- •ФОРМЫ СУЩЕСТВОВАНИЯ УГЛЕРОДА. ИХ ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ
- •1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УГЛЕРОДЕ
- •2. ГРАФИТ -
- •2.2. Свойства графита
- •2.3. Использование графита
- •3. АЛМАЗ
- •3.4. Условия перехода графита в алмаз
- •Фазовые превращения графит - алмаз
- •3.5.Методы получения синтетических алмазов
- •4.1. История открытия карбина
- •4.2. Структура карбина
- •5. РАЗНОВИДНОСТИ ИСКУССТВЕННЫХ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ
- •5.2. Термически расширенный графит
- •5.3. Применение углеродных материалов в медицине
- •6.1. Структура фуллерена
- •6.3. Получепие фуллеренов
- •6.4. Применение фуллеренов
- •7.2. Многослойные нанотрубки
- •7.3. Структура наночастиц
- •7.4. Получение углеродных нанотрубок
- •7.5. Свойства и применение нанотрубок
Министерство образования Российской Федерации
Пермский государственный технический университет
С.А. Оглезнева, Л.М. Гревнов, И.В. Жигалова, Н.А. Легостаева, А.Г. Щурик
ФОРМЫ СУЩЕСТВОВАНИЯ УГЛЕРОДА. ИХ ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия
Пермь 2003
УДК 621.762 Ф79
Рецензенты:
д-р техн. наук Г.И. Шайдурова, канд. техн. наук, проф. А #. Вакутин
Ф79 Формы существования углерода. Их получение и применение: Учеб, пособие/ С.А. Оглезнева, Л.М. Гревнов, И.В. Жигалова, Н. А. Лего стаева, А.Г. Щурик; Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 2003. - 88 с.
Рассмотрены структура и свойства углеродных форм. Приведены количест венные характеристики веществ и области применения этих вещств, систематизи рованы данные о структурообразовании и свойствах новой формы углерода - фуллерена.
Предназначено для студентов специальности 110.800.
УДК 621.762
© Пермский государственный технический университет, 2003
Введение............................................................................................. |
4 |
1. Общие сведения об углероде..................... |
4 |
2. Графит............................................................................................ |
6 |
2.1. Структура графита................................................................. |
6 |
2.2. Свойства графита................................................................... |
8 |
2.3. Использование графита........................................................ |
11 |
3. Алмаз.............................................................................................. |
13 |
3.1. Структура алмаза................................................................... |
13 |
3.2. Свойства алмаза..................................................................... |
13 |
3.3. Образование природных алмазов.......................................... |
17 |
3.4. Условия перехода графита в алмаз...................................... |
22 |
3.5. Методы получения синтетических алмазов......................... |
27 |
3.6. Применение алмазов.............................................................. |
35 |
4. Карбин............................................................................................ |
37 |
4.1. История открытия карбина.................................................... |
37 |
4.2. Структура карбина................................................................. |
38 |
4.3. Свойства и применение карбина........................................... |
39 |
5. Разновидности искусственных углеродных материалов............ |
40 |
5.1. Рекристаллизованный графит............................................... |
40 |
5.2. Термически расширенный графит.......................................... |
41 |
5.3. Применение углеродных материалов в медицине................ |
42 |
6. Фуллерен........................................................................................ |
45 |
6.1. Структура фуллерена.............................................................. |
47 |
6.2. Свойства фуллеренов.............................................................. |
54 |
6.3. Получение фуллеренов........................................................... |
64 |
6.4. Применение фуллеренов......................................................... |
70 |
6.5. Предпосылки для образования свободного углерода в виде |
|
фуллеренов в железоуглеродистых сплавах.................................... |
71 |
7. Углеродные нанотрубки............................................................... |
74 |
7.1. Однослойные нанотрубки...................................................... |
75 |
7.2. Многослойные нанотрубки................................................... |
76 |
7.3. Структура наночастиц........................................................... |
76 |
7.4. Получение углеродных нанотрубок...................................... |
77 |
7.5. Свойства и применение нанотрубок...................................... |
78 |
Заключение......................................................................................... |
83 |
Список литературы............................................................................ |
86 |
Приоритетным направлением в таких областях промышленности, как авиация, электротехника, автомобилестроение, приборостроение, является разработка новых материалов: сверхтвёрдых сплавов, сплавов с памятью формы, сверхжаростойких, сверхкоррозионно-устойчивых материалов, световых волокон сверхвысокой чистоты, угольных волокон и материалов для ядерных реакторов. Достигнутый уровень свойств материалов во мно гом определяет реализацию практически любой научно-технической идеи, создание конкурентоспособной современной техники.
