КАРБОН

Carboneum


6 Карбон
C 12,011
[He]2s22p2

Карбон утворює декілька простих речовин загальна назва яких вуглець – C.









Форми вуглецю прозорий алмаз та чорний графіт.


ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ.

Карбон у вільному вигляді, як вуглець, у формі вугілля, кіптяви і сажі відомий людству з незапам'ятних часів; близько 100 тис. років тому, коли наші предки оволоділи вогнем, вони щодня мали справу з вугіллям і сажею. Ймовірно, дуже рано люди познайомилися і з алотропними видозмінами Карбону - алмазом і графітом, а також з викопним кам'яним вугіллям. Не дивно, що горіння карбонвмісних речовин було одним з перших хімічних процесів, які зацікавили людину. Так як згоряюча речовина зникала, поїдаючись вогнем, горіння розглядали як процес розкладання речовини, і тому вугілля (або Карбон) не вважали елементом. Елементом був вогонь - явище, що супроводжує горіння; у вченнях про елементи давнини вогонь зазвичай фігурує в якості одного з елементів.


Йоганн Йоахим Бехер
(1635–1682)

Георг Ернст Шталь
(1659–1754)
Автори теорії флогістону.

На рубежі XVII–XVIII століть виникла теорія флогістону, висунута Бехером, і Шталем. Ця теорія визнавала наявність в кожному горючому тілі особливої елементарної речовини — невагомого флюїду — флогістону, що випаровується в процесі горіння. Так як при згорянні великої кількості вугілля залишається лише трохи золи, флогістики вважали, що вугілля — це майже чистий флогістон. Саме цим пояснювали, зокрема, "флогістувальну" дію вугілля, — його здатність відновлювати метали з "вапен" і руд. Пізніші флогістики — Реомюр, Бергман та ін. — вже почали розуміти, що вугілля є елементарною речовиною. Проте вперше таким "чисте вугілля" було визнано Лавуазьє, що досліджував процес спалювання в повітрі і кисні вугілля та інших речовин.


Антуан Лоран Лавуазьє
(1743–1794)

У книзі Гітона де Морво, Лавуазьє, Бертолле і Фуркруа "Метод хімічної номенклатури" (1787) з'явилася назва "карбон" (carbone) замість французького "чисте вугілля" (charbone pur). Під цією ж назвою вуглець фігурує в "Таблиці простих тіл" в "Елементарний підручник хімії" Лавуазьє. У 1791 р. англійський хімік Теннант першим отримав вільний вуглець, він пропускав пари фосфору над прожареною крейдою, в результаті чого утворювався кальцій фосфат і вуглець.


Смітсон Теннант
(1761–1815)

Те, що алмаз при сильному нагріванні згоряє без залишку, було відомо давно. Ще в 1694 р. флорентійські академіки захотіли сплавити кілька невеличких алмазів, щоб отримати один великий, і нагріли їх у фокусі великої оптичної лінзи: при цьому алмази жевріли, немов розжарені вуглини, і врешті згоріли. В 1751 р. французький король Франц I погодився дати алмаз і рубін для дослідів зі спалювання, після чого ці досліди навіть увійшли в моду. Виявилося, що згорає лише алмаз, а рубін (окис алюмінію з домішкою хрому) витримує без пошкодження тривале нагрівання у фокусі запальної лінзи.


Франц I Стефан
(1708–1765)

Лавуазьє поставив новий дослід по спалюванню алмаза за допомогою великої запальної машини, і прийшов до висновку, що алмаз являє собою кристалічний вуглець.


Пристрій для спалювання горючих речовин за допомогою сфокусованих лінзами сонячних променів, експерименти Лавуазьє 1770-х.
У такому пристрої Лавуазьє спалив алмаз.

Другий алотроп вуглецю - графіт - в алхімічному періоді вважався видозміненим свинцевим блиском і називався plumbago; тільки в 1740 р. Потт виявив відсутність в графіті домішок Прюмбуму. Шееле досліджував графіт (1779) і, будучи флогістиком, визнав його сірчистим тілом особливого роду, особливим мінеральним вугіллям, що містить зв'язану "повітряну кислоту" (CO2) і велику кількість флогістону. Двадцять років по тому Гітон де Морво шляхом обережного нагрівання перетворив алмаз в графіт, а потім у вугільну кислоту.


Карл Вільгельм Шеєле
(1742–1786)

Луї Бернар Гітон де Морво
(1737–1816)

На початку 60-х років радянські хіміки В. В. Коршак, А. М. Сладков і В.І.Касаточкін каталітичним окисненням ацетилену синтезували «одномірний» полімер вуглецю і назвали його карбіном (корінь «карб» від carboneum — вуглець, а закінчення «ін» прийнято в органічній хімії для речовин, що містять потрійні зв'язки). Атоми вуглецю з'єднані в ланцюжок одинарними і потрійними зв'язками, які чергуються.


Автори відкриття карбіну.
Зліва направо: В. В. Коршак, А. М. Сладков,
Ю. П. Кудрявцев, В. И. Касаточкін.

ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ КАРБІНУ.

У 1966 р. відкрита ще одна алотропна форма вуглецю — лонсдейліт.

ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ ЛОНСДЕЙЛІТУ.

Нові аллотропні форми вуглецю, фулерени, були відкриті в 1985 році, включаючи наноструктуровані форми, такі як букибол і нанотрубки. Їх першовідкривачі — Роберт Керл, Гарольд Крото і Річард Смоллі — отримали Нобелівську премію з хімії в 1996 р.


Роберт Флойд Керл Молодший
(народ. 1933)

Сер Гарольд (Гаррі) Уільям Крото
(народ. 1939)

Річард Ерретт Смоллі
(1943–2005)

ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ ФУЛЕРЕНІВ

ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ НАНОТРУБОК

ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ НАНОВОЛОКОН

ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ АСТРАЛЕНІВ.

ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ НАНОБРУНЬОК

ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ ГРАФЕНУ

Скловуглець був вперше одержаний в лабораторії Carborundum Company, Манчестер, Великобританія, в середині 1950-х років Бернардом Редферном. Він виявив що скотч, який він використовував для утримання зразків кераміки (сопла ракет) в печі, набуває особливої структури після випалювання в атмосфері інертного газу.

11 жовтня 2011, дослідження, проведені в Геофізичної лабораторії Карнегі очолювані Стенфордцями, Венді Л. Мао і її аспірантка Ю Лін описали новий вид скловуглецю, який формується під високим тиском і за твердістю рівний алмазу. Дослідження тривають.


Венді Лі-Вен Мао та її аспірантка Ю Лін (сидить)

Назва Карбон походить від лат. carbo (вугілля). Слово це дуже давнього походження. Його порівнюють з cremare — горіти; корінь саr, cal, російське гар, гал, гол, санскритське ста означає кип'ятити, варити. Зі словом "carbo" пов'язані назви вуглецю і на інших європейських мовах (carbon, charbone та ін.).

Давньоруська угорати, або угарати (обпалювати) має корінь гор, або гар, з можливим переходом в гол; вугілля по-древньоруські югъль, або угъль, того ж походження. Тогож походження й украънське вугіль та вугілля, а також вуглець.

Слово алмаз (Diamante) походить від давньогрецького αδαμας — незламний, непохитний, твердий, а графіт від грецького γράφω — пишу.



ПОШИРЕННЯ У ПРИРОДІ.

Вуглець у природі зустрічається як у вільному стані (алмаз, графіт, карбін і лонсдейліт, фулерен, вуглецеві нанотрубки), так і у вигляді різноманітних сполук. Середній вміст вуглецю у земній корі 2,3·10-2 % (мас); основна маса вуглецю концентрується в осадових гірських породах. Вуглець накопичується у верхній частині земної кори, де його присутність пов'язана в основному з живою речовиною, кам'яним вугіллям, нафтою, антрацитом, а також з доломітами і вапняками.


Кристал алмазу в породі.

Графітова руда

Каньйон Дьябло.
Фрагмента залізного метеорита (IAB) 2641 грамів. Містить мікрокристалики лонсдейліту.

Основна маса Карбону в земній корі знаходиться у вигляді природних карбонатів (вапняки і доломіт), горючих копалин — антрацит (94-97% С), буре вугілля (64-80% С), кам'яне вугілля (76-95% С), горючі сланці (56-78% С), нафту (82-87% С), горючих природних газів (до 99% метану), торф (53-56% С), а також бітуми і ін.


Антрацит

Кам’яне вугілля
Буре вугілля

10-тонний шматок бурого вугілля в Музеї бурого вугілля в Японії

Горючі сланці

Торф

Природні бітуми з Мертвого моря

Бітумне оголення Пюі де ля Пуа, Клермон-Ферран, Франція

Озокерит
Зразки сирої нафти (геологічний музей А. А. Штукенберга)

Відомо понад 100 мінералів Карбону, серед яких найбільш поширені карбонати Кальцію, Магнію і Феруму. Він входить до складу кам'яного вугілля, нафти і природного газу, а також різних мінералів: мармуру, крейди і вапняку — CaCO3, доломіту — CaCO3·MgCO3, магнезиту — MgCO3, малахіту — CuCO3·Cu(OH)2 тощо.


Мармур

Природна крейда

Вапняк

Доломіт

Магнезит

Малахіт

Запаси вугілля складають близько 900 млрд тонн, а запаси нафти близько 150 гігатонн. Відкриті джерела природного газу становлять близько 175 1012 кубічних метрів (що становить близько 105 Гт вуглецю), але вважається, що є ще близько 900 1012 кубометрів "нетрадиційного" газу, наприклад, сланцевого газу, що складає близько 540 гігатонн вуглецю. В минулому, обсяги вуглеводневої сировини, були більші. В період з 1751 по 2008 рік близько 347 гігатонн Карбону були випущені у вигляді вуглекислого газу в атмосферу в результаті спалювання викопного палива. Карбон також замкнений, у вигляді метану і гідратів метану в полярних регіонах.

В атмосфері і гідросфері знаходиться у вигляді карбон діоксиду СО2, в повітрі 0,046% СО2 за масою, у водах річок, морів і океанів в ~ 60 разів більше.

СОБАЧА ПЕЧЕРА

Карбон входить до складу рослин і тварин (~ 18%). В організм людини Карбон надходить з їжею (в нормі близько 300 г на добу). Загальний вміст Карбону в організмі людини сягає близько 21% (15 кг на 70 кг маси тіла). Карбон становить 2/3 маси м'язів і 1/3 маси кісткової тканини. Виводиться з організму переважно з повітрям, що видихається (вуглекислий газ) і сечею (сечовина).

Живі організми

Кругообіг Карбону в природі включає біологічний цикл, виділення СО2 в атмосферу при згоранні викопного палива, з вулканічних газів, гарячих мінеральних джерел, з поверхневих шарів океанічних вод та ін. Біологічний цикл полягає в тому, що Карбон у вигляді СО2 поглинається з тропосфери рослинами. Потім з біосфери знову повертається в геосферу: з рослинами вуглець потрапляє в організм тварин і людини, а потім при гнитті тваринних і рослинних матеріалів - в грунт і у вигляді СО2 — в атмосферу.


Колообіг Карбону в природі

Важливу роль Карбон відіграє в космосі; на Сонці Карбон посідає 4-е місце за поширеністю після Гідрогену, Гелію та Оксигену, ядра Карбону беруть участь у процесах нуклеосинтезу (вуглецево-азотний цикл, потрійна α-реакція).

В пароподібному стані і у вигляді сполук з Нітрогеном і Гідрогеном Карбон виявлений в атмосфері Сонця, планет, він знайдений в кам'яних і залізних метеоритах.

Більшість сполук Карбону, і насамперед вуглеводні, мають яскраво виражений характер ковалентних сполук. Міцність простих, подвійних і потрійних зв'язків між атомами С, здатність утворювати стійкі ланцюги та цикли з атомів С обумовлюють існування величезної кількості карбонвмісних сполук, що вивчаються органічною хімією.

У природі зустрічається мінерал шунгіт, в якому міститься як твердий вуглець (≈ 25%), так і значні кількості силіцій оксиду (≈ 35%).

Карбон-14 утворюється у верхніх шарах тропосфери і стратосфери, на висоті 9-15 км, на реакцію, яка осідає під дією космічних променів. Теплові нейтрони, які стикаються з ядрами Нітрогену-14, утворюючи Карбон-14 і протон.



ОДЕРЖАННЯ.

Алмаз

Алмаз — зазвичай безбарвний прозорий мінерал класу самородних неметалів. Відноситься до дорогоцінних каменів. Алмази можуть бути як природними, так і синтетичними.

Алмаз — рідкісний, але разом з тим досить широко розповсюджений мінерал. Промислові родовища алмазів відомі на всіх континентах, окрім Антарктиди. Відомо кілька видів родовищ алмазів. Уже кілька тисяч років тому алмази в промислових масштабах добувалися з розсипних родовищ.

ПОХОДЖЕННЯ ТА ВІК АЛМАЗІВ.

Найбільші родовища алмазу розташовані в Південній Африці та в Якутії. Щорічний світовий видобуток алмазу становить приблизно 300 кг.

Кімберлітова трубка "Мир".
Вона є найбільшим алмазним кар'єром республіки Якутія, а за деякими даними - і всього світу, і містить чверть світових запасів алмазів. При діаметрі в 1200 метрів вона йде в землю на 515 метрів, звужуючись біля основи до 50 метрів.
Кар'єр Дьявік.
Кар'єр Дьявік, розташований в канадській провінції поблизу міста Йеллоунайф, є одним з найбільших відкритих алмазних рудників в світі. Його глибина - 525 метрів, а діаметр - близько 1200 метрів. На руднику щодня видобувається близько 20 000 карат, тобто близько 4 кілограмів, алмазів.

