WWW.REFERATCENTRAL.ORG.UA - Я ТУТ НАВЧАЮСЬ

... відкритий, безкоштовний архів рефератів, курсових, дипломних робіт

ГоловнаХімія → Вуглець і вуглецеві матеріали - Реферат

Вуглець і вуглецеві матеріали - Реферат


Реферат на тему:
Вуглець і вуглецеві матеріали
Вуглець у вигляді сажі, деревного і кам'яного вугілля відомий із глибокої давнини.
Вуглець складає приблизно 0,5 % від маси земної кори (~1·1017 т). Кругооберт вуглецю, як і будь-якого іншого елемента, відбувається за великим і малим циклами. Великий (геологічний) кругооберт пов'язаний з хімічним вивітрюванням вуглецю літосфери і виносом в океан карбонатів вивержених порід з подальшим метаморфізмом і виділенням вуглекислоти у атмосферу.
Біологічний кругооберт вуглецю пов'язаний з життєдіяльністю організмів. Вуглець, що міститься у вигляді СО2 в атмосфері (23,5·1011 т), служить сировиною для фотосинтезу рослин. Частина вуглецю у вигляді СО2 повертається в атмосферу при розкладанні рослин, а інша частина накопичується у вигляді мертвої органіки, наприклад покладів вугілля і торфу -- продуктів процесу фотосинтезу рослин минулих геологічних епох.
Основна маса вуглецю акумульована в карбонатних відкладах дна океану (1,3·1016 т), кристалічних породах (1,0·1016 т), кам'яному вугіллі і нафті (3,4·1015 т). Саме цей вуглець бере участь у повільному геологічному кругооберті. Життя на Землі і газовий баланс атмосфери підтримуються відносно невеликою кількістю вуглецю, що приймає участь у малому кругооберті і міститься в тканинах рослин (5·1011т) і тварин (5·109 т).
Органогенні породи (біоліти) поділяються на дві групи -- каустобіоліти (горючі копалини) і акаустобіоліти (негорючі породи: крейда, вапняк, корали).
У природі вуглець зустрічається й у вільному стані, і у вигляді сполук -- головним чином солей вугільної кислоти (крейда, вапняк, мармур). Багато вуглецю містять кам'яне і буре вугілля, торф. Вуглець входить до складу нафти, природного газу, повітря, рослин, організму людини і тварин. На відміну від кисню й азоту вуглець при звичайних умовах крім фулеренів не утворює молекул, у нього атомні кристалічні гратки, що пов'язано з чотирьохвалентністю вуглецю. Різні способи утворення атомами вуглецю чотирьох зв'язків один з одним обумовлюють існування різних алотропічних видозмін. Порядок взаємного розташування атомів вуглецю в цих речовинах істотно різний.
На сьогодні відомо чотири алотропні модифікації вуглецю: алмаз, графіт, карбін і фулерени. Графіт і алмаз давно були виявлені в природі, пізніше були розроблені шляхи їхнього синтезу, тоді як карбін і фулерени в останні десятиліття отримано в лабораторіях, а дані про їхню наявність у природі іноді заперечуються. Зовнішній вигляд, фізичні і хімічні властивості цих модифікацій різко відрізняються, незважаючи на те, що в їхньому утворенні беруть участь ті самі атоми. Таке явище -- дія тих самих зв'язків, що з'єднують атоми вуглецю в молекулах розглянутих речовин.
Алмаз графіт карбін фулерен С60
Рис. 1.1 Основні модифікації вуглецю
У незбудженому стані, що практично не зустрічається в сполуках, електронна конфігурація атома C 1s22s22p2. При утворенні міжатомних зв'язків у молекулах відбувається гібридизація електронів зовнішньої оболонки по типу sp3 в алмазі, sp2 у графіті і фулеренах та sp у карбінах. Відзначимо, що sp2 -- гібридизовані атоми вуглецю у графіті утворюють в нескінченні площини, що складаються з правильних шестикутників (гексагонів), а у фулеренах утворюють замкнуті оболонки, які включають цілком визначену кількість атомів.
