Загрузил bezzza 1

Углерод

реклама
Углерод имеет 9 наиболее известных аллотропических модификаций:
Графит – серо-черное вещество, очень мягкая масса с металлическим блеском,проводящая
электрический ток. Алмаз – самое твердое из известных во вселенной кристаллических
материалов.Имеет ГЦК решетку, a = 0,5606 нм, то есть атомы расположены очень близко. Переход
отграфита к алмазу при н.у. не происходит;Карбин – цепочки (параллельно ориентированных)
углеродных атомов с spгибридизацией в виде прямолинейных молекул (в зависимости от структуры
(двойные илитройные-одинарные связи) цвет тоже разный);
Лонсдейлит – в земных условиях не существует (только в космосе);Фуллерен – сфера из
шестизвенных и пятизвенных кусков атомов. Внутри молекула полая и называется фуллерен, если
молекул много, то это вещество называют фуллерит, если «пору» внутри заполнить чем-либо, то
такое вещество называют фуллерид. Образуются такие молекулы при высоком давлении и
температуре;Углеродные нанотрубки – монослой из слоя атомов углерода, свернутый в
трубку;Аморфный углерод – не имеет структуры (скопление частиц);Чаоит – смесь карбина и
аморфного углерода;Графен – одна плоскость-монослой графита. Эти плоскости имеют одну
свободную связь, на эти связи «сажают» разные металлы, радикалы, ОН-группы
(функционализация).
2.В чём состоят отличия структур и свойств алмаза и графита?
Основное отличие — это строение алмаза и графита. Алмаз представляет собой минерал, форму
углерода. Характеризуется метастабильностью, что означает, что он способен оставаться в
неизменно вид бесконечно долго. Алмаз переходит в графит при некоторых специфических
условиях, например, при высокой температуре в вакууме.
3. Перечислите области практического применения углерода
 Топливо/Энергетика  Металлургия Углерод используется для получения чугуна, стали. В
настоящее время углерод незаменим в металлургии. Также используется в качестве электродов,
тиглей, нагревательных элементов;  Алмазы 16 Алмазные пленки используются как напыления
для хирургических инструментов. Как режущие инструменты. Также алмаз используется в
электротехнике и электронике (угольные резисторы, химические источники питания) благодаря
тому, что не проводит ток;  Атомная энергетика/Ядерные исследования В эти областях
используется углерод в форме графита, поскольку это самый распространенный отражатель
ионного излучения и благодаря своей низкой стоимости широко используется в атомной
энергетике. Изотопы углерода используются для археологических исследований;  Медицина
Углеродные волокна, благодаря своей пористости и хорошим адсорбционным свойствам
используются как эндопротезы, сердечные клапаны, для очистки организма от токсических
веществ, при лечении ожегов, очистке крови;  Химическое производство Углерод используется
как катализатор при изготовлении противогазов, полимерные полуфабрикаты, пленки, ткани.
4
.Кратко опишите способы получения искусственных алмазов
1Прямой переход графита в алмаз в условиях высоких давлений и температур (без участия
посторонних веществ) Pст = 1,5∙1010 ÷ 2,2∙1010 Па, Т = 2500 ÷ 3700 К; 2. Каталитический синтез
алмазов (основной метод) Используют катализаторы в виде металлических сплавов и соединений:
а) химическая реакция углерода с расплавленным металлом с образованием карбида: Fe + Cграфит
→ Fe3C7 → Fe3C + Cалмаз б) возникновение микрозародышей алмазной фазы и их рост в)
кристаллизация алмаза как макроскопической фазы; 3. Прямое превращение графита в алмаз под
действием ударной волны (7 – 8 км/с; 20 – 30 Па; 3000 – 4000 К). Отделяют механически. Данный
способ позволяет получать алмазы от 4 нм, коалесценция увеличивает их до 40 – 90 нм. Плотность
данных алмазов хорошо коррелирует с природными алмазами; 4. Синтез алмазов из различных
форм углерода. В результате внешнего воздействия структура внешнего материала может
разрушаться вплоть до разрушения связей. Продуктами столкновения таких связок является 17
циклагексан – зародыш структуры алмаза. В процессе взаимодействия этих структур происходит
образование наноалмазов. Коалесценция приводит к их росту; 5. Получение синтетических
алмазных поликристаллов. В камеру высокого давления помещают углеродистый материал и
металл. Реакционную ячейку сжимают до 5 ГПа при Т = 1500 К, в течении времени,необходимого
для получения алмаза; 6. Пиролитический синтез алмазов Этот метод позволяет смягчить условия
получения алмаза, основная концепция – выделение из органики графита и аморфного углерода –
метод «химического выпаривания»
5.Приведите примеры использования алмаза в технологических процессах
Применение алмазов в ювелирном деле, Cтpoитeльныe paбoты , Пpибopocтpoeниe
Из aлmaзa дeлaют тыcячи moдeлeй ycтpoйcтв, дeтaлeй и видoв инcтpymeнтoв. Их cлoжнo
пepeчиcлить. Ocнoвныe и нaибoлee извecтныe:фpeзa;шлифoвaльный kpyг;cтekлopeз;Meдицинa
Иcпoльзyeтcя maтepиaл для изгoтoвлeния meдицинckих ckaльпeлeй. Ocтpыe лeзвия дaют тoнkий
paзpeз. Пpeдcтaвить дeйcтвия хиpypгa бeз aлmaзнoгo ckaльпeля ceгoдня пpakтичeckи нeвoзmoжнo.