Промислові родовища алмазів пов'язані з кімберлітовими і лампроїтовими трубками, приуроченими до стародавніх кратонів. Основні родовища цього типу відомі в Африці, Росії, Австралії та Канаді. Згідно з матеріалами Кімберлійського процесу, світовий видобуток алмазів у вартісному вираженні в 2008 році склала $ 12,732 млрд. (виросла на 6,7% в порівнянні з попереднім роком). За оцінкою компанії «Де Бірс», в 2004 році видобуток алмазів (у вартісному вираженні) в країнах-лідерах склала:

Потужності діючих родовищ, ступінь їх виробки, і очікуване введення в експлуатацію нових родовищ дозволяють припустити, що в середньо- і довгостроковій перспективі на світовому ринку буде спостерігатися стійке перевищення попиту над пропозицією, що створює передумови для зростання цін на алмази.

Відомі метеоритні алмази, позаземного, можливо - досонячного, походження. Алмази також утворюються при ударному метаморфізмі при падінні великих метеоритів, наприклад, в Попігайський астроблемі на півночі Сибіру.


Супутникова фотографія кратера Попігай, зроблена НАСА.
Кратер Попігай - метеоритний кратер в Сибіру, в басейні річки Попігай, ділить четверте місце в світі за розміром з кратером Манікуаган в Канаді. Діаметр кратера - 100 км, він розташований в основному на території Якутії, частково в Таймирському АО. Територія кратера практично не заселена, найближчий населений пункт - село Хатанга знаходиться приблизно в 400 км на північний захід від центру кратера.


Кімберліт.
Кімберліт - тип вулканічної породи, відомої тим, що іноді містить алмази. Названа так на честь міста Кімберлі в Південній Африці, де в 1871 році був знайдений алмаз вагою 85 карат (16,7 г).

В останні роки алмаз почали одержувати штучно при дуже високих тисках і високій температурі.


Синтетичні алмази різних кольорів вирощені високотемпературною технікою та технікою високих тисків.

В даний час існує велике промислове виробництво синтетичних алмазів, яке забезпечує потреби в абразивних матеріалах. Для синтезу використовується кілька способів:

  1. метод CVD (вирощування із газового середовища);
  2. метод HPHT (кристалізація із високовуглецевих сплавів);
  3. метод детонаційного синтезу (вибух (детонація) карбонвмісних вибухових сполук);
  4. дія ультразвуку на графіт.

ВІДЕО: Алмазні копальні (Канада)

Переглянути відео


МЕТОД CVD.

CVD (Chemical vapor deposition - Хімічне осадження з парової фази).

Метод CVD - це метод, в якому алмази можуть бути вирощені суміші вуглеводнів. З початку 1980-х років, цей метод був предметом інтенсивних досліджень у всьому світі. У той час як масове виробництво високоякісних кристалів алмазу зробити HPHT метод більш придатним для промислового застосування, простота методу CVD пояснює його популярність в науково-дослідницьких лабораторіях. Переваги методу CVD включають можливість вирощувати алмаз на великих площах і на різних підкладках, а також точний контроль над вмістом хімічних домішок і, отже, над властивостями виготовленого алмазу. На відміну від HPHT, метод CVD не потребує високого тиску, так як вирощування зазвичай відбувається при тиску до 27 кПа.

Вирощування методом CVD включає в себе підготовку підкладки, підживлення різними кількостями газів в камері і активізації їх. Підготовка підкладки включає в себе вибір відповідного матеріалу і його кристалографічної орієнтацією, очистки, часто шліфувальним алмазним порошком (не алмазної підкладки), а також оптимізації температури підкладки (близько 800 °C) протягом росту за допомогою ряду спроб. Гази завжди включають джерело Карбону, як правило, метану і водню з типовим співвідношенням 1:99. Водень є істотним, оскільки він вибірково витравлює неалмазний вуглець. Гази іонізуються до хімічно активних радикалів в камері за допомогою мікрохвильової енергії, гарячої дротини, дугового розряду, зварювального пальника, лазера, променя електронів, або іншими засобами.

Сучасні способи отримання алмазів використовують газове середовище, що складається з 95% водню і 5% карбонвмісного газу (пропану, ацетилену), а також високочастотну плазму, сконцентровану на підкладці, де утворюється сам алмаз (CVD). Температура газу від 700-850 °C при тиску в тридцять разів менше атмосферного. В залежності від технології синтезу, швидкість росту алмазів від 7 до 180 мкм/год на підкладці. При цьому алмаз осідає на підкладці з металу або кераміки за умов, які в загальному стабілізують не алмазну (sp3) а графітну (sp2) форму вуглецю. Стабілізація алмазу пояснюється в першу чергу кінематичними процесами на поверхні підкладки. Принциповою умовою для осадження алмаза є можливості підкладки утворювати стабільні карбіди (у тому числі і при температурах осадження алмаза: між 700 °C і 900 °C). Так наприклад осадження алмазу можливе на підкладках з Si, W, Cr і не можливо (на пряму, або тільки з проміжними шарами) на підкладках з Fe, Co, Ni.

Ряд форм методу CVD широко використовуються і часто згадуються в літературі. Ці процеси відрізняються, хімічними реакціями ініціації (тобто, процесом активації) та умовами процесу.

Класифікація за робочим тиском:

Класифікація за фізичними характеристиками пара:

Плазмові методи (див. також плазмової обробки):


Схема PECVD установки.

Atomic layer CVD (ALCVD) - розміщення послідовних шарів різних речовин для створення шаруватих кристалічних плівок.

Combustion Chemical Vapor Deposition (CCVD) - цей метод є відкритим й базується на техніці полум'яного нанесення високоякісних тонких плівок і наноматеріалів.

Hot wire CVD (HWCVD) - також відомий як каталітичний CVD (Cat-CVD) або CVD гарячої дротини (HFCVD). Використання гарячої дротини для хімічного розкладання вихідних газів.

Metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) - CVD-процеси на основі металоорганічних сполук.

Hybrid Physical-Chemical Vapor Deposition (HPCVD) - осадження з парової фази, яке включаює в себе як хімічне розкладання газоподібного прекурсору, так і випаровування твердих тіл.

Rapid thermal CVD (RTCVD) - CVD метод, у якому використовують нагрівальні лампи або інші методи для швидкого нагрівання пластин підкладки.

Vapor phase epitaxy (VPE).


Алмаз вирощений методом CVD.

ВІДЕО: Вирощування алмазів (метод CVD)

Переглянути відео


МЕТОД HPHT.

В HPHT методі, існують три основні конструкції преса, що використовуються для створення тиску і температури, необхідних для виробництва синтетичних алмазів: стрічковий прес, кубічний прес і прес спліт-сфера (BARS).

Оригінальний винахід General Electric здійсьнений Трейсі Голлом використовує стрічковий прес в якому верхня і нижня наковальні створювали тиск на внутрішню циліндричну камеру. Цей внутрішній тиск обмежується радіально від пояса попередньо напружених смуг сталі. Наковальні також використовуються в якості електродів. У теперішніх стрічкових пресах використовується гідравлічне стиснення, а не стиснення сталевою стрічкою. Стрічкові преси все ще використовуються сьогодні, проте їх будують значно більшими.


Схема стрічкового преса.

Другий тип конструкції преса кубічний прес. Кубічний прес містить шість наковальней, які забезпечують тиск одночасно на всі грані куба. Першими багатонаковальними пресоми були чотиригранні преси, котрі використовували чотири наковальні, які сходяться на до граней тетраедра. Кубічні преси були створені невдовзі після збільшення об'єму до якого повинен бути застосований тиск. Кубічний прес, зазвичай, менший, ніж стрічковий і може швидше досягти тиску і температури, необхідних для створення синтетичних алмазів.


Схема системи BARS, розмір зовнішнього корпуса зменшено для наглядності.

ВІДЕО: Вирощування алмазів (метод HPHT)

Переглянути відео

BARS апарат є найбільш компактним, ефективним і економічним з усіх алмазо утворююючих пресів. У центрі пристрою BARS, є керамічний циліндричний "капсула синтезу" об'ємом близько 2 см3. Комірка поміщається в куб, що передає тиск матеріалу, такого як пірофілітна кераміка, яка притискається внутрішньою наковалнею з твердого сплаву (наприклад, карбіду вольфраму чи твердого сплаву VK10). Зовні октаедричну порожнину стискають 8 сталевих зовнішніх наковальні. Після монтажу вся конструкція закривається дисковидним корпусом діаметром близько 1 метра. Корпус заповнений мастилом, яке розширюється при нагріванні, і тиск мастила передається в центральну комірку. Капсула синтезу розігрівається коаксіальним графітовим нагрівачем і температура вимірюється за допомогою термопари.


Два пристрої BARS, один відкритий для навантаження або розвантаження, а інший закритий.

HPHT полягає в підготовці високовуглецевого сплаву нікель-марганець та його охолодженні під тиском у формах з твердого сплаву (типу ВК). Викристалізувалися дрібні алмази відокремлюють після розчинення металевої матриці в суміші кислот.

ВІДЕО: Вирощування алмазів 1

Переглянути відео

ВІДЕО: Вирощування алмазів 2

Переглянути відео


МЕТОД ДЕТОНАЦІЙНОГО СИНТЕЗУ.

ДНА отримують шляхом хімічних перетворень на фронті детонаційної хвилі при вибуху потужних вибухових речовин (суміш тротилу та гексогену).

Тринітротолуен
(тринітротолуол, тротил, ТНТ)
Гексоген

У газах, що утворюються при детонації ряду вибухових речовин, міститься значна кількість вільного вуглецю, з якого в умовах високих температури і тиску, що досягаються під час вибуху, формується алмазна фаза вуглецю. Наноалмази - найстійкіша термодинамічна форма вуглецю. На сьогоднішній день не існує єдиної теорії утворення ДНА. Згідно уявлення про термодинаміку утворення ДНА, основним аспектом, що забезпечує можливість виникнення алмазів у процесі адіабатичного розпаду вуглецю вибухової речовини з негативним кисневим балансом, є факт конденсації вільного вуглецю в алмазної або рідкої фазі. Адіабатичне розширення продуктів детонації настає вслід за детонацією. При цьому умови стабільності алмазу зберігаються недовго. Якщо щільність продуктів детонації близька до початкової щільності вибухової речовини, то умови стабільності алмазу змінюються умовами стабільності графіту. При адіабатичному розльоті тиск продуктів детонації падає швидше температури, тому термодинамічний стан вуглецевої компоненти виявляється в області стійкості графіту при високій температурі, що сприяє фазовому переходу алмазу в графіт. Але при деякій температурі швидкість графітизації знижується і тому на цих (останніх) стадіях розльоту продуктів детонації кількість вуглецю, який перейшов з алмазної фази в графітну, стає дуже малим - це «заморозка» графітизації і збереження алмазної фази. Таким чином, перехід алмаз-графіт відбувається за умови перевищення температури заморозки графітизації. Якщо Т >> Тзам, то весь алмаз встигає перетворитися в графіт, і в охолоджених продуктах детонації УДА не виявляється. Таким чином, температура має вирішальне значення, і в цьому процесі вона багато в чому визначається конфігурацією заряду (теплопровідністю середовища). Оптимальними умовами утворення УДА в детонаційній хвилі і його збереження є відносно високий тиск при низькій температурі продуктів детонації. Таким чином, в детонаційному синтезі наноалмазів присутні 3 стадії:

  1. Утворення вільного вуглецю в результаті детонаційного перетворення вибухової речовини.
  2. Швидке розширення продуктів детонації та охолодження алмазних часток нижче температури графітизації.
  3. Інтенсивний тепломасообмін між продуктами детонації і середовищем, що оточує заряд.


Установка для одержання наноалмазної шихти.
(Копейський завод "Пластмасс")


Електронні мікрофотографії (ТЕМ) детонаційних наноалмазів.


ДІЯ УЛЬТРАЗВУКУ НА ГРАФІТ.

Мікронних розмірів кристалів алмазу можуть бути синтезовані з суспензії графіту в органічнійї рідині при атмосферному тиску і кімнатній температурі з використанням ультразвукової кавітації. Вихід алмазів складає близько 10% від початкового ваги графіту. Орієнтовну вартість алмазів одержаних за допомогою цього методу можна порівняти з HPHT методом. Цей метод вимагає відносно простого обладнання і процедур, але це тільки було повідомлено двома дослідницькими групами, і не має промислового застосування (станом на 2009 рік). Численні параметри процесу, такі, як підготовка вихідного порошку графіту, вибір потужності ультразвуку, час синтезу і вибір розчинника, ще не оптимізовані.


ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ СПОСОБІВ СИНТЕЗУ АЛМАЗІВ.

Лонсдейліт

Лонсдейліт утворюється при високому тиску і відносно низьких температурах (близько 1200 К) з високо орієнтованого графіту. Великі залягання лонсдейліту знайдено в Поському кратері на Північному сході Росії.

Протягом довгого часу лонсдейліт отримували виключно з графіту шляхом колосального стиснення, але пізніше було доведено, що «гексагональний алмаз» також може бути отриманий з кубічного алмазу.


Графіт

Графітові руди залежно від структури графіту підрозділяються на лускаті, щільнокристалічні та прихованокристалічні.

Найбільшу цінність мають лускаті руди, в яких графіт знаходиться у вигляді окремих кристалів у формі лусок розміром до декількох міліметрів.

Щільнокристалічні руди містять велику кількість (до 60 – 70 %) графіту з розміром лусок менше 0,1 мм, у прихованокристалічних рудах розміри кристалів не перевищують 1 мкм.

