состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку графеновых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена. Получают углеродные нанотрубки путем приведения в контакт смеси метана и водорода с катализатором.

Углеродные нанотрубки

Рис. 4. Примеры возможных структур нанотрубок, зависящих от способа сворачивания графитового листа: а – кресельная структура; б – зигзагообразная структура; в – хиральная структура.

Углеродные нанотрубки вместе с фуллеренами и мезопористыми углеродными структурами образуют новый класс углеродных наноматериалов, или углеродных каркасных структур, со свойствами, которые значительно отличаются от других форм углерода, таких как графит и алмаз.

Углеродные нановолокна (они же карбоновые нановолокна) — углеродные цилиндрические наноструктуры, представляющие собой сложенные стопкой слои графена в виде конусов, «чашек» или пластин.

Углеродные волокна

Рис. 5. Углеродные нановолокна — имеют форму трубчатых микроструктур,
называемых нитями или волокнами.

Благодаря их исключительным свойствам и низкойстоимости, они в настоящее время все чаще и чаще используются в различных материалах, например таких как композиты, из которых делают кузова спортивных болидов и корпуса самолётов, ветряные турбины, высококачественное спортивное оборудование: рамы велосипедов, рукоятки теннисных ракеток и многое другое.

Астралены —фуллероидные соединения, представляющие собой многослойные полиэдральные структуры из атомов углерода размером 80,150 нм.

астралены

Рис. 6. Астралены — многослойные фуллероидные наночастицы.

Астралены рассматриваются как перспективный наноматериал. Сейчас изучаются следующие области применения:

•Добавка-модификатор для полимерных и неорганических композиционных материалов, а также композиционных сплавов. В частности, его добавляют (0,0001-0,001%) в бетон в качестве наномодификатора.
Места применения астраленов:
•Антифрикционная добавка к конструкционным материалам и смазкам.
•Элемент холодных катодов.
•Элемент нелинейно-оптических систем, в том числе широкополосных ограничителей лазерного излучения.
•Компонент фотохимических генераторов синглетного кислорода.

Стеклоуглерод — изотропный, газонепроницаемый, твёрдый материал, сочетающий свойства графита и стекла. Основными отличительными чертами которого являются высокая механическая прочность, стойкость в агрессивных средах и газонепроницаемость. Благодаря уникальным свойствам ассортимент изделий из стеклоуглерода и область его применения быстро расширяются.

стеклоуглерод

Рис. 7. Изображение трансмиссионной электронной микроскопии (ТЭМ) стеклоуглерода (SIGRADUR® K).

Фуллерены — это материалы, которые представляют собой кристаллические вещества черного цвета с металлическим блеском, обладающие полупроводниковыми свойствами. По пластичности они близки к графиту. Кристаллы фуллеренов состоят не из атомов, а из молекул. Молекулы обычно имеют шарообразную форму или форму мяча для регби. В них всегда содержится четное число атомов углерода: 60, 70, 72 и т. д., объединенных в пяти- и шестиугольники с общими ребрами (рис. Внутри молекулы полые. Электронные орбитали атомов углерода в фуллеренах находятся в состоянии sр 2 -гибридизации. Каждый атом, как и в графите, связан с тремя другими, но располагаются они не на плоскости, а на поверхности, близкой к сферической. В фуллеренах все связи между атомами углерода насыщены за счет их взаимодействия друг с другом, в то время как атомы углерода, расположенные на поверхности алмаза, по краям слоев графита и в концах цепей карбина насыщают свои связи, направленные наружу из объема, за счет взаимодействия с атомами других химических элементов, например, водорода или кислорода. Первоначально фуллерены были получены испарением графита под действием лазерного импульса в атмосфере благородного газа гелия, позднее их обнаружили и природе, например, в составе минерала шунгита.

фуллерены

Алмаз — бесцветное прозрачное кристаллическое вещество с очень высоким преломлением света. Показатели преломления для световых волн различных длин в алмазе сильно различаются, благодаря чему видимый свет разлагается в спектр. Алмаз — самый твердый, но хрупкий минерал. Структура алмаза отвечает sр 3 -гибридизации (рис. 9). Каждый атом углерода имеет четыре σ -связи и тетраэдрически окружен четырьмя такими же атомами углерода. Твердость и способность алмаза сильно преломлять свет — следствие его структуры.

алмаз

Рис.9. Элементарная ячейка алмаза (Материал из Википедии: wikipedia.org/wiki/Алмаз)

Лонсдейлит найден в метеоритах и получен искусственно из графита при высоких давлениях и температуре около 900 °С. Он имеет кристаллическую решетку (рис. 10), состоящую, как и у алмаза, из атомов углерода, электронные орбитали которых находятся в состоянии sр 3 -гибридизации. Отличие от алмаза заключается в строении кристаллической решетки.

лонсдейлит

Рис.10. Структура лонсдейлита

Аморфный углерод (кокс, бурые и каменные угли, сажа, активный уголь) состоит из мельчайших кристаллов, имеющих структуру графита.