Графит, алмаз, карбин, фуллерен являются полиморфными модифи кациями углерода и представляют собой материалы с уникальными свой ствами. Многие свойства этих модификаций резко различаются по качест венным и количественным характеристикам, поэтому углеродные мате риалы нашли широкое применение в самых разнообразных областях науки
итехники, и с каждым годом потребность в этих материалах возрастает.
Внастоящее время исследования этих материалов направлены на изу чение их структуры и свойств и поиск новых методов их получения.
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УГЛЕРОДЕ
Шестой элемент Периодической системы элементов Д.И. Менделее ва - углерод - имеет два стабильных изотопа с массовыми числами 12 (98,892%) и 13 (1,108%). Атомная масса естественной смеси изотопов 12,0111 ±0,0005.
В природе углерод в чистом виде представлен двумя кристаллически ми формами - графитом и алмазом. При некоторых определенных услови ях одна модификация может переходить в другую.
Электронная структура атома углерода может быть записана как 1 s2 2 s2 2 р 2. В состоянии 1 s2 2 s2 2 р2 атом углерода двухвалентен. Но в большинстве соединений углерод четырехвалентен вследствие перехода одного электрона из состояния 2 s в состояние 2 р. Энергия, требуемая на переход атома углерода из нормального состояния в возбужденное и рав ная 376-418 кДж/моль, компенсируется энергией образования связей как в химических соединениях, так и в кристаллических решетках.
Полученному возбужденному состоянию углерода соответствует конфигурация Is 2 2 s 2 p 3 или, подробнее, Is2 2s 2px2py 2pz, т.е. орбитали р-электронов имеют наибольшую плотность вдоль осей координат х, у и z, если принять за начало прямоугольной системы координат ядро атома. Вытянутые в виде объемных восьмерок орбитали /7-электронов образуют
направленные связи. Образование связи атома углерода с другими атомами происходит благодаря трем /7-электронам и одному s-электрону, при этом наблюдается три состояния атома углерода в зависимости от степени гиб ридизации валентных электронов.
Получение первого состояния с четырьмя равноценными связями возможно при смешивании состояния одного s-электрона с состояниями трех /?-электронов. Такое смешивание называют sp -гибридизацией (рис. 1). В этом случае четыре валентных электрона образуют четыре ор битали, формируя четыре a-связи, направленные к углам тетраэдра. Элек троны, их образующие, называются а-электронами. В этом состоянии на ходятся связи атомов углерода в идеальной структуре алмаза, метана др.
Второе состояние атомов углерода образуется, когда гибридизирова ны один s-электрон и два /7-электрона ^/72-гибридизация). Три ст-связи лежат в одной плоскости и направлены под углом 120° друг к другу. Четвертый валентный электрон, л-электрон, образует л-связь, направленную перпендикулярно плоскости расположения а-связей. Такое состояние реализуется в идеальной решетке графита, молекулах этилена, ароматических соединений.
Рис. 1. Формы £/?я-гибридных орбиталей: а - две sp-орбитали (<р =180°);
б - $р2-орбитали (ф =120°); в- $/?3-орбитали (ф = 109° 28 )
Третье состояние, соответствующее s/7-гибридизации, образуется из двух a-связей и двух л-связей. Гибридизированы один s-электрон и один /7-электрон, образующие а -связи. Два других /7-электрона обеспечивают две л-связи. Связи типа а направлены вдоль одной из осей коорди нат, л-связи - вдоль других осей. В третьем состоянии находятся молеку лы с тройной связью, например молекулы ацетилена, синильной кислоты и
ДР-
Описанные состояния атома углерода являются приближенными. На личие в молекулах многих атомов влияет на электронное состояние атомов углерода и усложняет его. То же можно сказать и о карбине - линейных