Родовища лускатого графіту локалізуються в гнейсах, кварцитах, мармурах (родов. Росії, Австрії, Чехії, ФРН, Індії, Бразилії, КНР, Канади, України.). Вміст вуглецю в руді лускатого графіту складає в сер. 3-18%.

Лускаті графіти за діаметром кристалів розподіляються на крупнолускаті (0,1-1,0 мм) та дрібнолускаті (0,001-0,1 мм).

Щільнокристалічний графіт утворює жили і лінзи в родовищах гідротермально-пневмалітового генезису або гнізда, лінзи і вкрапленість в контактово-реакційних родовищах. Руди складені польовим шпатом, кварцом, рідше слюдою, карбонатом; в скарнових зонах вони збагачені ґранатом, воластонітом, піроксеном, скаполітом, а також мінералами лужних і габроїдних порід. Вміст графіту в таких рудах 15-40% (іноді до 60-90%). Відомі родовища — Богала (Шрі-Ланка) і Ботогольське (Росія).

Прихованокристалічний графіт відрізняється незавершеною текстурою, часто містить домішку тонкодисперсної вуглецевої речовини. Складає потужні і протяжні пластоподібні поклади, іноді перехідні у вугілля. Вміст вуглецю становить 80-90%. Основні родовища розташовані в Мексіці (шт. Сонора), Південній Кореї, Австрії і т. д. Збагачується флотацією.


Добування графіту відкритим способом
Завалівське родовище, розташоване на лівому березі річки Південний Буг в Кіровоградській області (Україна).

Добування графіту шахтним способом.
Графітова шахта в місті Чеськи Крумлов (Чехія).

Графіт видобувається відкритим і підземним способами. Графіт як правило, вимагає збагачення. Це може здійснюватися вручну, вибираючи частини порожньої породи і ручного відбору продукту або шляхом дроблення порід і флотацією.

ВІДЕО: Видобуток природного графіту (відкритий спосіб, Канада, 2016)

Переглянути відео

ВІДЕО: Видобуток природного графіту (шахтний спосіб, шахта Рагедара, Шрі-Ланка)

Переглянути відео

Графіт належить до найбільш легко флотованих мінералів, але його флотованість залежить від величини кристалів, характеру домішок та ступеня окиснення поверхні. Флотацію графіту звичайно проводять з використанням гасу (0,2 – 2,5 кг/т) і спінювача (соснового масла, Т-66 і ін.) у лужному (рН = 8 – 10) або кислому (рН = 4 – 5) середовищі, яке створюється содою, вапном або сірчаною кислотою. Природний аполярний характер кристалів графіту, їхня луската форма і мала густина обумовлюють легку флотованість графіту і дозволяють флотувати досить великі частинки.


Одержання штучного графіту.

В промисловості графіт одержують:


ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ СПОСОБІВ ОДЕРЖАННЯ ШТУЧНОГО ГРАФІТУ


Аморфний вуглець

На практиці, як правило, перераховані нижче аморфні форми є хімічними сполуками з високим вмістом вуглецю, а не чистою алотропною формою Карбону!

Стан вуглецю з неврегульованою структурою — (сажа, кокс, деревне вугілля). У природі не зустрічається. Його одержують штучно з різних сполук, що містять вуглець. Аморфний вуглець, або просто аморфне вугілля, насправді є кристалічним, але його кристалики такі малі, що їх не видно навіть у мікроскоп. Фізичні властивості «аморфного» вуглецю значною мірою залежать від дисперсності частинок та від наявності домішок.

Найважливішими технічними сортами аморфного вуглецю є сажа і деревне вугілля.

Сажа являє собою найчистіший аморфний вуглець.


Сажа

За способом виробництва сажі ділять на три групи: канальні, пічні та термічні.

Канальні (дифузійні) сажі отримують при неповному спалюванні природного газу або його суміші з мастилом (наприклад, антраценовим) в так званих пальникових камерах, забезпечених щілинними пальниками. Усередині камер розташовані охолоджувальні поверхні, на яких сажа осідає з дифузійного полум'я.

Пічні сажі отримують при неповному спалюванні масла, природного газу або їх суміші в факелі, створюваному спеціальним пристроєм в реакторах (печах). Сажа у вигляді аерозолю виноситься з реактора продуктами згорання і вловлюється спеціальними фільтрами.

Термічні отримують в спеціальних реакторах при термічному розкладанні природного газу без доступу повітря.

CH4 → C + 2H2

Деревне вугілля добувають нагріванням дерева без доступу повітря у спеціальних печах (піроліз деревини).


Деревне вугілля.

Одержання деревного вугілля.

Піроліз – перший процес, що відбувається при горінні деревини. Полум'я утворюється за рахунок горіння не самої деревини, а газів - летких продуктів піролізу. При піролізі деревини (450-500 °C) утворюється ряд речовин таких як: деревне вугілля, метиловий спирт, оцтова кислота, ацетон, смоли та ін.

ВІДЕО: Як виготовляють деревне вугілля

Переглянути відео

Активоване (активне) вугілля - пориста речовина, яку отримують з різних вуглецевмісних матеріалів органічного походження: деревне вугілля, кам'яновугільний кокс, нафтовий кокс, кокосовий вугілля та ін.

Хороше активоване вугілля виходить з горіхової шкаралупи (кокосової, з кісточок деяких плодових культур). Раніше активоване вугілля робили з кісток великої рогатої худоби (кісткове вугілля). Суть процесу активації полягає в розкритті пор, що знаходяться в вуглецевому матеріалі в закритому стані. Це робиться або термохімічно (попередньо матеріал просочують розчином хлориду цинку, карбонату калію або деякими іншими сполуками і нагрівають без доступу повітря), або шляхом обробки перегрітою парою чи вуглекислим газом або їх сумішшю при температурі 800-850 градусів. В останньому випадку технічно складно отримати парогазовий агент, який має таку температуру. Досить поширений прийом подачі в апарат для активації одночасно з насиченою парою обмеженої кількості повітря. Частина вугілля згоряє і в реакційному просторі досягається необхідна температура. Вихід активного вугілля в цьому варіанті процесу помітно знижується. Значення питомої поверхні пор у кращих марок активних вугілля може досягати 1800-2200 м2 на 1 г вугілля. Розрізняють макро-, мезо- та мікро-пори. В залежності від розмірів молекул, які потрібно утримати на поверхні вугілля, повинен виготовлятися вугілля з різними співвідношеннями розмірів пор.

Загалом активоване вугілля можна отримати із таких вуглецевих вихідних матеріалів як горіхова шкаралупа, торф, деревина, кокосове волокно, буре вугілля, кам'яне вугілля, і нафтовий пек. Це можна здійснити одним з таких способів:

  1. Фізична реактивація: перетворення на активоване вугілля під дією газів. Як правило, це робиться за допомогою одного або декількох з наступних процесів:

    Карбонізація: матеріал із вмістом вуглецю піддається піролізу при температурі в діапазоні 600-900°C, у відсутності кисню (зазвичай в інертній атмосфері газів, таких як аргон або азот).

    Активація/Окислення: сировина або обвуглений матеріал витримується в окиснювальній атмосфері (карбон діоксид, кисень, або пара) при температурах вище 250°C, як правило, в діапазоні температур 600-1200°C.

    ВІДЕО: Як виготовляють активоване вугілля

    Переглянути відео

  2. Хімічна активація: Перед карбонізацією сировину просочують певними хімічними речовинами. Для цього, як правило, використовують кислоти, сильні основи або солі (фосфорна кислота, калій гідроксид, натрій гідроксид, кальцій хлорид і цинк хлорид 25%). Потім сировину обвуглюють при більш низьких температурах (450-900°C). Вважається, що карбонізація відбувається одночасно з хімічною активацією.

Активоване вугілля

Активація вугілля

Скловуглець отримують шляхом карбонізації високомолекулярних вуглеводнів. Зазвичай використовуються спеціальні термореактивні полімери, яким надають форму потрібного виробу, а потім обпалюють при температурі близько 2000 °C у вакуумі або інертній атмосфері.


Скловуглець

Російська промисловість виробляє три основні марки скловуглецю: СУ-850, СУ-2000 і СУ-2500 (цифра вказує робочу температуру).


Кокс (від нім. Koks і англ. Coke) - назва ряду речовин, одержуваних промисловим способом.

Розрізняють такі види коксу:

1. Кам'яновугільний кокс одержують коксуванням кам'яного вугілля.

Коксування кам'яного вугілля дуже поширений технологічний процес, який складається з таких стадій: підготовка до коксування, власне коксування, уловлювання та переробка летючих продуктів. Підготовка включає збагачення (для видалення мінеральних домішок) вугілля, подрібнення до зерен розміром близько 3 мм, змішання кількох сортів вугілля, сушка отриманої «шихти» та ін.

Для коксування шихту завантажують в щілинну коксову піч (ширина 400-450 мм, обсяг 30-40 м³). Канали бічних простінків печей, викладених вогнетривкою цеглою, обігріваються продуктами згоряння газів: коксового (найчастіше), доменного, генераторного, їх сумішей і ін.

Тривалість нагріву становить 14-16 годин. Температура процесу - 900-1050 °C. Отриманий кокс (75-78% від маси вихідного вугілля) у вигляді т. зв. «Коксового пирога» (спеченої в пластмаси) - виштовхується спеціальними машинами («коксовиштовхувачами») в залізничні вагони, в яких охолоджується («гаситься») водою або інертним газом (азотом).

Парогазова суміш летких продуктів, що виділяються, (до 25% від маси вугілля) відводиться через газозбірник для вловлювання і переробки.


Кокс


Коксова піч - технологічний агрегат, в якому здійснюється коксування кам'яного вугілля.
(На заводі бездимного палива, Південний Уельс).

ВІДЕО: Коксування кам'яного вугілля в лабораторії

Переглянути відео

ВІДЕО: Коксування кам'яного вугілля (Німеччна)

Переглянути відео

ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ КОКСУВАННЯ КАМ'ЯНОГО ВУГІЛЛЯ


2. Нафтовий кокс - твердий залишок вторинної переробки нафти або нафтопродуктів.

Як сировину для нафтового коксу використовують відбензинені нафти, залишки первинної переробки – мазути, напівгудрони і гудрони, продукти вторинного походження – крекінг-залишки, важкі газойлі каталітичного крекінгу, смоли піролізу, а також природні асфальти і залишки масляного виробництва (асфальти, екстракти).

Промислові процеси коксування поділяють на три типи: безперервні, напівбезперервні і періодичні, найбільше поширення на сьогодні має напівбезперервний процес в установках уповільненого коксування, що протікає при 505-515 °C під тиском 0,2-0,3 МПа. У результаті коксування крім нафтового коксу одержують бензин, газ, середні і важкі коксові дистиляти, вихід і якість яких залежить від хімічного і фракційного складу сировини.


Нафтовий кокс

ВІДЕО: Схема отримання нафтового коксу

Переглянути відео

3. Пековий кокс - твердий пористий продукт сірого кольору, що отримується при коксуванні кам'яновугільного пеку.

Пековий кокс отримують в динасових камерних печах.

Як сировину для пекового коксу використовують:

Кам'яновугільний пек порціями або безперервно завантажують у печі в нагрітому (рідкому) стані.

При нагріванні до 450-550 °С відбуваються дистиляція легкокипящих фракцій, розкладання основної маси пеку з утворенням газоподібних продуктів і важких вуглецевмісних залишків, затвердіння їх і утворення так званого напівкоксу.

При подальшому нагріванні вище 550 °С виділяються залишкові леткі речовини (в основному водень), що призводить до утворення в масі коксу усадочних тріщин.

Процес закінчується, коли температура сягає 900-1000 °С, при цьому припиняється усадка і кокс відходить від стінок печі.

Летючі продукти коксування у вигляді парогазової суміші відводяться в газозбірник, де охолоджуються. Газ після очищення використовується, наприклад, для обігріву коксових печей.

Розпечений кокс виштовхується з печі і потім гаситься (зазвичай водою, рідше інертним газом, наприклад азотом).


4. Торф'яний кокс - твердий вуглецевий залишок термічного розкладання малозольного торфу верхового типу.


5. Напівкокс - твердий горючий залишок напівкоксування твердого палива.

Напівкоксування - спосіб переробки твердих палив (кам'яного і бурого вугілля, сланців, торфу) нагріванням без доступу повітря до 500-550 °C (температура приблизно вдвічі нижче, ніж при коксуванні). При напівкоксуванні одержують твердий горючий залишок - напівкокс і летючі продукти.


Вуглецева нанопіна. Вуглецеву нанопіну отримують лазерною абляцією скловуглецю в середовищі аргону при тиску ~ 1÷100 Торр. При цьому вуглець нагрівається до 10000 °C і застигає у формі нанопіни.


Вуглецева нанопіна під електронним мікроскопом

Аморфний вуглець утворюється при обвуглюванні органічних речовин.