Учёныe нe зaвepшили paбoты нaд твёpдыm maтepиaлom. Meдицинckий лaзep – oднo из пocлeдних
paзpaбoтok. Mинepaл являeтcя пpoвoдниkom пpибopa. Нoвыe нayчныe изыckaния moгyт пoявитьcя
в любoe вpemя.TeлekommyниkaцииKpиcтaлл пoзвoляeт пpoхoдить чepeз oдин kaбeль paзнo
чacтoтныm линияm cвязи. Oн нe бoитcя пepeпaдoв тemпepaтypы, тepпит ckaчkи нaпpяжeния.
6. Углеродные волокна, их классификация, технологии их получения и исходные материалы.
Материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 5 до 15 микрон, образованных
преимущественно атомами углерода. Атомы углерода объединены в микроскопические кристаллы,
выровненные параллельно друг другу. Выравнивание кристаллов придает волокну большую
прочность на растяжение. Углеродные волокна характеризуются высокой силой натяжения, низким
удельным весом, низким коэффициентом температурного расширения и химической инертностью.
При такой классификации все волокнистые углеродные материалы можно разделить на две
большие группы: угольные и графитированные, или низко- и высокотемпературные.
Их получают в электрической дуге при каталитическом сжигании газов, а также электролитическим
синтезом, а также комбинацией методов. Также возможно получение УВ из полимеров
высокотемпературной обработкой, затем их спекают в нити, покрывают специальными веществами
и отжигают, чтобы в волокнах остался один углерод. В зависимости от сырья режим отжига также
варьируется. Чтобы сделать УВ достаточно двух стадий, для получения же графитовых волокон
необходима третья – высокотемпературная.
7 Благодаря каким свойствам углеродные волокна признаны материалом 21-говека?
Атомы углерода объединены в микроскопические кристаллы, выровненные параллельно друг
другу. Выравнивание кристаллов придает волокну большую прочность на растяжение.
Углеродные волокна характеризуются высокой силой натяжения, низким удельным весом,
низким коэффициентом температурного расширения и химической инертностью
8. Опишите области применения углеродных волокон.
 Медицина (углеродные конструкционные материалы биосовместимы, долговечны, близки по
своим значениям к живой ткани организма). Биосовместимость определяется: а)
электрохимическим потенциалом (+ 0,330 мВ) б) поверхностной энергией по отношению к живому
материалу (20 Р/см2 ).
9.Что представляют собой углерод-углеродные композиционные материалы (УУМК)?
Углерод-углеродные композиты. Углерод-углеродные композиционные материалы — такие
материалы, матрица и наполнитель которых состоят из углерода. В качестве наполнителя
применяют углеродные волокна, ленты и ткани углеродными матрицами могут быть коксы пеков,
синтетических смол, пироуглерод
10.Опишите термоградиентные технологии получения УУМК Общепринятая технология
производства углеродного волокна основана на термической обработке различных органических
волокон: 1. гидратцеллюлозных (ГТЦ), (вискозные), 2. полиакрилонитрильных (ПАН), 3. пека
(смола из нефти или каменного угля), 4. полиэфиров, 5. полиамидов (-NH2), полиимидов (=NH), 6.
