Аллотропные модификации углерода

МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

СЫЧЕВСКАЯ СРЕДНЯЯ ШКОЛА № 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

АЛЛОТРОПНЫЕ МОДИФИКАЦИИ УГЛЕРОДА

 

 

 

 

 

                                                               Выполнила:

                                                               Семенова Алина Валерьевна                                                                  

                                                               учащаяся 10 «Б» класса

 

                                                               Научный руководитель:

                                                               Зоркина Анна Алексеевна                                                                   

                                                              

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2012

Оглавление

 

 

Введение ……………………………………………………………………..стр. 3

 

Глава 1  История открытия и получения аллотропных модификаций

                 углерода ………………………………………………………….. стр.5

 

Глава 2   Области применения аллотропных модификаций

                 углерода ………………………………………………………… стр.12

 

Глава 3    ООО «Сычёвский электродный завод» - ведущее предприятие

                  по производству графитовых электродов…………………. стр.15  

                             

                  3.1  История становления и развития  предприятия  ………… стр.15

 

                  3.2  Материалы для производства  электродов……………….. стр.19

 

                  3.3  Технологический процесс производства  электродов........ стр.21

 

                  3.4 Центральная заводская химическая  лаборатория…………стр.24

 

Заключение ………………………………………………………………...стр.27

 

Список литературы………………………………………………………. стр.29

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 

На протяжении нескольких столетий углерод  является объектом изучения для учёных самых различных специальностей: химиков, физиков, материаловедов, геологов. Естественно, что для такого интереса должны быть веские причины, и их предостаточно, даже если оставить в стороне тот факт, что углерод является основой органической жизни.

 С  уверенностью можно сказать, что  ни один элемент не обладает  таким разнообразным спектром  порой диаметрально противоположных  свойств: диэлектрик и металл, полупроводник  и полуметалл, диа – и парамагнетик, сверхтвёрдый и сверхмягкий, теплоизолятор и один из лучших проводников тепла, эталон прозрачности и абсолютно чёрное тело.

Очевидно, что, имея такой диапазон уникальных свойств, углерод незаменим в различных областях науки и техники.

Углерод образует несколько аллотропных модификаций – различных форм веществ с одинаковым химическим составом, которые отличаются строением кристаллических решеток и, как следствие, своими свойствами.

Аллотропные модификации углерода имеют атомные кристаллические решетки, но из-за разного типа гибридизации атомных орбиталей углерода различаются строением кристаллов.

У алмаза – это sp3 – гибридизация атомов углерода и, следовательно, тетраэдрическая атомная кристаллическая решетка; у графита sp2 – гибридизация и, следовательно, плоскостная кристаллическая решетка; у карбина – sp – гибридизация и соответственно линейная атомная кристаллическая решетка.

Алмаз – самое твердое, но достаточно хрупкое, прозрачное, оптически чрезвычайно активное вещество. Алмаз теплопроводен, но не электропроводен, очень тугоплавок.

В идеальных тетраэдрах, из которых построены кристаллы алмаза, валентные углы равны 109о28/ и все четыре ковалентные сигма – связи, которыми каждый атом углерода связан с соседними атомами, имеют одинаковую длину, равную 0,154 нм (Приложение 1).

Графит – темно-серое, мягкое, жирное на ощупь электропроводное вещество. Графит очень тугоплавок, и по этому свойству он превосходит даже алмаз.

Он имеет слоистое строение. Каждый слой состоит из плоских шестиугольных колец, очень похожих на бензольные, в которых расстояние между атомами углерода равно 0,142 нм. Расстояние между слоями почти в 2,5 раза больше, чем длина связей в слоях и равно 0,335 нм (Приложение 2).

Карбин – это черный порошок с плотностью, близкой к плотности графита (2 г/см3). Существует две разновидности карбина: полииновая, представляющая собой цепи типа ... – С ≡ С – С ≡С – …, и полиеновая

… ═ С ═ С ═ С ═ … (Приложение 3).

Фуллерены имеют состав С60, С70, С80 и т.д. и молекулы в форме футбольного мяча, т.е. полого шара, поверхность которого образована пяти – и шестигранными углеродными кольцами, имеющими общие ребра. Это кристаллическое вещество черного цвета с металлическим блеском (Приложение 4).