ВІДЕО: Термічний розклад (обвуглювання) цукру


Переглянути відео

ВІДЕО: Взаємодія цукру з концентрованою сульфатною кислотою

Переглянути відео

ВІДЕО: Обвуглювання паперу сульфатною кислотою


Переглянути відео

ВІДЕО: Обвуглювання деревини концентрованою сульфатною кислотою

Переглянути відео

Карбін

Карбін одержують такими методами:

Окислювальна дегідрополіконденсація ацетилену. Історично першим методом отримання карбіну є окислювальна дегідрополіконденсація ацетилену. Автори пропускали ацетилен через водно-аміачний розчин солі Cu (II) і спостерігали швидке утворення чорного порошкоподібного осаду, очевидно, поліацетіленідів Купруму. У сухому стані цей порошок вибухав при нагріванні, а у вологому - при детонації. Схематично процес окисної дегідрополіконденсаціі ацетилену можна записати в наступному вигляді при x + y + z = n:

Окисна дегідрополіконденсація ацетилену

Поліконденсація недооксиду Карбону з димагнійбромідом. Кумуленова модифікація карбіну ( β-карбін) була отримана за спеціально розробленим Сладковим двостадійним методом. На першій стадії проводили поліконденсацію карбон недооксиду (С3О2) з димагнійдибромацетиленом за типом реакції Гриньяра з утворенням полімерного гліколю:

C3O2 + nC2Mg2Br2 = (-С≡С-C(OH)=C=C(OH)-)n

На другій стадії цей полімерний гліколь відновлювали дією хлориду двовалентного Стануму в кислому середовищі:

(-С≡С-C(OH)=C=C(OH)-)n = (-C=C=C=C-)n

Дегідрогалогенування галогенвміснихих полімерів. Один з найбільш зручних і доступних методів отримання карбіну або його фрагментів - реакція дегідрогалогенування деяких галогенвміснихих полімерів (ГСП).

Плазмохімічний синтез карбіну. При термічному розкладанні вуглеводнів (ацетилену, пропану, гептану, бензолу), тетрахлориду вуглецю, сірковуглецю, ацетону в потоці азотної плазми отримують дисперсні вуглецеві порошки, що містять карбін.

Лазерна сублімація вуглецю. У 1971 р. карбін був отриманий при осадженні на підкладку парів негативних іонів Карбону, отриманих лазерним випаровуванням графіту.

Електродугове осадження карбіну. Випаровування в електричній дузі спектрально чистого вугілля з досить повільною полімеризацією і кристалізацією вуглецевої пари на поверхні холодної підкладки дає продукт, в якому переважають карбінові форми вуглецю.

Іонно-стимульоване осадження карбіну. При іонно-стимульованій конденсації вуглецю на підкладку одночасно або поперемінно подається потік вуглецю і потік іонів інертного газу. Потік вуглецю виходить термічним або іонним випаровуванням графіту.

Отримання карбіну з вуглеграфітових матеріалів. Нагрівання стрижнів з піролітичного графіту при температурі 2700-3200 К в середовищі аргону вже через 15-20 с призводить до появи на кінцях стержнів сріблясто-білого нальоту. Цей наліт складається з кристалів карбіну.

Фулерени


Вольфганг Кретчмер
(народ. 1942)

Дональд Рей Хаффман
(народ. 1935)

Перші фулерени виділяли з конденсованих парів графіту, отриманих при лазерному опроміненні твердих графітових зразків. Фактично, це були сліди речовини. Наступний важливий крок був зроблений в 1990 році В. Кретчмер, Д. Хаффманом та ін., що розробили метод отримання грамових кількостей фулеренів шляхом спалювання графітових електродів в електричній дузі в атмосфері гелію при низьких тисках. У процесі ерозії анода на стінках камери осідала сажа, що містить деяку кількість фулеренів. Згодом вдалося підібрати оптимальні параметри випаровування електродів (тиск, склад атмосфери, струм, діаметр електродів), при яких досягається найбільший вихід фулеренів, що становить в середньому 3-12% матеріалу анода, що, в кінцевому рахунку, визначає високу вартість фулеренів.

Спочатку всі спроби експериментаторів знайти більш дешеві і продуктивні способи отримання грамових кількостей фулеренів (спалювання вуглеводнів в полум'ї, хімічний синтез та ін) до успіху не привели і метод «дуги» довгий час залишався найбільш продуктивним (продуктивність близько 1 г/годину). Згодом фірмі Mitsubishi вдалося налагодити промислове виробництво фулеренів методом спалювання вуглеводнів, але такі фулерени містять кисень і тому дуговий метод як і раніше залишається єдиним прийнятним методом отримання чистих фулеренів.

ВІДЕО: Отримання фулеренів електродугови методом (робота рактора)

Переглянути відео

Нанотрубки

Розроблені такі методи для отримання нанотрубок в значних кількостях: електродуговий синтез, лазерна абляція, піроліз під високим тиском монооксиду вуглецю (HiPco) і хімічного осадження парів (CVD). CVD зростання трубок може відбуватися у вакуумі або при атмосферному тиску.

Нанотрубки, також, утворюються при розкладанні вуглецьвмісних газів (CH4, C2H4, C2H2, CO, парів C6Н6 і т.д.) на каталітично активних поверхнях металів (Fe, Co, Ni тощо) при т-рах 300 – 1500 °C.

ВІДЕО: Методи одержання нанотрубок

Переглянути відео

Нановолокна

Каталітичне хімічне газофазне осадження (CCVD) або просто хімічне газофазне осадження (CVD) в різних варіантах, таких як теплове осадження та осадження в плазмі, є основною комерційною технологією для отримання вуглецевих нановолокон ВНВ. При цьому молекули газової фази розкладаються при високих температурах і вуглець осідає в присутності каталізаторів з перехідних металів на підкладку, на якій відбувається подальше зростання волокна навколо частинок каталізатора. У загальному випадку, цей процес включає в себе окремі етапи, такі як розкладання газу, осадження вуглецю, зростання волокна, потовщення волокна, графітизація і очищення. Діаметр нановолокон залежить від розміру каталізатора.

Найчастіше в якості каталізатора використовується залізо, часто збагачене сіркою, сірководнем і т. д., для того щоб знизити температуру плавлення, і сприяти проникненню вуглецю в пори каталізатора і, отже, створити більше точок росту. Fe/Ni, Ni, Co, Mn, Cu, V, Cr, Mo і Pd також використовуються в якості каталізаторів. Ацетилен, етилен, метан, природний газ, і бензол найбільш часто використовуються в якості джерел вуглецю для отримання ВНВ. Часто монооксид вуглецю (CO) вводиться в потік газу для збільшення виходу вуглецю за рахунок скорочення кількості оксидів заліза в системі.

ВІДЕО: Синтез нановолокон в лабораторії (із CO2)

Переглянути відео

Астралени

Зразки астраленів були виділені з продуктів обробки графітових стрижнів у квазістаціонарному режимі в дуговому розряді.

Можливе виділення вуглецевих наночастинок з вуглецевих матеріалів. Суть полягає в тому, що в процесі електролізу алюмінію утворюються вуглецева піна за рахунок електроерозії вугільних електродів, з якої надалі витягують фтористі солі, аморфний вуглець і вуглецеві наноструктури (нанотрубки та астралнени).

Нанобруньки

Синтез нанобруньок може бути проведений в аерозольному реакторі безперервної дії.

Графен

Шматочки графену отримують при механічному впливі на високоорієнтиваний піролитичний графіт або киш-графіт. Спочатку плоскі шматки графіту поміщають між липкими стрічками (скотч) і розщеплюють раз за разом, створюючи досить тонкі шари (серед багатьох плівок можуть попадатися одношарові і двошарові). Після злущення скотч з тонкими плівками графіту притискають до підкладки окисленого силіцію. При цьому важко отримати плівку визначеного розміру і форми у фіксованих частинах підкладки (горизонтальні розміри плівок складають зазвичай близько 10 мкм). Знайдені за допомогою оптичного мікроскопа плівки підготовляють для вимірювань.

ВІДЕО: К. Новосьолов про одержання графену

Переглянути відео

ВІДЕО: Як одержати графен дома

Переглянути відео

Шматочки графена також можна приготувати з графіту, використовуючи хімічні методи. Спочатку мікрокристали графіту піддаються дії суміші сульфатної та хлоридної кислот. Графіт окиснюється, і на краях зразка з'являються карбоксильні групи графену. Їх перетворюють на хлориди за допомогою тіонілхлориду. Потім під дією октадециламіну в розчинах тетрагідрофурану, тетрахлорметану і дихлоретану вони переходять в графенові шари товщиною 0,54 нм. Цей хімічний метод не єдиний, і, змінюючи органічні розчинники і реагенти, можна отримати нанометрові шари графіту.

Слід згадати ще два методи: радіочастотне плазмохімічне осадження з газової фази (PECVD) і вирощування при високому тиску і температурі (HPHT). З цих методів лише останній можна використовувати для отримання плівок великої площі.

Якщо кристал піролітичного графіту і підкладку помістити між електродами, то можна домогтися того, що шматочки графіту з поверхні, серед яких можуть виявитися плівки атомарної товщини, під дією електричного поля можуть переміщатися на підкладку окисленого силіцію. Для запобігання пробою (між електродами прикладали напруга від 1 до 13 кВ) між електродами також поміщають тонку пластину слюди.

Існують й інші методи лабораторного отримання графену.

Атомарний вуглець (моновуглець)


Філ Б. Шевлайн
(народ. ?)

Атомарний вуглець - це дуже форма з коротким терміном існування. Створюється шляхом передачі великого струму через два сусідніх вуглецеві стрижні при генерації електричної дуги. Професор Філ Шевлайн здійсьнив основну роботу в цій області на базі Auburn University в США.

Цей метод тісно пов'язаний з утворенням фулеренів C60, головна відмінність у тому, що при створенні атомарного вуглецю використовується набагато глибший вакуум.


Створення атомарного вуглецю (C): джерело світла — електрична дуга між двома вуглецевими стрижнями. Рідкий азот охолоджує реактор. Чорна речовина — сажа. Ця фотографія була зроблена в лабораторії професора Філа Шевліна Auburn University.

Дивуглець

Дивуглець - двоатомні молекули вуглецю (С2), що утворюються в парах вуглецю, наприклад, в електричних дугах, в кометах, зоряних атмосферах і міжзоряному середовищі, а також в синьому вуглеводневому полум'ї.

Дивуглець може бути отриманий з графіту в електричній дузі. Також його визначають в якості продукту реакції тетрахлоретилену з натрієм.

Молекула C2 не існує при нормальних умовах, так як вуглець значно більш стійкий в стані алмазу, графіту або фуллерену.

Тривуглець

Тривуглець (C3) перший спектроскопічно спостерігав на початку 20-го століття в хвості комети Вільям Хаггінс. Згодом був визначений в зоряних атмосферах.

Малі кластери вуглецю, як тривуглець і дивуглець розглядаються як прекурсори сажі та беруть участь в утворенні деяких промислових алмазів і формуванні фулеренів.

C3 також був визначений в якості проміжних частинок в різних реакціях горіння.

Утворення C3 було досліджено почесним професором Філіпом Скеллом з Університету штату Пенсільванія в 1960-х роках.


Філіп С. Скелл
(1918–2010)



Алотропія та ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ.

Класифікація алотропів вуглецю за характером хімічного зв'язку між атомами:

Алмаз


Алмаз. Crater of Diamonds, Арканзас, США. Найменший кристал 2 мм
Автор фото: R.Weller/Cochise College.

Кристалічна ґратка типу алмазу складається із двох кубічних гранецентрованих підґраток, вкладених одна в іншу із зміщенням на 1/4 вздовж діагоналі куба елементарної комірки. Структура алмазу характерна для речовин, в яких відбувається sp3-гібридизація атомних орбіталей. Кожен атом утворює чотири зв'язки із сусідніми.

Кристали алмазу мають форму октаедра, ромбододекаедра, куба і тетраедра з гладкими і пластинчато-східчастими гранями або округлими поверхнями, на яких розвинені різноманітні акцесорії. Характерні пласкі, довгасті та складні кристали простої і комбінованої форм, двійники зростання і проростання, паралельні і довільно орієнтовані зростки.

Більша частина алмазів зустрічається в природі у вигляді окремих добре сформованих кристалів або їх уламків. Це кристали з рівними плоскими гранями. Іноді зустрічаються кривогранні, округлі кристали, в деяких родовищах вони навіть переважають. Часто кристали алмазу зростаються, або ніби проростають один в одного, утворюючи відповідно так звані двійники зростання і проростання.

Зазвичай розміри алмазних зерен — від часток міліметра до 0,5–1 см в поперечнику, але зустрічаються і досить великі кристали.

Густина алмазу — 3,5-3,53 г/см3. Алмази можуть бути безбарвними або з ледве помітним відтінком, а також яскраво забарвленими в жовтий, коричневий, рожево-бузковий, зелений, блакитний, синій, молочно-білий і сірий (до чорного) кольори. При опроміненні зарядженими частинками алмаз набуває зеленого або блакитного кольору. Зворотний процес — перетворення забарвленого алмазу в безбарвний — досі не вдалося провести. Поверхня алмазів з найдавніших родовищ (вік яких перевищує 1 млрд. років) має зелене забарвлення, яке зникає при механічній обробці кристалу.

Більшість природних алмазів безбарвні, але бувають камені найрізноманітніших кольорів та відтінків. Найчастіше зустрічаються алмази зі слабким жовтуватим відтінком, а також зеленкуваті. В родовищах Південної Африки трапляються бурі алмази; за рахунок значних домішок аморфного вуглецю вони можуть набувати цілковито чорного кольору. Рожеві, рубіново-червоні та сині алмази дуже рідкісні. Щодо алмазів сапфірово-синього кольору, то це — явище виняткове, і цінуються вони дуже високо.