Классификация аллотропов углерода по характеру химической связи между атомами:

sp 3 формы:
Алмаз (куб);
Лонсдейлит (гексагональный алмаз).
sp 2 формы:
Графит;
Графены;
Фуллерены (C20+);
Нанотрубки;
Нановолокна;
Астралены;
Стеклоуглерод;
Колоссальные нанотрубки.
sp формы:
Карбин.
Смешанные sp 3/ sp 2 формы:
Аморфный углерод;

Углеродные нанопочки;
Углеродная нанопена.
Другие формы: C1 — C2 — C3 — C8.
Например, диуглерод — двухатомная нейтральная частица, образованная двумя атомами углерода (C2), и детектируемая спектрометрически в электрической дуге (вместе с некоторыми фуллеренами), в кометах и в синих языках пламени.

Источник



Аллотропные модификации углерода

РЕФЕРАТ

Читайте также:  Чем опасен удар током в воде

очной формы обучения

1 курс БИО-б-о-15-2

Шибаева Людмила Михайловна

2. Аллотропные модификации углерода…………………………………….6

3. Химические свойства углерода…………………………………………..11

5. Неорганические соединения углерода…………………………………..14

Список использованной литературы………………………………………. …22

Введение

Углерод (лат. Carboneum) С — химический элемент IV группы периодической системы Менделеева: атомный номер 6, атомная масса 12,011.

Рассмотрим строение атома углерода. На наружном энергетическом уровне атома углерода находятся четыре электрона.

Изобразим графически: 1s 2 2s 2 2p 2

Углерод был известен с глубокой древности, и имя первооткрывателя этого элемента неизвестно.

В конце XVII века флорентийские ученые Аверани и Тарджони пытались сплавить несколько мелких алмазов в один крупный и нагрели их с помощью зажигательного стекла солнечными лучами. Алмазы исчезли, сгорев на воздухе. В 1772 г. французский химик А. Лавуазье показал, что при сгорании алмаза образуется СО2. Лишь в 1797 г. английский ученый С. Теннант доказал идентичность природы графита и угля. После сгорания равных количеств угля и алмаза объемы оксида углерода (IV) оказались одинаковыми.

Многообразие соединений углерода, объясняющееся способностью его атомов соединяться друг с другом и атомами других элементов различными способами, обуславливает особое положение углерода среди других элементов.

Углерод в природе

Углерод находится в природе, как в свободном состоянии, так и в виде соединений.

Свободный углерод встречается в виде алмаза, графита и карбина.

Алмазы очень редки. Самый большой из известных алмазов — «Куллинан» был найден в 1905 г. в Южной Африке, весил 621,2 г.

Рисунок 1. Алмаз «Куллинан»

В Алмазном фонде в Москве хранится один из самых больших и красивых алмазов в мире — «Орлов» (37,92 г).

Свое название алмаз получил от греческого «адамас» — непобедимый, несокрушимый. Самые значительные месторождения алмазов находятся в Южной Африке, Бразилии, в Якутии.

Крупные залежи графита находятся в ФРГ, в Шри-Ланке, в Сибири, на Алтае.

Главными углеродсодержащими минералами являются: магнезит МgСО3, кальцит (известковый шпат, известняк, мрамор, мел) СаСО3, доломит СаМg(СО3)2 и др.

Все горючие ископаемые — нефть, газ, торф, каменные и бурые угли, сланцы — построены на углеродной основе. Близки по составу к углероду некоторые ископаемые угли, содержащие до 99% С.

На долю углерода приходится 0,1% земной коры.

В виде оксида углерода (IV) СО2 углерод входит в состав атмосферы. В гидросфере растворено большое количество СО2.

Аллотропные модификации углерода

Элементарный углерод образует три аллотропные модификации: алмаз, графит, карбин.

1. Алмаз — бесцветное, прозрачное кристаллическое вещество, чрезвычайно сильно преломляющее лучи света.

Рисунок 2. Необработанный алмаз

Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии sр 3 -гибридизации. В возбуждённом состоянии происходит распаривание валентных электронов в атомах углерода и образование четырёх неспаренных электронов. При образовании химических связей электронные облака приобретают одинаковую вытянутую форму и располагаются в пространстве так, что их оси оказываются направленными к вершинам тетраэдра. При перекрывании вершин этих облаков с облаками других атомов углерода возникают ковалентные связи под углом 109°28, и образуется атомная кристаллическая решетка, характерная для алмаза.

Рисунок 3. Модель аллотропной модификации углерода: алмаз

Каждый атом углерода в алмазе окружён четырьмя другими, расположенными от него в направлениях от центра тетраэдров к вершинам. Расстояние между атомами в тетраэдрах равно 0,154 нм. Прочность всех связей одинакова. Таким образом, атомы в алмазе «упакованы» очень плотно. При 20°С плотность алмаза составляет 3,515 г/см 3 . Этим объясняется его исключительная твердость. Алмаз плохо проводит электрический ток.

В 1961 г. в Советском Союзе было начато промышленное производство синтетических алмазов из графита.

При промышленном синтезе алмазов используются давления в тысячи МПа и температуры от 1500 до 3000°С. Процесс ведут в присутствии катализаторов, которыми могут служить некоторые металлы, например Ni.