 Среди  аллотропных модификаций углерода  наиболее известны алмаз и графит. В последние десятилетия  открыты новые аллотропные модификации углерода – карбины, фуллерены,  лонсдейлит и углеродные нанотрубки, с которыми связаны большие возможности в создании новых материалов и технологий.

Научный поиск в этом направлении осуществляется учеными  весьма интенсивно и является  в определенной мере свидетельством не только  научно – технического, но и общего развития страны.

Отсюда становится понятным значимость и актуальность темы нашего реферата: Аллотропные видоизменения углерода.

 

 

Глава 1  История открытия и получения аллотропных модификаций         

                углерода                                           

 

1.1 Алмаз

Термин «алмаз» происходит от греческого слова “несокрушимый”, “неизменный”.

 Почти  сто лет потребовалось ученым, чтобы с достоверностью доказать  тождество алмаза и углерода. Ещё в 1704г Исаак Ньютон в  своей книге «Оптика» высказал  идею об углеродной природе  алмаза. Он считал, что алмаз –  это «сгустившееся маслянистое  вещество».

В 1694г флорентийские учёные сожгли алмаз, нагревая его в солнечных лучах, сфокусированных линзой. Эти опыты впоследствии были многократно повторены. Так, А. Лавуазье в 1772г доказал, что алмаз сгорает на воздухе. В старинной книге русского учёного А. М. Карамышева, изданной в Санкт - Петербурге в 1779г, сообщается о сжигании трёх алмазов. В1797г врач Смитсон Теннант сжигает алмаз в золотом футляре без доступа воздуха. Он приходит к выводу, что одинаковые количества алмаза и угля при сжигании (окислении) дают одинаковые количества оксида углерода. Из сопоставления продукта сгорания умозрительно вытекала тождественность графита, алмаза и углерода.

Свойства алмаза привлекали алхимиков средневековья. Они оставили много свидетельств о безуспешных попытках получения искусственных алмазов. Наиболее значительными следует признать опыты Б. Хэннея (1880г) и А. Муассана (1896г). Последний сумел достичь температуры 3000 – 4000оC в печи собственной конструкции, где он пытался получить алмаз путём быстрого охлаждения расплава углерода в железе. Однако синтезировать таким образом алмаз Муассану не удалось. Хэнней оказался более удачливым: смесь керосина, костного масла и металлического лития, нагретая в запаянной железной трубке в течение 14 часов, а затем резко охлаждённая в ледяной воде, благополучно превратилась в кристаллики алмаза, до настоящего времени хранящиеся в Британском музее. Правда, неопровержимые доказательства их «алмазности» появилась только в 1943г, когда методом рентгеноструктурного анализа была определена структура этих кристаллов.

 Физик  Макс Лауэ  в 1912 году изучил  отражение (дифракцию) рентгеновских  лучей в кристаллах. Таким образом, было установлено, что дифракция  рентгеновских лучей находится  в зависимости от расположения  атомов в кристаллах. Метод получил  название рентгеноструктурного. С его помощью профессор физики Манчестерского университета Вильям Лоуренс Брег (сын) в 1913г впервые установил кристаллическую структуру алмаза. Отцу и сыну Брегам за работы в области рентгеноструктурного анализа в 1915г была присуждена Нобелевская премия. И в настоящие время рентгенограмма алмаза, например как свидетельство подлинности драгоценного камня, является достоверным критерием.

 В 1939г  советский физик О. И. Лейпунский сформулировал условия перехода графита в алмаз (давление 70 * 108 Па, температура 1600 – 2000 оC). Фундаментальное исследование О. И. Лейпунского фазовых переходов аллотропных форм углерода послужило теоретическим фундаментом поиска путей получения искусственных алмазов. В 1953г шведский учёный Э. Лундбалд с сотрудниками впервые осуществил воспроизводимый (в отличие от синтеза Хэннея) синтез искусственных алмазов.

В 1954г учёные из лаборатории фирмы “Дженерал электрик” (США) получил чёрные кристаллики искусственного алмаза массой 0,05г при давлении 101 * 10 8 Па и температуре 2600о C.

В последствии было установлено, что если использовать переходные металлы – железо, никель, палладий, платину – в качестве катализаторов, то давление можно снизить до 50* 10 8 Па, а температуру до 1200о С и ниже. В одной камере, таким образом, за несколько минут можно получить свыше 20г алмазов.