Для алмазів характерні сильний блиск, високий показник заломлення (n = 2,417) і сильно виражений ефект дисперсії (0,063), що зумовлює різнокольорову гру світла в діамантах. Як правило, в кристалах алмазу виявляється аномальне двопроменезаломлення через напруження, яке виникає у зв'язку зі структурними дефектами і включеннями. Кристали алмазів прозорі; напівпрозорі або непрозорі в залежності від насиченості мікроскопічними включеннями графіту, інших мінералів і газово-рідинних вакуолей. При освітленні УФ променями значна частина прозорих і напівпрозорих кристалів алмазів люмінесціює синім, голубим і рідше жовтим, жовто-зеленим, оранжевим, рожевим і червоним кольорами. Кристали алмазів (за рідкісним винятком) люмінесціюють під дією рентгенівських променів. В алмазів проявляється також електро-, трибо- і термолюмінесценція.

Відносна твердість алмазу за шкалою Мооса 10. Алмаз дуже крихкий.

Чиста поверхня алмазу має високу гідрофобність, але в природних умовах алмаз покривається тонкими плівками, що підвищують його гідрофільність. Алмаз з чистою поверхнею гідрофобний, тобто не змочується водою.


Елементарна комірка кристалічної структури алмазу

В алмазу найбільш висока теплопровідність серед всіх твердих тіл 900-2300 Вт/(м · К), великі показник заломлення і дисперсія. Алмаз є діелектриком. У алмазу дуже низький коефіцієнт тертя по металу на повітрі — всього 0,1, що пов'язано з утворенням на поверхні кристала тонких плівок адсорбованого газу, що грають роль своєрідного мастила. Коли такі плівки не утворюються, коефіцієнт тертя зростає і досягає 0,5-0,55. Висока твердість обумовлює виняткову зносостійкість алмазу на стирання. Для алмазу також характерні найвищий (в порівнянні з іншими відомими матеріалами) модуль пружності і найнижчий коефіцієнт стиснення.

Температура плавлення алмазу становить 3700-4000 °C при тиску 11 ГПа. На повітрі алмаз згоряє при 850-1000 °C, а в струмені чистого кисню горить слабо-блакитним полум'ям при 720-800 °C, повністю перетворюючись в кінцевому рахунку в вуглекислий газ. При нагріванні до 2000 °C без доступу повітря алмаз переходить в графіт за 15-30 хвилин. Середній показник заломлення безбарвних кристалів алмазу в жовтому кольорі дорівнює приблизно 2,417, а для різних кольорів спектра він варіюється від 2,402 (для червоного) до 2,465 (для фіолетового). Здатність кристалів розкладати біле світло на окремі складові називається дисперсією. Для алмазу дисперсія дорівнює 0,063.

Алмаз в природному вигляді не вважається красивим. Красу додає алмазу ограновування, що створює умови для багатократних внутрішніх віддзеркалень. Огранений алмаз називається діамантом.


Оброблений алмаз (діамант)

Лонсдейліт

Лонсдейліт — алотропна гексагональна модифікація вуглецю зі структурою, аналогічною структурі вюртциту 2H. Густина 3,51 г/см3. Колір чорний.

Лонсдейліт і алмаз мають тетраедричну геометрію електронних орбіталей атомів Карбону, яка утворюється при взаємодії однієї s- і трьох р-орбіталей (sp3-гібридизації). Атом Карбону знаходиться в центрі тетраедра і зв'язаний чотирма зв'язками з атомами Карбону в вершинах тетраедра.


Елементарна комірка лонсдейліту

Структура алмазу і лонсдейліту відрізняється тим, що атоми алмазу, які знаходяться на другій сфері, яка оточує вихідний атом на другій координаційній сфері, утворює архімедів кубооктаедр, куб з відрізаними кутами. В структурі лонсдейліту атоми другої координаційної сфері утворюють так званий гексагональний кубооктаедр, який утворюється з архімедового обертання його нижньої половини на 180°.


Координаційні багатогранники:
а - гексагональний кубооктаедр, б - кубічний (архімедів) кубооктаедр.

Для того, щоб атоми вуглецю Карбону мали однакове оточення в перших двох координаційних сферах, вони утворять одну з цих структур в монокристалі. Якщо атоми Карбону можуть побудувати зв'язки лише в першій координаційній сфері (тобто утворити тільки правильні тетраедри), то можуть виникнути змішані структури, в яких шари алмазу будуть перемішані з шарами лонсдейліту. Це має місце, наприклад, в так званих двійниках, в яких два кристали алмазау з'єднані між собою через шар лонсдейліту.


Мікрокристали лонсдейліту із Попігайського кратера (Росія)

Лонсдейліт є одним із найбільш твердих серед відомих речовин, на 58% перевершує по твердості алмаз, проте поступається фулериту (лонсдейліт може витримати навантаження в 152 ГПа, в той час як алмаз — всього в 97 ГПа), однак малоймовірно практичне використання через складність його отримання.

Графіт


Графіт

В кристалі графіту кожний атом Карбону ковалентно зв'язаний з трьома іншими атомами Карбону.


Елементарна комірка графіту

Графіт добре проводить електричний струм. На відміну від алмазу має низьку твердість (1-2 за шкалою Мооса). Густина 2,08-2,23 г/см3. Колір темно-сірий, блиск металічний. Неплавкий, стійкий при нагріванні в відсутність повітря. У кислотах не розчиняється. Жирний (слизький) на дотик. Природний графіт містить 10-12% домішок глин і оксидів Феруму. При терті розшаровується на окремі лусочки (ця властивість використовується в олівцях).

Теплопровідність графіту від 278,4 до 2435 Вт/(м·К), залежить від марки графіту, від напрямку щодо базисних площин і від температури.

Електрична провідність монокристалів графіту анізотропна, в напрямку, паралельному базисній площині, близька до металічної, в перпендикулярному — в сотні разів менше. Мінімальне значення провідності спостерігається в інтервалі 300-1300 К, причому положення мінімуму зміщується в область низьких температур для досконалих кристалічних структур. Найвищу електричну провідність має рекристалізований графіт.

Коефіцієнт теплового розширення графіту до 700 К від'ємний у напрямку базисних площин (графіт стискається при нагріванні), його абсолютне значення з підвищенням температури зменшується. Вище 700 К коефіцієнт теплового розширення стає позитивним. У напрямку, перпендикулярному базисним площинах, коефіцієнт теплового розширення позитивний, практично не залежить від температури і більш ніж в 20 разів вище середнього абсолютного значення для базисних площин.

Монокристали графіту діамагнітни, магнітна сприйнятливість незначна в базисній площині і велика в ортогональних базисних площинах. Коефіцієнт Холла змінюється з позитивного на негативний при 2400 К.

Графен


Фотографія графену в прохідному світлі.
Цей кристал товщиною в один атом можна побачити неозброєним оком завдяки тому що він поглинає приблизно 2,3% білого світла.

Графен схожий за своєю будовою на окремий атомний шар у структурі графіту — атоми вуглецю утворюють стільникову структуру з міжатомною віддаллю 142 нм. Без опори графен має тенденцію згортатися, але може бути стійким на підкладці. Більше того, графен був отриманий також без підкладки у вільному підвішеному стані, розтягнутий на опорах.


Ідеальна кристалічна структура графену є гексагональною кристалічною решіткою.

За своїми електронними властивостями графен відрізняється від тривимірного графіту. Його можна охарактеризувати як напівметал, або ж як надпровідник і нульовою шириною забороненої зони.

Попри те, що графен моноатомний шар, він не зовсім прозорий, що й дає можливість бачити його.

Властивості графену ще вивчаються.

Фулерени

Фулерен — алотропна модифікація вуглецю. Цей термін застосовують до широкого класу сполук із мінімально можливою будовою у 60 атомів вуглецю, що поєднані ковалентним зв'язком у сферичну молекулу, де кожен атом вуглецю поєднаний із трьома іншими, утворюючи п'ятикутники та шестикутники на поверхнях. Найбільша молекула фулерену складається із 560 атомів вуглецю. Найбільш вивченою молекулою фулерену є молекула С60.


Вид молекули фулерену C60 (бакіболу), що обертається навколо осі симетрії

Ікосаедричний фулерен C540

Чотиривалентність Карбону у формулі фулерена повністю реалізується. Правильніше зображувати фулерен у вигляді каркасу з простими короткими зв'язками, що чергуються, але частіше застосовують спрощене зображення, де каркас складається з однарних рисок. Ще одна незвичайна структурна особливість фулерену полягає в тому, що його молекула має внутрішню порожнину, діаметр якої приблизно 0,5 нм. Зовнішній діаметр самої молекули 0,71 нм. Внутрішній діаметр, природно, менше зовнішнього, оскільки атоми Карбону і їхні електронні оболонки теж мають певний розмір.

Від інших алотропних модифікацій вуглецю фулерен відрізняється насамперед тим, що це індивідуальні кінцеві молекули, що мають замкнуту форму. Фулерен на відміну від відомих раніше трьох форм вуглецю розчинний в органічних розчинниках (бензол, гексан, сірковуглець).

Фулерени важкорозчинні у багатьох розчинниках. Розчинниками для фулеренів є ароматичні вуглеводні, такі як толуен та інші подібні до сірковуглецю. Розчини чистого бакмінстерфулерену мають глибокий фіолетовий колір. Розчини C70 мають червонувато-коричневий колір. Вищих фулеренів від С76 до С84 мають різні кольори. C76 має дві оптичні форми, в той час як інші вищі фулерени мають декілька структурних ізомерів. Фулерени є єдиною відомимою алотропною формою Карбону, яка може бути розчинена у звичайних розчинниках при кімнатній температурі.


Розчин фулерену C60

З розчинів фулерен кристалізується у виді дрібних темно-коричневих кристалів.

Конденсовані системи, що складаються з молекул фулеренів, називаються фулеритами. Найбільш вивчена система такого роду — кристал C60, менш — система кристалічного С70. Дослідження кристалів вищих фулеренів утруднені складністю їх отримання.


Кристали фулериту C60

Крупнокристалічний порошок фулериту C60 в растровому електронному мікроскопі

Фулерит має високий ступінь кристалічного порядку. Молекули C60 при кімнатній температурі конденсуються в структуру з щільною упаковкою, де кожна молекула має 12 найближчих сусідів. Існують дві щільноупаковані структури — гранецентрована кубічна (ГЦК) і гексагональна ґратка. У кристалічному фулериті молекули фулеренів утворюють ГЦК-ґратку. Оскільки 60-атомна молекула має діаметр 0,71 нм, розміри елементарної комірки ГЦК-ґратки вельми значні: кожна сторона кубу дорівнює 1,42 нм, а відстань між найближчими сусідами становить близько 1 нм. У кристалах, що складаються з атомів і мають ГЦК-ґратку, сторона кубу зазвичай не перевищує 0,4 нм, а відстань між найближчими сусідами — 0,3 нм.

Методом ЯМР доведено, що молекули C60, займаючи певні місця в гранецентрованих ґратках, при кімнатній температурі постійно обертаються навколо положення рівноваги з частотою 1012 с-1. Таке обертання є значною перешкодою, коли потрібно визначити положення атомів вуглецю в самій молекулі C60. Але, в міру пониження температури обертання молекул сповільнюється і при дуже низькій температурі повністю припиняється.

При зниженні температури до 249 К фулерит здійснює фазове перетворення першого роду, при якому ГЦК-ґратки перебудовуються в прості кубічні. При цьому об'єм фулериту збільшується на 1%.

Твердість фулеритів: 6-16 тисяч кгс/мм2, а у фулеритів ультратвердої модифікації значно вище за неї: 16-30 тисяч кгс/мм2. Модуль всебічного стиску фулеритів доходить до 1300 ГПа, істотно перевищуючи цю характеристику алмазу (445 ГПа). Одночасно було виявлено, що швидкість поздовжніх акустичних хвиль у фулеритів надзвичайно висока: 19,5-22,3 км/с при відносно невеликій швидкості поперечних хвиль — 7-8,5 км/с (ці значення зазвичай різняться не більше ніж удвічі).

Кристал фулериту має густину 1,7-2 г/см3, що значно менше від густини графіту (2,3 г/см3) і тим більше — алмазу (3,5 г/см3).

Твердий фулерит є напівпровідником з шириною забороненої зони 1,5 еВ.


Структура фулериту

Багатошарові фулерени

Нанотрубки


Порошок з вуглецевих нанотрубок

Нанотрубки бувають одно- і багатошарові. Відповідно діаметр цих трубок знаходиться у межах 0,4-500 нм, а довжина від 1 мкм до декількох десятків мікрометрів (при синтезі довгих волокон — і до десятків см). Утворюються при розкладанні карбонвмісних газів (СН4, С2Н4, С2Н2, СО, парів С6Н6 і т. д.) на каталітично активних поверхнях металів (Fe, Co, Ni тощо) при температурах 300-1500 °C. Нанотрубки можуть набувати найрізноманітніших форм — від прямолінійних до скручених волокон (у т. ч. спіралей). Головна особливість цих вуглецевих наноструктур (як і фулеренів) — їх каркасна форма.

Ідеальна нанотрубка являє собою згорнуту в циліндр графітову площину, тобто поверхню, викладену правильними шестикутниками, у вершинах яких розташовані атоми Карбону.

Схематичне зображення нанотрубки

Зображення одностінних нанотрубок одержане за допомогою скануючого тунельного мікроскопа.

Класифікація нанотрубок


Для отримання нанотрубки (n, m), графітову площину треба розрізати по напрямах пунктирних ліній і скрутити уздовж напряму вектора R.

Як випливає з визначення, основна класифікація нанотрубок проводиться за способом згортання графітової площини. Цей спосіб згортання визначається двома числами n і m, які задають розкладання напряму згортання на вектора трансляції графітових граток. Це проілюстровано на малюнку.

