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

плоску сітку, що складається з правильних шестикутників, у кутах яких знаходяться атомивуглецю. Четвертий p-зв'язок утворюється за рахунок перекривання пелюстків p-орбіталей вище і нижче площини, у якій розташовані атоми вуглецю. p-зв'язок утворює суцільну електронну хмару по всьому шару атомів вуглецю, як і у випадку металевого зв'язку. Вуглецеві шари у графіті зв'язані дуже слабкими силами міжмолекулярної взаємодії. Ці особливості будівлі графіту й обумовлюють такі його властивості, як електропровідність, шаруватість і т.д.
Графіт використовується для виготовлення олівців, тугоплавких тиглів, електродів, мастильних матеріалів, як сповільнювач у ядерних реакторах.
На території країн СНД родовища графіту знайдено в Східному Сибіру, на Алтаї й в Україні.
Сьогодні графіт одержують штучним шляхом -- прожарюванням суміші піску і подрібненого антрациту чи коксу в електричних печах. Штучний графіт відрізняється винятковою чистотою і м'якістю, тому цінується вище природного.
Графіт, якщо розглядати його ідеалізовану структуру, являє собою безперервний ряд шарів, рівнобіжних основній площині, що складаються з гексагонально зв'язаних один з одним атомів вуглецю (мал.1.2). За взаємним зсувом цих шарів у площині розрізняють гексагональну і ромбоедричну форми. У гексагональній формі шари чергуються за схемою А-В-А-В-..., а в ромбоедричній -- за схемою А-В-С-А-В-С-... Зміщення шарів у ромбоедричній формі може досягати в природних графітах 30 %, у штучних вона практично не зустрічається. Відстань між будь-якими сусідніми атомами вуглецю в площині шару дорівнює 0,1415 нм, між сусідніми шарами 0,3354.
Така будова приводить до анізотропії фізичних властивостей графіту в напрямках рівнобіжному і перпендикулярному злому.
Описана структура характерна для монокристала графіту. Реальні тіла складаються з безлічі областей упорядкованості вуглецевих атомів, що мають кінцеві розміри, які відрізняються на кілька порядків для різних зразків вуглецевих тіл графітової чи графітоподібної структури. Структура цих областей може наближатися до ідеальних ґраток графіту чи відрізнятися від неї за рахунок перекручувань усередині шарів, так і за рахунок неправильностей їхнього чергування. Такі області упорядкованості називаються кристалітами і мають власні геометричні характеристики: La - середній діаметр, Lc - середня висота кристаліта і d002 - середня відстань між зломами у кристаліті. Ці величини визначаються за допомогою рентгенографічного аналізу. Крім того, у реальних графітових тілах є деяка кількість неупорядкованих атомів (аморфний вуглець), що займають простір між кристалітами чи впроваджені між шарами. Ці атоми можуть, знаходиться в sp, sp2 чи sp3- гібридному стані.
Графіт і алмаз можуть за певних умов переходити один в одного. Інформацію про термодинамічні параметри, при яких стабільні кристалічні модифікації вуглецю, дає діаграма стану вуглецю. При її складанні були досліджені умови рівноваги між різними фазами, зокрема були обчислені рівноважні температури і тиски для системи "графіт-алмаз":
Т,К 0 298 400 500 600 700 800 900 1000 1100
р,ГПа 1,35 1,61 1,82 2,05 2,30 2,60 2,85 3,15 3,40 3,70
При температурах вище 1200 К крива рівноваги може бути представлена виразом:
р = 0,7 + 0,0027Т.
При атмосферному тиску і високих температурах графіт сублімує, не переходячи в рідкий стан, але при високих тисках і температурах він плавиться, що було встановлено по стрибку електроопору, приблизно при Т=4000 К і р=10 МПа. Точка рівноваги графіт-алмаз-розплав знаходиться в області Т=4000-4200 К и р=12,5-13,5 ГПа.
В області тисків, близьких до атмосферного, фаза алмазу термодинамічно менш стійка, ніж фаза графіту. Однак, існує можливість одержувати алмаз в умовах його термодинамічної нестабільності, синтезуючи алмаз з газової фази. Цей процес йде відповідно до правила ступеней Оствальда, коли можливий ряд перетворень від нестійкого стану (вуглець газової фази) до найбільш стійкого (графіт) через проміжні (зокрема алмаз). На одній з цих ступеней процес може бути зупинений. Для спрямування його у бік алмазу діють наступним чином. Проводять піроліз вуглецевого газу (ацетилен, метан та ін.) у реакційній посудині з підкладкою - кристалів алмазу. На гранях такого кристала надлишок атомів вуглецю з газової фази виділяється у тверду, "орієнтуючись" на вже наявні кристалічні ґратки.
Це так званий епітаксіальний синтез речовини. Синтез метастабільної фази повинен проводитися при точному дотриманні умов процесу. Якщо швидкість виділення вуглецю в результаті піролізу буде занадто велика, то енергетична вигода від утворення більш стабільного графіту буде перевищувати дію кристалічних ґраток, поверхня алмазу буде покрита шаром графіту, і утворення алмазу припиниться. Таким способом, можна одержати не більше 10 алмазних шарів. Процес алмазоутворення може бути відновлений після видалення графіту з підкладки шляхом "підбурення" його воднем. Кілька циклів обробки алмазної підкладки вуглеводневим газом і воднем дозволяють практично подвоїти її масу.
Особливості кристалічної структури графіту і мала величина сил зчеплення між його шарами, обумовлюють ковзання шарів один відносно одного навіть при малих значеннях напруг зсуву в напрямку ковзання. Це дозволяє використовувати вуглеграфітові матеріали як антифрикційні, працюючих без використання за рахунок низьких сил зчеплення між дотичними поверхнями. З іншого боку, відсутність міцних міжшарових зв'язків у графіті полегшує відділення його частинок від деталей, що труться. Це обумовлює зменшення їхнього зносу.
Електропровідність алотропних модифікацій вуглецю дуже розрізняється за абсолютною величиною. Алмаз є діелектриком, причому його електроопір однаковий в усіх напрямках кристала. Це зв'язано з тим, що усі валентні електрони входять у чотири рівноцінні ?-зв'язки, а вільні ?-електрони, що утворюють хмару, відсутні.
На відміну від алмазу в монокристалі графіту є ?-зв'язки і ?-електронні хмари, що утворюють електронні шари паралельні моношарам вуглецевих атомів і зумовлюють електропровідність металевого типу в напрямку паралельному шарам. У напрямку їм перпендикулярному графіт веде себе, як напівпровідник, провідність якого визначається позитивними дірками. У зв'язку с цим електропровідність графіту в паралельному напрямку приблизно на два-три порядки перевищує провідність у напрямку йому перпендикулярному.
У полікристалічних вуглецевих матеріалах загальна провідність визначається двома складовими: електропровідністю кристалітів, металевою за своїм типом, і провідністю аморфного вуглецю-напівпровідника. Цим обумовлена, екстремальна залежність електропровідності багатьох вуглеграфітових матеріалів від температури: електроопір напівпровідника з ростом температури падає, а металу росте. Тому існує мінімум температурної залежності опору, причому його положення зсувається в область
Loading...

 
 

Цікаве