 В  настоящее время установлено, что  алмаз может быть получен из  графита не только при сверхвысоких, но и при низких давлениях (вплоть  до вакуума) в результате поликонденсации лёгких углеродосодержащих молекул как последовательный химический синтез С – С - связи алмазной решётки.

В конце 90-х годов освоен синтез плёночных алмазов для электронной промышленности из метана за счёт продувки раскалённой до 1000о С водородно-метановой смеси. Применяя различные режимы синтеза можно получить алмазы разных цветов: жёлтые, голубые, красные, коричневые.

Самый крупный искусственный алмаз – весом чуть более 30 карат – был получен компанией «Де Бирс». Однако этот камень неювелирного качества.

В России два центра производства искусственных алмазов – Москва и Новосибирск. Секретами синтеза алмазов владеют на Украине и в Белоруссии. Крупнейшие зарубежные производители – фирмы Дженерал Электрик, Де Бирс, Сумимото Электрик – принципиально продают свои изделия только для использования в технических целях.                                                  

 

1.2 Графит

Слово “графит” происходит от греческого «графо» - пишу – и для большинства людей на всю жизнь ассоциируется с карандашом. В 1740г немецким химиком и медиком И. Поттом  были выполнены исследования этого вещества, которые полностью отвергли мнение о том, что графит – разновидность свинцового блеска.

В 1779г шведский химик К. В. Шееле успешно завершил опыт по сжиганию графита в струе кислорода. Некоторые историки химии полагают, что тогда же был введен в научный обиход минералогом А. Вернером сам термин «графит».

 А  спустя 13 лет К. Шееле  убедительно доказал, что графит нужно рассматривать как разновидность угля. Это стало совершенно очевидным после превращения алмаза в графит, осуществлённого французскими химиками Л. Б. Гитоном де Морво и Л. Клуэ путём медленного нагревания алмаза без доступа воздуха. А затем Гитон де Морво показал, что равные количества углекислоты образуются при сжигании одинаковых порций графита, алмаза и угля. Завершил расследование родства между тремя этими веществами выдающийся шведский химик Й. Берцелиус. Он ввёл в химию новое понятие «аллотропия» и впервые охарактеризовал уголь, алмаз и графит как аллотропные модификации углерода(1840г).

Полезные в быту и ценные для промышленности свойства графита обусловили прогресс в технологии его получения в больших количествах.

В 1896г в США был разработан промышленный способ получения графита (графит Ачесона), включающий несколько разных методов.

В частности, смесь угля и оксида кремния (II) нагревают в электропечи до восстановления кремния и образования карбида SiC. При температуре выше 2250о С происходит диссоциация карбида кремния на графит и летучий кремний, повторно взаимодействующий с углеродом в относительно холодных зонах печи.

 

1.3 Карбин

Ещё в 1885г известный немецкий химик А. Байер пытался синтезировать из производных ацетилена третью базовую аллотропную модификацию углерода, которой даже дал название «взрывчатый алмаз».

По его представлениям, если бы такое вещество было получено, то оно обладало бы большим запасом энергии. Однако такая попытка оказалась неудачной.

Впервые карбин был синтезирован в 1960-х гг. в Институте элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова с помощью каталитического окисления ацетилена. Полученный В. В. Коршаком, А. М. Сладковым, В. И. Касаточкиным и Ю. П. Кудрявцевым продукт оказался мелкокристаллическим порошком чёрного цвета, обладающим полупроводниковыми свойствами и способностью значительно увеличивать свою электрическую проводимость под действием света.

В настоящее время существует довольно много различных методов синтеза карбинов. Наиболее перспективным, видимо, являются методы, использующие в качестве предшественников вещества, структура которых предопределяет структуру конечного продукта. Кроме чисто химических существуют и физико-химические методы синтеза линейного углерода, основанные на испарении углеродного источника (как правило, графита) в вакууме.

Таким образом, существуют несколько логически и экспериментально обоснованных методов получения линейной формы углерода. Однако при доказательстве индивидуальности этого вещества и его предполагаемого строения возникают серьёзные проблемы. Это объясняется, в первую очередь, тем, что получены лишь кристаллы карбина с размером частиц от нескольких микрометров до сотых долей миллиметра и толщиной не более 10 мкм.