Основная масса образующихся алмазов — небольшие кристаллы и алмазная пыль.

Алмаз при нагревании без доступа воздуха выше 1000°С превращается в графит. При 1750°С превращение алмаза в графит происходит быстро.

2. Графит — серо-чёрное кристаллическое вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь, по твердости уступающее даже бумаге.

Атомы углерода в кристаллах графита находятся в состоянии sр 2 -гибридизации. Углы между направлениями связей равны 120°. В результате образуется сетка, составленная из правильных шестиугольников. Расстояние между соседними ядрами атомов углерода внутри слоя составляет 0,142 нм.

Рисунок 4. Графит

Четвёртый электрон внешнего слоя каждого атома углерода в графите занимает р-орбиталь, не участвующую в гибридизации.

Негибридные электронные облака атомов углерода ориентированы перпендикулярно плоскости слоя. Соседние слои в кристалле графита находятся друг от друга на расстоянии 0,335 нм и слабо связаны между собой, в основном силами Ван-дер-Ваальса.

Поэтому графит имеет низкую механическую прочность и легко расщепляется на чешуйки, которые сами по себе очень прочны. Связь между слоями атомов углерода в графите частично имеет металлический характер.

Рисунок 5. Модель аллотропной модификации углерода: графит

Этим объясняется тот факт, что графит хорошо проводит электрический ток, но все, же не так хорошо, как металлы.

Физические свойства в графите сильно различаются по направлениям — перпендикулярному и параллельному слоям атомов углерода.

При нагревании без доступа воздуха графит не претерпевает никаких изменений до 3700°С. При указанной температуре он возгоняется, не плавясь.

Искусственный графит получают из лучших сортов каменного угля при 3000°С в электрических печах без доступа воздуха.

Графит термодинамически устойчив в широком интервале температур и давлений, поэтому он принимается в качестве стандартного состояния углерода. Плотность графита составляет 2,265 г/см 3 .

3. Карбин — мелкокристаллический порошок чёрного цвета. В его кристаллической структуре атомы углерода соединены чередующимися одинарными и тройными связями в линейные цепочки.

Это вещество впервые получено В.В. Коршаком, А.М. Сладковым, В.И. Касаточкиным, Ю.П. Кудрявцевым в начале 60-х годов XX века.

Рисунок 6. Карбин

Впоследствии было показано, что карбин может существовать в разных формах и содержит как полиацетиленовые, так и поликумуленовые цепочки, в которых углеродные атомы связаны двойными связями. Позднее карбин был найден в природе — в метеоритном веществе.

Карбин обладает полупроводниковыми свойствами, под действием света его проводимость сильно увеличивается.

Рисунок 7. Модель аллотропной модификации углерода: карбин

За счёт существования разных типов связи и разных способов укладки цепей из углеродных атомов в кристаллической решетке физические свойства карбина могут меняться в широких пределах. При нагревании без доступа воздуха выше 2000°С карбин устойчив, при температурах около 2300°С наблюдается его переход в графит.

Природный углерод состоит из двух изотопов (98,892%) и (1,108%). Кроме того, в атмосфере обнаружены незначительные примеси радиоактивного изотопа, который получают искусственным путём.

Раньше считали, что древесный уголь, сажа и кокс близки по составу чистому углероду и отличающиеся по свойствам от алмаза и графита, представляют самостоятельную аллотропную модификацию углерода («аморфный углерод»). Однако было установлено, что эти вещества состоят из мельчайших кристаллических частиц, в которых атомы углерода связаны так же, как в графите.

4. Уголь — тонко измельчённый графит. Образуется при термическом разложении углеродсодержащих соединений без доступа воздуха. Угли существенно различаются по свойствам в зависимости от вещества, из которого они получены и способа получения. Они всегда содержат примеси, влияющие на их свойства. Наиболее важные сорта угля — кокс, древесный уголь, сажа.

Кокс получается при нагревании каменного угля без доступа воздуха.

Древесный уголь образуется при нагревании дерева без доступа воздуха.

Сажа — очень мелкий графитовый кристаллический порошок. Образуется при сжигании углеводородов (природного газа, ацетилена, скипидара и др.) при ограниченном доступе воздуха.

Активные угли — пористые промышленные адсорбенты, состоящие в основном из углерода. Адсорбцией называют поглощение поверхностью твёрдых веществ газов и растворённых веществ. Активные угли получают из твердого топлива (торфа, бурого и каменного угля, антрацита), дерева и продуктов его переработки (древесного угля, опилок, отходов бумажного производства), отходов кожевенной промышленности, материалов животного происхождения, например костей. Угли, отличающиеся высокой механической прочностью, производят из скорлупы кокосовых и других орехов, из косточек плодов. Структура углей представлена порами всех размеров, однако адсорбционная ёмкость и скорость адсорбции определяются содержанием микропор в единице массы или объёма гранул. При производстве активного угля вначале исходный материал подвергают термической обработке без доступа воздуха, в результате которой из него удаляется влага и частично смолы. При этом образуется крупнопористая структура угля. Для получения микропористой структуры активацию производят либо окислением газом или паром, либо обработкой химическими реагентами.

Источник