За значенням параметрів (n, m) розрізняють:

Як неважко здогадатися, при дзеркальному відображенні (n, m) нанотрубка переходить в (m, n) нанотрубку, тому, трубка загального вигляду дзеркально несиметрична. Прямі ж нанотрубки або переходять в себе при дзеркальному відображенні (конфігурація «крісло»), або переходять в себе з точністю до повороту.

Розрізняють металеві і напівпровідникові нанотрубки. Металеві нанотрубки проводять електричний струм навіть при абсолютному нулі температур, тоді як провідність напівпровідникових трубок рівна нулю при абсолютному нулі і зростає при підвищенні температури. Технічно кажучи у напівпровідникових трубок існує заборонена зона. Трубка виявляється металевою, якщо n-m ділиться на 3. Зокрема, металевими є всі трубки типу «крісло».


Структура "крісло" (armchair) — (n, n)

Структура з вигнутим хіральним вектором (трансляційний вектор залишається прямим)

Графенова нанострічка

Структура з вигнутим хіральним вектором (трансляційний вектор залишається прямим)

Структура "зигзаг" (zigzag) — (n,0)

Хіральна структура в загальному випадку (n, m)

Параметри n та m можна порахувати на кінці трубки

Графенова нанострічка

Багатостінні (multi-walled) нанотрубки відрізняються від одностінних значно більш широкою різноманітністю форм і конфігурацій. Різноманітність структур проявляється як у поздовжньому, так і в поперечному напрямку.

Структура типу «російської матрьошки» (russian dolls) являє собою сукупність коаксіально вкладених один в одного циліндричних трубок. Інший різновид цієї структури являє собою сукупність вкладених один в одного коаксіальних призм. Нарешті, остання з наведених структур нагадує сувій (scroll).

Реалізація тієї або іншої структури багатостінні нанотрубок в конкретній експериментальній ситуації залежить від умов синтезу. Аналіз наявних експериментальних даних вказує, що найбільш типовою структурою багатостінні нанотрубок є структура з поперемінно розташованими по довжині ділянками типу «російської матрьошки» та «пап'є-маше». При цьому «трубки» меншого розміру послідовно вкладені в трубки більшого розміру.


Структура багатостінних нанотрубок

Нанотрубки дуже міцні як на розтяг, так і на згинання — модуль пружності вздовж осі трубки становить 7000 ГПа, тоді як для легованої сталі і найпружнішого металу ітрію відповідно 200 і 520 ГПа.

Адсорбція газів нанотрубками може відбуватися на зовнішніх і внутрішніх поверхнях, а також у міжтрубному просторі. Так, експериментальне вивчення адсорбції азоту при температурі 77 К на багатошарових трубках із мезопорами завширшки 4,0±0,8 нм показало, що на внутрішній поверхні адсорбується у 5 разів більше частинок, ніж на зовнішній.

Електропровідність вуглецевих нанотрубок є ключовим параметром цих об’єктів, від неї залежить їх подальше використання з метою мініатюризації приладів мікроелектроніки. Як показують результати чотириконтактних вимірювань температурних залежностей питомого опору плівки нанотрубок, виконаних в діапазоні температур 0,03 < Т < 300 К, величина опору, виміряного у напрямку, що збігається з напрямком орієнтації нанотурбок Rраг, знаходиться у діапазоні від 1 до 0,08 Ом. При цьому характер температурної залежності опору наближений до залежності Т1/2. Аналогічною функцією описується температурна залежність опору Rраг, що вимірюється у поперечному напрямку. Анізотропія опору Rрегр/Rраг наближена до 8 і практично не залежить від температури.

Одна з помітних властивостей нанотрубок — чітко виражена залежність електропровідності від магнітного поля. При цьому у більшості дослідів спостерігається ріст провідності із збільшенням магнітного поля, що відповідає результатам модельних передбачень.

Нановолокна


Структура нановолокон

Вуглецеві нановолокна під електронним мікроскопом

Вуглецеві нановолокна — вуглецеві циліндричні наноструктури, що являють собою складені шари графену у вигляді конусів, «чашок» або пластин.

Вуглець може існувати у формі трубчастих мікроструктур званих нитками або волокнами.

Вуглецеві нановолокна — це клас таких матеріалів, у яких зігнуті графенові шари або наноконуси складені у формі квазі-одномірної нитки, чия внутрішня структура може бути охарактеризована кутом α між шарами графена і віссю волокна. Одна з поширених відмінностей відзначається між двома основними типами волокон: «Ялинка», з щільно укладеними конічними графенових шарами і великими α, і «Бамбук», з циліндричними чашеподібними графеновими шарами і малими α, які більше схожі на багатошарові вуглецеві нанотрубки. Однак, у випадку справжніх нанотрубок α дорівнює нулю.

Астралени


Структура частинки астралену.

Багатогранна структура частинок астралену складена великими плоскими бездефектними графітовими поверхнями, з'єднаними крайовими дефектними областями переважно п'ятикутної структури. Поверхні складені укладанням 20-50 плоских графенових листів (відстань між листами ≈ 0,340 нм). Середній розмір плоских поверхонь ≈ 15 нм.

Ці кластери можуть мати досить різноманітні поєднання геометричних форм, їх розміри знаходяться в діапазоні від кількох нанометрів до десятків нанометрів, а їх поверхня представлена шестикутними і п'ятикутними комірками.

У чистому вигляді це порошок з насипною густиною 0,6 ÷ 0,8 г/см3. Густина 2,2 г/см3.

Скловуглець


Скловуглецеві тиглі

Структура скловуглецю вже давно є предметом дискусії. Ранні структурні моделі передбачали наявність sp2- і sp3-форм атомів, але тепер відомо, що скловуглець на 100% складається sp2-Карбону. Однак більш пізні дослідження показали, що скловуглць має фулерено-пов'язані структури.


Електронномікроскопічна фотографія скловуглець

Зі структурної точки зору структура склоподібного вуглецю має форму витої стрічки.


Структура переплетених смуг, харктерна для скловуглецю

Скловуглець має високу стійкість до температури у вакуумі та газовому середовищі до 3000 °C, високу корозійну стійкість і непроникність для газів і рідин, не змочуваність, високу твердість і жорсткість, низьку густину, високу якість поверхні, низький коефіцієнт теплового розширення, високу стійкість до теплового удару, хорошу електропровідність, ізотропність фізичних і хімічних властивостей та біосумісність.

Карбін

Карбін — алотропна форма вуглецю на основі sp-гібридизації атомів Карбону. Складається з вуглецевих фрагментів з потрійними – С ≡ С – С ≡ С –, кумульованими = С = С = С = С = зв'язками. Може бути лінійним або утворювати циклічні структури.

Карбін — це дрібнокристалічний порошок чорного кольору (густина 1,9 ÷ 2 г/см3), має напівпровідникові властивості. Отриманий в штучних умовах з довгих ланцюжків атомів Карбону, укладених паралельно один до одного. Карбін — лінійний полімер Карбону. У молекулі карбіну атоми Карбону з'єднані в ланцюжки по черзі або потрійними і одинарними зв'язками (поліїнова будова), або лише подвійними зв'язками (полікумуленова будова). Карбін має напівпровідникові властивості, причому під впливом світла його провідність сильно збільшується.

На думку деяких дослідників, однозначних і строгих доказів індивідуальності карбіну і його будови досі не отримано, інші ж автори, навпаки, вважають, що такі докази є. Дискусія з приводу існування карбіну багато в чому обумовлена тим, що діагностика його має ряд технічних труднощів, оскільки при використанні високоенергетичних методів можливий перехід карбіну в інші форми вуглецю. До того ж уявлення про структуру карбіну довгий час відрізнялися недосконалістю. Автори відкриття карбіну запропонували модель його кристалічної структури у вигляді сукупності ланцюжків кумуленового або поліїнового типу, упакованих в кристали за рахунок вандерваальсових сил. Ланцюжки вважались прямолінійними, оскільки кожен атом вуглецю знаходиться в стані sp-гібридизації.

Дійсно, на даний час встановлено, що структуру карбіну утворюють атоми Карбону, зібрані в ланцюжки подвійними зв'язками (β-карбін) або одинарними і потрійними зв'язками, що чергуються (α-карбін). Полімерні ланцюжки мають хімічно активні кінці (тобто несуть локалізований негативний заряд) і вигини з ланцюговими вакансіями, в місцях яких ланцюжки з'єднуються між собою за допомогою перекривання π-орбіталей атомів Карбону. Важливе значення для утворення зшивок має присутність таких домішок металів, як залізо, калій. Переконливе свідчення наявності зигзагів в лінійному Карбоновому ланцюжку було отримано в теоретичній роботі Коршака: результати його розрахунку добре узгоджуються з ІЧ-спектром карбіну.

На підставі результатів подальших досліджень структури кристалічного карбіну була запропонована модель його елементарної комірки. Відповідно до цієї моделі елементарна комірка карбіну складена паралельними ланцюжками Карбону, що мають зигзаги, завдяки яким комірка виявляється двошаровою. Товщину одного шару становить ланцюжок із шести атомів Карбону. У нижньому шарі ланцюжки щільно упаковані і розташовані в центрі і по кутах шестикутника, тоді як у верхньому шарі центральний ланцюжок відсутній, а в утвореній вакансії можуть розташовуватися атоми-домішки. Можливо, що вони є каталізаторами кристалізації карбіну. Така модель дає ключ до розкриття феномену карбіну і пояснює, в якій конфігурації може стабілізуватися в загальному випадку нестійка сукупність лінійних ланцюжків Карбону.

Аморфний вуглець


Структура аморфного вуглецю

Аморфний вуглець — стан вуглецю з неврегульованою структурою — (сажа, кокс, деревне вугілля).

Історично склалося, що термін «аморфний вуглець» був використаний для опису вуглецевих матеріалів, знайдених в сажі і вугіллі які не можуть бути віднесені ні до алмазу, ні до графіту. В основі будови аморфного вуглецю лежить розупорядкована структура монокристалічного графіту. Завжди містить домішки.

Аморфний вуглець, або просто аморфне вугілля, насправді є кристалічним, але його кристалики такі малі, що їх не видно навіть у мікроскоп. Фізичні властивості «аморфного» вуглецю значною мірою залежать від дисперсності частинок та від наявності домішок.

Найважливішими технічними сортами аморфного вуглецю є сажа, технічний вуглець і деревне вугілля. Сажа являє собою найчистіший аморфний вуглець.

Нанобруньки


Структура нанобруньки

Вуглецева нанобрунька під електронним мікроскопом
[A.G. Nasibulin et al., "A novel hybrid carbon material", Nature Nanotech. 2, 156 (2007)]

Нанобруньки є новостворені матеріали об'єднання двох раніше виявлених алотропних форм Карбону: нанотрубок і фулеренів. У цьому новому матеріалі, фулереноподібні «бруньки» ковалентно зв'язані з зовнішньою бічною стінкою основної нанотрубки. Цей гібридний матеріал має корисні властивості обох фулеренів і нанотрубок.

Нанобруньки виявляють властивості як нанотрубок так і фулеренів. Наприклад, механічні властивості та електропровідність нанобруньок аналогічні відповідним властивостям нанотрубок.

Вуглецева нанопіна

Нанопіна складається з вуглецевих кластерів низької густини, нанизаних на нерегулярну тривимірну сітку з періодом 5,6 ÷ 0,4 Å. Кожен кластер має діаметр близько 6 нм і містить порядку 12000 атомів Карбону з'єднаних в графітоподібні шари, що мають негативну кривизну, завдяки семикутним включенням в шестикутну структуру. Це протилежно структурі фулеренів, у яких вуглецеві шари мають позитивну кривизну завдяки п'ятикутним включеням. Великомасштабна структура вуглецевої нанопіни подібна з аерогелем, але її густина в 100 разів менша густини вуглецевого аерогелю.

Вміст водню — менше 100 млн-1, сукупний вміст інших атомів — менше 500 млн-1 (в тому числі Fe+Ni — менше 110 млн-1).

Вуглецева піна — це дуже легкий порошок чорного кольору. Густина нанопіни — близько 2 ÷ 10 мг/см3. Це одна з найлегших твердих речовин (для порівняння густина повітря 1,2÷1,3 мг/см3).

Вуглецева нанопіна має великий питомий опір 10 ÷ 30 МОм·м (при кімнатній температурі) який зменшується з нагріванням, тобто вона є напівпровідником. Таким чином електропровідність нанопіни набагато менше, ніж у вуглецевого аерогелю.

Вуглецева нанопіна має сильні парамагнітні властивості, а при температурі нижче ˜92 K (точка Кюрі) стає феромагнетиком з вузькою петлею гістерезису. Вона має «постійний» магнітний момент відразу після виготовлення, але цей стан зберігається лише протягом двох годин. Це єдина форма вуглецю, яка притягається до магніту при кімнатній температурі.

Атомарний вуглець

Атомарний вуглець — це окремі атоми Карбону (хімічна формула C: — по суті дикарбен).

Це частинки з дуже коротким терміном існування, котрі шляхом передачі великого струму через два сусідніх стрижні вуглецю, під час генерації електричної дуги.

Дивуглець

Дивуглець — двоатомна нейтральна частинка, утворена двома атомами Карбону (C2). Детектується спектрометрично в електричній дузі (разом з деякими фулеренами), в кометах і в синіх язиках полум'я.

Незважаючи на те, що теорія валентних зв'язків пророкує четвертний зв'язок як єдиний можливий варіант виконання правила октету для існування двоатомних молекул вуглецю, таке передбачення є невірним. Це вказує на фундаментальні недоліки теорії.