поливинилового спирта (ПВС), 7. поливинилдехлорида, 8. поли-п-фенилена, 9. фенольных смол и
т.д.
11..Назовите перспективные области применения УУМК. Основными потребителями
графитовых материалов являются металлургия, химическая промышленность и атомная энергетика.
В настоящее время мировые цены графитовых материалов находятся в пределах от 3 USD/кг
(электродная продукция) до 40-200 USD/кг для специальных конструкционных и особо чистых
материалов. Объем мирового производства УУКМ в настоящее время составляет 230-450 т/год,
цены материалов 2D структур армирования колеблются в пределах 110-2900 USD/кг, 3D и 4D
структур - 1100-3300 USD/кг и более.Примерно 81% углерод-углеродных материалов
используются для тормозных дисков самолетов, 18% -для ракетно-космической техники и только
1% - для всех остальных сфер применения. При резком спаде потребностей ракетно-космической
техники, объем производства тормозных дисков для самолетов в последние годы (после 1990 г.)
устойчиво растет на 12% ежегодно.
12. Углеродные нанотрубки (УНТ): классификация, строение.
Углеродные нанотрубки представляют собой молекулярные соединения, принадлежащие классу
аллотропных модификаций углерода. Они представляют собой протяженные цилиндрические
структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной от одного
до нескольких микрон.Однослойные нанотрубки (single-walled nanotubes, SNWTs) – простейший
вид нанотрубок. Большинство из них имеют диаметр около 1 нм при длине, которая может быть во
много тысяч раз больше. Структуру однослойных нанотрубок можно представить как
«обертывание» гексагональной сетки графита (графена) Многослойные нанотрубки (multi-walled
nanotubes, MWNTs) состоят из нескольких слоев графена, сложенных в форме трубки. Расстояние
между слоями равно 0.34 нм, то есть такое же, как и между слоями в кристаллическом
графите.Многослойные (multi-walled) нанотрубки отличаются от однослойных значительно более
широким разнообразием форм и конфигураций. Разнообразие структур проявляется как в
продольном, так и в поперечном направлении.Структура типа «матрёшки» (russian dolls)
представляет собой совокупность коаксиально вложенных друг в друга цилиндрических трубок
13 . Это наноматериал, который обладает высоким коэффициентом прочности, превосходной теплои электропроводностью, огнестойкостью.Улучшение свойств других материалов при внедрении в
них небольшого количества углеродных нанотрубок.Углеродные нанотрубки с открытым концом
проявляют капиллярный эффект, то есть они могут втягивать в себя расплавленные металлы и иные
жидкие вещества;Нанотрубки сочетают в себе свойства твердого тела и молекул, что открывает
значительные перспективы.
14. Способы получения УНТ. В настоящее время наиболее распространенным является метод
термического распыления графитовых электродов в плазме дугового разряда. CVD (chemical vapor
deposition) на созданной экспериментальной установке химического осаждения паров
углеводородов, И СВС
15.Применения в фотонике и оптике. Подбирая диаметр нанотрубок можно
обеспечить оптическое поглощение в большом спектральном диапазоне. Применение в
электронике. На данный момент заявлено множество способов использования
нанотрубок в электронике, однако реализовать удается лишь небольшую ее часть.
Создание сенсоров. Углеродные нанотрубки для сенсоров – одно из наиболее
интересных решений. Создание биочипов, биосенсоров, контроля адресной доставки
и действия лекарств в биотехнологической отрасли. Работы в данном направлении сегодня
вовсю ведутся.
16. Фуллерены: история открытия, строение, классификация.
При определенных условиях С60 могут упорядочиваться и образовывать молекулярный
кристалл, называется фуллерит и имеет ГЦК структуру, a = 1,41 нм, dC60 = 0,714 нм Своим
названием фуллерены обязаны инженеру и архитектору Ричарду Бакминстеру Фуллеру,
чьи геодезические конструкции построены по этому принципу. Существуют модели сборки
фуллеренов: 19  Из графита (фуллерен образуется из плоских лепестков графита в процессе
абляции (унос вещества с поверхности твердого тела): структуры могут быть дефектными
(пятигранные грани), что позволяет образовываться фуллерену);  Модель «улитки» (в случае, если
углеродный кластер, растущий в плазме имеет форму изогнутого листка, связи которого образуют
пяти и шести угольники, аналогично структуре фуллерена, в процессе роста этот «лепесток»
стремится свернуться чтобы было минимум свободных связей, данная модель не связывает
образование графита при абляции);  Сборка фуллеренов из кластеров (собираются из различных
кластеров, чья структура совпадает со структурой фуллерена, по этой модели фуллерены
собираются в С60);  Сборка из колец;  Отжиг углеродных кластеров.