Алмаз і графіт, відомі людині з давніх-давен, знайшли широке практичне використання задовго до розшифровки їхньої структури, яка остаточно була встановлена тільки після розробки відповідних фізико-хімічних методів аналізу (рентгенографії, електронографії т.п.). Що стосується карбіна і фулерена картина зворотна: їхні структури встановлені, а області застосування тільки плануються на основі можливих технологічних властивостей.
Вуглець може утворювати сполуки, знаходячись у ступені окислювання +4 і --4. Відома єдина сполука, де вуглець формально двохвалентний зі ступенем окислення +2. Це оксид вуглецю (II). В усіх випадках вуглець, як правило, чотирьохвалентний. Це ж характерно і для кремнію.
Вуглець і кремній займають особливе положення серед інших хімічних елементів. На основі вуглецю побудовані молекули живих організмів. Кремній -- один з головних елементів, які утворюють земну кору.
Вуглець у вигляді сажі, коксу, деревного вугілля, кісткового вугілля знаходить широке застосування. Кокс використовують у металургії. Деревне вугілля також застосовують у металургії, при виготовленні чорного пороху і як адсорбент. Піроліз тваринних залишків або кісток дає тваринне чи кіскове вугілля. Це вугілля має велику питому поверхню, високу здатність поглинати гази і розчинені речовини. Якщо тваринне і кісткове вугілля обробити парою, то поверхня їх, а отже, і поглинальна здатність значно зростають. Таке обробленіе вугілля називають активованими. Активоване вугілля застосовують для очищення спирту (від сивушних масел), цукру й інших речовин.
Алмаз
Це найчистіший вуглець у кристалічному виді. У 1694 р. флорентійські академіки намагалися сплавити кілька малих алмазів в один великий. Алмази жевріли як розпечене вугілля і, нарешті, згоріли.
Кристалічні ґратки алмаза складаються з атомів вуглецю, з'єднаних між собою дуже міцними ковалентними ?-зв'язками, що утворені за рахунок перекривання sp3-гібридних орбіталей атомів вуглецю і розташовані, отже, під тетраедричними кутами.
Звичайно алмази безбарвні, але бувають синього, блакитного, червоного кольору. Алмаз -- найбільш тверда з усіх відомих у природі речовин. Грановані прозорі алмази називають діамантами. Однак, на виготовлення ювелірних виробів йде незначна кількість алмазів (15 %). Основна частина їх використовується в техніці: алмазний пил -- для шліфування твердих матеріалів, тонкого заточення токарських різців; алмазні стовпчики в бурильній справі.
На території колишнього Радянського Союзу родовища алмазів було знайдено в Якутії, на Середньому Уралі, в Архангельській області РФ, і в Донецькій області України.
Кристали алмаза мають октаедричну форму, кожен атом кристалічних ґраток розташований у центрі тетраедра з інших атомів вуглецю. Усі відстані між атомами однакові (0,15445 нм), як і кути між зв'язками (109,5 °). Кристали алмаза безбарвні, відрізняються високим показником заломлення і твердістю (рис. 1.3).
Рис. 1.3 Структура кристалів алмаза (а) і графіту (б)
Графіт
Графіт являє собою темно-сіру з металевим блиском, м'яку, жирну на дотик речовину, густина його 2,17-2,3 г/см3. Добре проводить струм, на повітрі не замається навіть при сильному розжарюванні, а в кисні горить, утворюючи CO2.
Як і в алмазі, у графіті кожен атом вуглецю утворює один з одним чотири зв'язки. Однак ці зв'язки не однакові. Три з них є ?-зв'язками, утвореними в результаті перекривання sp2-гібридних орбіталей атомів вуглецю. Усі вони розташовуються в одній площині під кутом 120°, утворюючи безперервну
Loading...

 
 

Цікаве