Теорія молекулярних орбіталей показує, що існує два набори парних електронів в σ-системі (зв'язуючі і розпушуючі) і два набори парних електронів в вироджених p-орбіталях. Таким чином порядок зв'язку дорівнює 2, це говорить про те, що два атоми Карбону сполучені подвійним зв'язком.

C2 є одним з компонентів парів вуглецю.

Тривуглець

Тривуглець або C3 — це невеликий вуглецевий кластер вперше спектроскопічно виявлений на початку 20-го століття в хвості комети Уільямом Хаггінсом і згодом визначений в зоряних атмосферах.


Уільям Хаггінс
(1824–1910)

Малі кластери вуглецю, такі як тривуглець та дивуглець розглядаються як прекурсор сажі та беруть участь в утворенні деяких промислових алмазів і у формуванні фулеренів. Молекули тривуглецю мають лінійну будову. Потенціал іонізації визначений експериментально і становить від 11 до 13,5 електрон-вольт.

C3 також був визначений в якості проміжних частинок у різних реакціях горіння.



Хімічні властивості.

Хімічна активність різних алотропних видозмін вуглецю різна. Алмаз і графіт майже не вступають в хімічні реакції. Вони можуть реагувати лише з чистим киснем і тільки за дуже високої температури. Хімічна активність зменшується в ряді: аморфний вуглець, графіт, алмаз, на повітрі вони спалахують при температурах відповідно вище 300-500 °C, 600-700 °C і 850-1000 °C.

Аморфний вуглець, а також вугілля за звичайної температури досить інертні, але при сильному нагріванні їх активність різко зростає і вуглець безпосередньо сполучається з багатьма елементами.

Взаємодія з металами.

Під час взаємодії графіту з металами утворюються карбіди:

Ca + 2C = CaC2

ВІДЕО: Взаємодія кальцію з вуглецем

Переглянути відео

У реакціях з металами вуглець є окисником.

Взаємодія з неметалами.

Взаємодія графіту з воднем відбувається лише за високих температур і наявності каталізаторів (Ni або Pt):

C + 2H2—————600–1000°CCH4

За інших умов можна одержати й інші вуглеводні.

У реакції з воднем вуглець є окисником.

При взаємодії з більшістю неметалів вуглець виявляє відновні властивості.

Графіт безпосередньо сполучається з фтором (з іншими галогенами не взаємодіє):

C + 2F2 = CF4

ВІДЕО: Взаємодія вуглецю з фтором

Переглянути відео

Так, при нагріванні на повітрі вугілля горить, утворюючи діоксид Карбону:

C + O2 = CO2

ВІДЕО: Горіння вугілля на повітрі

Переглянути відео

ВІДЕО: Горіння вуглецю в кисні

Переглянути відео

ВІДЕО: Горіння алмазу в кисні

Переглянути відео

При недостатньому доступі кисню повітря він частково згоряє до монооксиду Карбону CO, в якому вуглець двовалентний:

2C + O2 = 2CO

Коли через розжарене вугілля (900-1000°C) пропускати пари сірки, то утворюється сірковуглець:

C + 2S = CS2

ВІДЕО: Взаємодія вуглецю з сіркою

Переглянути відео

У результаті пропускання елктричного дугового розряду між двома графітовими електродами в атмосфері азоту утворюється ціан:

2C + N2 = (CN)2

Взаємодія з оксидами.

При високій температурі вугілля досить сильний відновник. Воно віднімає кисень від оксидів багатьох металів.

Наприклад прожарювання купрум(II) оксиду з вугіллям приведе до утворення міді та карбон(IV) оксиду:

2CuO + C = 2Cu + CO2

ВІДЕО: Відновлення міді із купрум(II) оксиду вуглецем

Переглянути відео

Завдяки цій властивості, вугілля широко застосовують у металургії для добування металів із руд.

Вуглець здатен також відновлювати силіцій з його оксиду при нагріванні:

SiO2 + 2C = Si + 2CO

При взаємодії вуглецю з оксидами, за високої температури, можуть утворюватись карбіди:

CaO + 3C = CaC2 + CO↑

ВІДЕО: Взаємодія кальцій оксиду з вуглецем

Переглянути відео

SiO2 + 3C = SiC + 2CO
2Al2O3 + 9C = Al4C3 + 6CO

Розжарений вуглець взаємодіє з водою:

C + H2O = CO↑ + H2

Взаємодія з кислотами-окисниками.

Вуглець стійкий до дії кислот і лугів. Лише концентрована нітратна та сульфатна кислоти за температури 100 °C окиснюють його до CO2:

C + 4HNO3 конц. = CO2 + 4NO2 + 2H2O

ВІДЕО: Взаємодія деревного вугілля з концентрованою нітратною кислотою

Переглянути відео

C + 2H2SO4 конц. = CO2 + 2SO2 + 2H2O

Взаємодія з солями.

Під час нагрівання з барій сульфатом вуглець відновлює сірку із ступеня окиснення +6 до -2:

BaSO4 + 4C = BaS + 4CO


Використання

У фармакології та медицині широко використовуються різні сполуки Карбону — похідні вугільної кислоти та карбонових кислот, різні гетероцикли, полімери та інші сполуки. Так, карболен (активоване вугілля), застосовується для абсорбції та виведення з організму різних токсинів; графіт (у вигляді мазей) — для лікування шкірних захворювань; радіоактивні ізотопи Карбону — для наукових досліджень (радіовуглецевий аналіз). Карбон є основою всіх органічних речовин. Будь-який живий організм складається в значній мірі з Карбону. Джерелом Карбону для живих організмів зазвичай є СО2 з атмосфери або води. У результаті фотосинтезу він потрапляє в біологічні харчові ланцюги, в яких живі істоти поїдають один одного або останки один одного і тим самим здобувають вуглець для будівництва власного тіла. Біологічний цикл Карбону закінчується або окисненням і поверненням в атмосферу, або похованням у вигляді вугілля або нафти.

Алмаз

Огранений алмаз (діамант) вже багато століть є найпопулярнішим і найдорожчим дорогоцінним каменем. У той час як ціна інших дорогоцінних каменів визначається модою і постійно міняється, алмаз залишається острівцем стабільності на бурхливому ринку коштовностей. В значній мірі таке стійке положення алмазу обумовлено високою монополізацією цього ринку. Фірма «Де Бірс», на частку якої припадає близько 50% світового видобутку, розробляє родовища Ботсвани, ПАР, Намібії та Танзанії. Переважна частина (за вартістю) природних алмазів використовується для виробництва діамантів.


Діаманти

Карат

Знамениті алмази

Виняткова твердість алмазу знаходить своє застосування в промисловості: його використовують для виготовлення ножів, свердел, різців і тому подібних виробів. Потреба в алмазі для промислового застосування змушує розширювати виробництво штучних алмазів. Останнім часом проблема вирішується за рахунок кластерного та іонно-плазмового напилення алмазних плівок на ріжучі поверхні. Алмазний порошок (як відходи при обробці природного алмазу, так і отриманий штучно) використовується як абразив для виготовлення ріжучих і точильних дисків, кругів і т. д.


Алмазний інструмент

Також застосовуються в квантових комп'ютерах, в годинниковій та ядерній промисловості.

Вкрай перспективним є розвиток мікроелектроніки на алмазних підкладках. Вже є готові вироби, що володіють високою термо- і радіаційною стійкістю. Також перспективним є використання алмазу, як активного елементу мікроелектроніки, особливо в потужнострумовій і високовольтній електроніці через велике значення величини пробивної напруги і високої теплопровідності.

Лонсдейліт (гексагональний алмаз)

Поки на практиці не використовується, оскільки виявлено мізерні кількості вуглецю в цій формі.

Графіт

Використання графіту засноване на ряді його унікальних властивостей.

Графен

Графен на даний час не має практичного використання, оскільки це порівняно новий матеріал. Проте, є перспективи його використання.

Перспективи виористання графену.

  1. Вважається, що на основі графену можна сконструювати балістичний транзистор. У березні 2006 року група дослідників з технологічного інституту штату Джорджія заявила, що ними був отриманий польовий транзистор на графені, а також квантово-інтерференційний прилад. Дослідники вважають, що завдяки їх досягненням незабаром з'явиться новий клас графенової наноелектроніки з базовою товщиною транзисторів до 10 нм. Цей транзистор володіє великим струмом витоку, тобто не можна розділити два стани із закритим і відкритим каналом.
  2. Використовувати безпосередньо графен при створенні польового транзистора без струмів витоку не є можливим через відсутність забороненої зони в цьому матеріалі, оскільки не можна домогтися істотної різниці в опорі при будь-яких прикладених напругах до затвора, тобто не виходить задати два стани, придатних для двійкової логіки: проводить і непроводить. Спочатку потрібно створити якимось чином заборонену зону достатньої ширини при робочій температурі (щоб термічно збуджені носії давали малий внесок у провідність). Один з можливих способів: створити тонкі смужки графену з такою шириною, щоб завдяки квантово-розмірному ефекту ширина забороненої зони була достатньою для переходу у діелектричний стан (закритий стан) приладу при кімнатній температурі (28 меВ відповідає ширині смужки 20 нм). Завдяки високій рухливості (мається на увазі, що рухливість вище, ніж в кремнії, використовуваному в мікроелектроніці) 104 см2·В-1·с-1 швидкодія такого транзистора буде помітно вищою. Незважаючи на те, що цей пристрій вже здатен працювати як транзистор, затвор до нього ще не створений.
  3. Інша область застосування полягає у використанні графена в якості дуже чутливого сенсора для виявлення окремих молекул хімічних речовин, приєднаних до поверхні плівки. Досліджувалися такі речовини, як NH3, CO, H2O, NO2. Сенсор розміром 1 мкм × 1 мкм використовувався для детектування приєднання окремих молекул NO2 до графену. Принцип дії цього сенсора полягає в тому, що різні молекули можуть виступати як донори чи акцептори електронів, що в свою чергу веде до зміни опору графену. Також теоретично досліджується вплив різних домішок (використаних в зазначеному вище експерименті) на провідність графену. А ще було показано, що молекула NO2 є гарним акцептором завдяки своїм парамагнітним властивостям, а діамагнітні молекули N2O4 створють рівень близький до точки електронейтральності. У загальному випадку домішки, молекули яких мають магнітний момент (неспарений електрон), володіють більш сильними легуючими властивостями.
  4. Ще одна перспективна область застосування графену — його використання для виготовлення електродів в іоністорах (суперконденсаторах) для використання їх як перезаряджувальних джерел струму. Дослідні зразки іоністорів на графені мають питому енергоємність 32 Вт·год/кг (для свинцево-кислотних акумуляторів — 30–40 Вт·год/кг).
  5. Нещодавно був створений новий тип світлодіодів на основі графену (LEC). Процес утилізації нових матеріалів екологічний при достатньо низькій ціні.
  6. У 2011 році в журналі Science була опублікована робота, де на основі графену пропонувалася схема двовимірного метаматеріалу (може бути затребуваний в оптиці та електроніці).

Фулерени

  1. Вірогідною областю використання фулеренів і, в першу чергу, C60 є оптичні затвори. Експериментально показана можливість застосування цього матеріалу для довжини хвилі 532 нм. Малий час відгуку дає шанс використовувати фулерени в якості обмежувачів лазерного випромінювання та модуляторів добротності. Однак, з ряду причин фулеренам важко конкурувати тут з традиційними матеріалами.
  2. Фулерен в якості матеріалу для напівпровідникової техніки. Молекулярний кристал фулерена є напівпровідником з шириною забороненої зони ~1.5 еВ та його властивості багато в чому аналогічні властивостям інших напівпровідників. Тому ряд досліджень був пов'язаний з питаннями використання фулеренів в якості нового матеріалу для традиційних приладів в електроніці: діод, транзистор, фотоелемент і т. п. Тут їх перевагою в порівнянні з традиційним силіцієм є малий час фотовідгуку (одиниці нс). Однак істотним недоліком виявилося вплив кисню на провідність плівок фулеренів і, отже, виникла необхідність в захисних покриттях. У цьому сенсі більш перспективно використовувати молекулу фулерену в якості самостійного нанорозмірного пристрою і, зокрема, підсилювального елемента.
  3. Фулерен як фоторезист. Під дією видимого (>2 еВ), ультрафіолетового та більш короткохвильового випромінювання фулерени полімеризуються і в такому вигляді не розчиняються в органічних розчинниках. В якості ілюстрації застосування фулеренового фоторезиста можна навести приклад отримання субмікронної роздільності (≈20 нм) при травленні силіцію електронним пучком з використанням маски з полімеризованої плівки C60.
  4. Фулеренові добавки для росту алмазних плівок методом CVD. Іншою цікавою можливістю практичного застосування є використання фулеренових добавок при вирощуванні алмазних плівок CVD-методом (Chemical Vapor Deposition). Введення фулеренів в газову фазу ефективно з двох точок зору: збільшення швидкості утворення алмазних ядер на підкладці і постачання будівельних блоків з газової фази на підкладку.
  5. Надпровідні сполуки з C60. Молекулярні кристали фулеренів — напівпровідники, однак на початку 1991 року було встановлено, що легування твердого C60 невеликою кількістю лужного металу призводить до утворення матеріалу з металевою провідністю, який при низьких температурах переходить в надпровідник. Легування C60 проводять шляхом обробки кристалів парами металу при температурах в декілька сотень градусів Цельсія. При цьому утворюється структура типу X3C60 (Х — атом лужного металу).
  6. Вплив малих добавок фулеренової сажі на антифрикційні та протизносні властивості ПТФЕ (політетрафлуоретилену). Слід зазначити, що присутність фулерену C60 в мінеральних мастилах ініціює на поверхнях контртіла утворення захисної Фулер-полімерної плівки товщиною — 100 нм. Утворена плівка захищає від термічної і окиснювальної деструкції, збільшує час життя вузлів тертя в аварійних ситуаціях в 3–8 разів, термостабільність мастил до 400–500 °C і несучу здатність вузлів тертя в 2–3 рази, розширює робочий інтервал тисків вузлів тертя в 1,5–2 рази, зменшує час припрацювання контртіла.
  7. Серед інших цікавих додатків слід зазначити акумулятори та електричні батареї, в яких так чи інакше використовуються добавки фулеренів. Основою цих акумуляторів є літієві катоди, містять інтеркальовані фулерени. Фулерени також можуть бути використані в якості добавок для отримання штучних алмазів методом високого тиску. При цьому вихід алмазів збільшується на ≈30%.
  8. Фулерени можуть бути також використані у фармакології для створення нових ліків. Так, в 2007 році були проведені дослідження, які показали, що ці речовини можуть виявитися перспективними для розробки протиалергічних засобів.