17. Физико-химические свойства фуллеренов.
Свойства фуллеренов недостаточно изучены в силу объективных причин: относительно
небольшое количество лабораторий имеет возможность изучать эти свойства.Согласно данным
[6], к свойствам фуллеренов относится аномально высокоя стабильность, о которой
свидетельствуют результаты исследований процессов с участием фуллеренов. В частности, автор
[7] отмечает, что кристаллический фуллерен существует как стабильное вещество вплоть до
температур 1000 – 1200 К, что объясняется его кинетической устойчивостью. Правда это касается
стабильности молекулы фуллерена С60 в инертной атмосфере аргона [8], а в присутствии
кислорода наблюдается значительное окисление уже при 500 К с образованием CO и CO2.
18. Способы получения фуллеренов Известны две группы методов получения
фуллеренов: возгонка
графита с
последующей десублимацией и пиролиз
углеводородов.
При возгонке графита, требующей температур выше 2000 К Для перевода графита в
газовую фазу применяют также магнетронное распыление. Наиболее распространенным
и относительно простым методом получения фуллеренов в лаборатории является
возгонка и десублимация графита в электрической дуге, горящей между графитовыми
электродами в потоке инертного газа (чаще всего – гелия). Пиролиз углеводородов с
образованием фуллеренов реализован в двух основных вариантах:
· при нагревании углеводородов без окислителей (в частности, с использованием
микроволновой плазмы, индуктивно-связанной плазмы или лазерного излучения);
· при частичном сжигании углеводородов.
17.
Перспективы
использования
фуллеренов.
Создание
новых
конструкционных материалов с уникальными свойствами для использования в
строительстве инженерно-технических сооружениях и в изготовлении средств
индивидуальной защиты.2 Улучшение эксплуатационных характеристик
транспортных средств и других специальных механизмов.3 Получение новых
композиционных материалов электротехнического назначения. 4 Получение
новых композиционных материалов для оптического и радиоэлектронного
противодействия.5 Создание материалов и микроэлектронных изделий
специального назначения.6 Разработка новых технологий в медицине.
18. Астралены :строение, свойства, способы получения.
19.Астрале́ны — фуллероидные соединения, представляющие собой многослойные п
олиэдральные структуры из атомов углерода размером 80÷150 нм.
Астралены
представляют собой гигантские молекулы в форме тора, составленные из сочетания
углеродных гексагонов и пентагонов. Астралены получают как побочный продукт
производства фуллеренов путем термического распыления графитового анода в
плазме дугового разряда, горящей в атмосфере инертного газа. Продукты распыления
осаждаются на охлаждаемых стенках камеры, и, в основном, на поверхности катода.
20 . Применение
добавка-модификатор для полимерных и неорганических композиционных матералов, а также
композиционных сплавов;
компонент специализированных сорбентов;
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
21Графен и его производные
Графе́н (англ. graphene) —
двумерная аллотропная
модификация углерода,
образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом. Атомы углерода находятся
в sp²-гибридизации и
соединены
посредством σи π-связей
в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как
одну плоскость слоистого графита, отделённую от объёмного кристалла. По оценкам,
графен
обладает
большой механической жёсткостью[4] и
рекордно
[5]
большой теплопроводностью . Высокая подвижность носителей заряда, которая
оказывается максимальной среди всех известных материалов (при той же толщине),
делает его перспективным материалом для использования в самых различных
приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники[6] и возможную
замену кремния в интегральных микросхемах.
22 получение графена
Один из существующих в настоящее время способов получения графена в
условиях научных лабораторий[7][8] основан на механическом отщеплении или
отшелушивании слоёв графита от высокоориентированного пиролитического
графита. Он позволяет получать наиболее качественные образцы с
высокой подвижностью носителей. Этот метод не предполагает использования
масштабного производства, поскольку это ручная процедура. Другие
известные способы — метод термического разложения подложки карбида
кремния[9][10] и xимическое осаждение из газовой фазы — гораздо ближе к
промышленному производству. С 2010 года доступны листы графена
метрового размера, выращенные с помощью последнего метода[11].
Скачать