    Різні похідні фулеренів показали себе ефективними засобами в лікуванні вірусу імунодефіциту людини: білок, відповідальний за проникнення вірусу в кров'яні клітини — ВІЛ-1-протеаза, — має сферичну порожнину діаметром 10 Å, форма якої залишається постійною при всіх мутаціях. Такий розмір майже збігається з діаметром молекули фулерену. Синтезовано похідне фулерену, яке розчинне у воді. Воно блокує активний центр ВІЛ-протеази, без якої неможливе утворення нової вірусної частинки.

  9. Крім того, фулерени знайшли застосування в якості добавок в інтумесцентні (ті, що спучуються) вогнезахисні фарби. За рахунок введення фулеренів фарба під впливом температури при пожежі спучується, утворюється досить щільний пінококсовий шар, який у декілька разів збільшує час нагрівання до критичної температури захищуваних конструкцій.
  10. Також, фулерени та їх різні хімічні похідні використовуються в поєднанні з поліспряженими напівпровідними полімерами для виготовлення сонячних елементів.

Нанотрубки

Унікальні властивості нанотрубок обумовлюють їх перспективне використання в ряді галузей: як армуючих добавок в композиційних матеріалах, для одержання елетропровідних композиційних полімерів, як добавка в метали для одержання надпровідникових матеріалів, компонент холодних емісійних катодів в дисплеях, якісно нове джерело світла, напівпровідникові транзистори з p-n переходами, для виробництва особливих марок графіту, пористого графіту, сировина для виробництва теплоізоляційних матеріалів, як сорбент і сховище водню, як носій каталізаторів, для виготовлення вуглець-літієвих батарей і суперконденсаторів, як мікроелектрод, як мікрозонд і т. д. Надзвичайно продуктивними є хімічні і біологічні галузі застосування нанотрубок. Сфери, способи та можливості застосування нанотрубок численні і широкі. Навіть беручи до уваги те, що більша частина результатів останніх дослідів може бути невідома громадськості, вже зараз можна передбачити, що нанотрубки із часом стануть універсальним матеріалом для побудови багатьох об’єктів. Застосування нанотрубок можна розділити на кілька категорій за їх властивостями: 1) фізичні, наприклад, присадка до композитних матеріалів, що дозволяє створити із звичайного полімеру об’єкт із більшою міцністю і витривалістю, ніж із легованих сталей. Завдяки капілярним властивостям нанотрубок нині створюють ємкості для водню, що дозволяє у десятки разів збільшити їх об’ємну ємність; 2) фізико-хімічні — тут відкривається цілий пласт невідомих реакцій та процесів, із часом нанотрубки стануть основним структурним елементом в електроніці та техніці. Якщо глобально оцінювати застосування нанотрубок, то можна впевнено стверджувати, що ми стали свідками початку ще однієї технічної революції. В наступні десять років будуть створені нанороботи-репліканти, на основі нанотрубок та інших наноматеріалів. Головною метою їх створення є побудова інших роботів та структур із атомарною якістю. Важко осягнути всі можливості такої перспективи. Ми зможемо, наприклад, перемогти практично всі інфекційні, хронічні, генетичні хвороби, досить буде мати індивідуальну програму керування для нанороботів та один наноробот-реплікант. Він розмножить себе до достатньої кількості і згідно з програмою буде на молекулярному рівні відшукувати збудника хвороби і переробляти його, наприклад, на глікоген.

Можливі застосування нанотрубок.

Нановолокна

Нановолокна використовують як:

Астралени

Астралени розглядаються як перспективний наноматериал. Зараз вивчаються такі області застосування:

Скловуглець

Скловуглецеві електроди широко використовуються в електрохімії. Використовують скловуглецеві високотемпературні тиглі, які є стійкими до високих температур, але залишаються інертними по відношенню до більшості речовин. Таким чином, їх використовують для виробництва напівпровідників, таких як GaAs, а також для вирощування монокристалів. Скловуглець також можна використовувати в якості молекулярного сита. У медицині скловуглець використовують як матеріал для виготовлення протезів. Скловуглець використовується в металургії при електролізі розплавів солей.

Карбін

Завдяки властивостям цієї структури їй пророкують широке растосування у майбутньому в мікроелектроніці, оптиці, мікрохвильовій і електричній техніці, конструкціях джерел струму і в медицині. В усіх цих областях ключове значення має висока стабільність фізичних і хімічних властивостей. У зв'язку з цим викликає інтерес зміна поверхні карбіну в атмосфері повітря протягом декількох років, що пройшли після синтезу, а також його модифікація в умовах надвисокого вакууму. Електропровідність карбіну помітно зростає при освітленні. На цьому засновані перші практичні кроки по використанню нового матеріалу у техніці. Карбінові фотоелементи надійні аж до 500 °C, перевершуючи інші подібні прилади.

Аморфний вуглець

Активоване вугілля.

Деревне вугілля.

Деревне вугілля використовується з давніх часів для різних цілей, включаючи мистецтво і медицину, але на сьогоднішній день найважливішим є використання в якості металургійного палива. Вугілля є традиційним паливом в кузні та інших галузях, де потрібен сильний жар. Подрібнене деревне вугілля також використовувалось в якості джерела вуглецю. У такому вигляді вугілля було важливим для ранніх хіміків і було складовою частиною для сумішей, таких як порох. Завдяки своїй високій площі поверхні деревне вугілля може бути використане у якості фільтра, в якості каталізатора або в якості адсорбенту.

Антрацит.

Антрацит широко застосовується як високоякісне енергетичне паливо, а також як сировина у чорній (використовують так званий термічний антрацит, який одержують шляхом прожарювання антрациту особливого ґатунку в шахтних печах при температурі до 1350 °C) та кольоровій металургії, хімічній та електротехнічній промисловості тощо. Антрацит — вуглецева сировина при виготовленні абразивів, відновлювачів, електродів.

Кам'яне вугілля.

Кам'яне вугілля використовується як технологічна, енерго-технологічна і енергетична сировина, при виробництві коксу і напівкоксу з отриманням великої кількості хімічних продуктів (нафталін, феноли, пек тощо), на основі яких одержують добрива, пластмаси, синтетичні волокна, лаки, фарби і т. і. Один з найперспективніших напрямів використання кам'яного вугілля — скраплення (зрідження) — гідрогенізація вугілля з отриманням рідкого палива. При переробці кам'яного вугілля отримують також: активне вугілля, штучний графіт і т. д.; в промислових масштабах вилучається ванадій, германій і сірка; розроблені методи отримання галію, молібдену, цинку, свинцю. Існують різні схеми неенергетичного використання кам'яного вугілля на основі термохімічної, хімічної та іншої переробки з метою їх повного комплексного використання і забезпечення охорони довкілля.

Буре вугілля.

Як паливо буре вугілля використовується значно менше, ніж кам'яне вугілля, проте через низьку вартість в дрібних і приватних котельнях воно більш популярне і займає іноді до 80%. Використовується для пилоподібного спалювання (при зберіганні буре вугілля висихає і розсипається), іноді повністю. На невеликих провінційних ТЕЦ воно також нерідко спалюється для одержання тепла. Однак в Греції і особливо в Німеччині буре вугілля використовується в парових електростанціях, виробляючи до 50% електроенергії в Греції і 24,6% у Німеччині. З великою швидкістю поширюється отримання рідких вуглеводневих палив з бурого вугілля перегонкою. Після перегонки залишок годиться для отримання сажі. З нього витягують горючий газ, отримують вуглелужні реагенти та монтан-віск (гірський віск).

Кам'яновугільний кокс.

Кокс кам'яновугільний застосовують для виплавки чавуну (доменний кокс) як високоякісне бездимне паливо, відновник залізної руди, розпушувач шихтових матеріалів. Кокс кам'яновугільний використовують також, як ваграночне паливо в ливарному виробництві (ливарний кокс), для побутових цілей (побутовий кокс), в хімічній і феросплавній галузях промисловості (спеціальні види коксу). Доменний кокс повинен мати розміри шматків не менше 25–40 мм при обмеженому вмісті шматків менше 25 мм (не більше 3%) і більше 80 мм. Ливарний кокс за розмірами шматків крупніше доменного; найбільш придатний продукт, в якому присутні шматки менше 60–80 мм. Головна відмінність ливарного коксу від доменного — малий вміст S, який не повинен перевищувати 1% (в доменному коксі до 2%). У промисловості феросплавів використовують дрібний кокс (наприклад, фракцію 10–25 мм), при цьому на відміну від доменного і ливарного виробництв воліють застосовувати продукт з великою реакційною здатністю. Вимоги по міцності до побутового коксу менш жорсткі, ніж до доменного і ливарного. У всіх виробництвах краща сировина — найбільш міцний малозольний і малосірчистий кокс, що містить невелику кількість дрібних фракцій.

Нафтовий кокс.

Застосовується: у виробництві анодів для виплавки алюмінію, спеціальних графітованих електродів для одержання електролітичної сталі, корозієстійкої апаратури, відновник при отриманні феросплавів тощо.

Пековий кокс.

Застосовується: для виготовлення анодної маси, обпалених анодів та інших цілей. Кольорова металургія є споживачем малозольного пекового коксу.

Торф'яний кокс.

Застосовується: як сорбент (в асенізації, цукровому і винокурному виробництвах), в ковальській справі для зварювання і поковки металу, для виплавки чавуну в домнах, при виготовленні феросплавів, як сировина для агломерації залізних руд.

Напівкокс.

Напівкокс використовують як легкозаймисте бездимне тверде паливо, у промисловості та побуті.

Сажа.

Сажа застосовується в якості підсилюючого компонента у виробництві гум та інших пластичних мас. Близько 70% всієї виробленої сажі використовується у виробництві шин, близько 20% у виробництві гумово-технічних виробів. Інша кількість знаходить застосування в якості чорного пігменту (наприклад: друкарська фарба, туш для малювання); сповільнювача «старіння» пластмас; компонента, що надає пластмасам спеціальні властивості: (електропровідність, здатність поглинати ультрафіолетове випромінювання, випромінювання радарів).

Нанобруньки

Такі властивості, як хімічна активність, гарне розсіювання і змінна ширина забороненої зони визначають широке застосування нанобруньок. У ряді теоретичних робіт також зазначається існування магнетизму в нанобруньок.

Вуглецева нанопіна

Завдяки дуже маленькій густині (2÷10 мг/см3) і великій площі поверхні (300÷400 м2/г), вуглецева нанопіна може бути використана для зберігання водню в паливних комірках. Напівпровідникові властивості нанопіни можуть бути використані в електроніці. Хімічна нейтральність і стійкість нанопіни відкриває широкі можливості застосування нанопіни в медицині: магнітні властивості нанопіни дозволяють вводити її в кровотік і відстежувати перебіг крові в найдрібніших капілярах за допомогою магнітно-резонансної томографії; оскільки нанопіна добре поглинає інфрачервоне випромінювання, то ввівши її в пухлину можна було б знищити останню, опромінюючи інфрачервоним світлом, оскільки нанопіна нагрівалася б набагато сильніше, ніж сусідні, здорові тканини.



Біологічна роль та фізіологічна дія

Сполуки Карбону є основою всіх рослинних і тваринних організмів. Забезпечуючи життя, Карбон здійснює в природі постійний кругообіг, який називають Карбоновим циклом. У складі вуглекислого газу Карбон присутній в атмосфері Землі, а також у розчиненому вигляді у воді. Живі організми засвоюють його з атмосфери чи води завдяки процесу, який має назву фіксація Карбону. Інші організми, нездатні засвоювати Карбон безпосередньо, отримують його через харчові ланцюжки. Карбон частково повертається в атмосферу у вигляді вуглекислого газу як продукт дихання або горіння, однак частина Карбону йде на утворення метану й карбонатів, наприклад кальцій карбонату. Залишки загиблих організмів входять зрештою до осадових порід, кам'яного вугілля, нафти, природного газу. Карбон повертається в атмосферу в процесі довготривалого геологічного колообігу як наслідок дегазації порід, вулканічної діяльності тощо. Частково збільшення концентрації вуглекислого газу в атмосфері Землі зумовлене діяльністю людини — використанням викопного палива для отримання енергії.

Високий вміст вуглецю в атмосферних аерозолях веде до підвищення захворюваності населення, особливо верхніх дихальних шляхів і легень. Професійні захворювання — в основному антракоз і пиловий бронхіт. Токсична дія 14C у складі молекул білків (особливо в ДНК і РНК), визначається його радіоактивним розпадом із випромінюванням β-частинок (14C (β) → 14N), що призводить до зміни хімічного складу молекули.



Список використаних джерел

СПИСОК ДЖЕРЕЛ.