<<   <   1   2   3   4   5   >   >>

КАРБОН

Carboneum

6 Карбон
C 12,011
[He]2s22p2

 

 

 

 

 

 

 

Алотропія та ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ.

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

     sp3 форми:
         алмаз
         лонсдейліт (гексагональний алмаз)
     sp2 форми
         графіт
         графен
         фулерени
         нанотрубки

         нановолокна
         астралени
         скловуглець
     sp форми
         карбін
     Змішані sp3/sp2 форми
         аморфний вуглець
         нанобруньки
         вуглецева нанопіна
     Інші форми:

        

C1

(атомарний вуглець)

C2

(дивуглець)

C3

(тривуглець)


 

АЛМАЗ

Алмаз. Crater of Diamonds, Арканзас, США. Найменший кристал 2 мм.

(Фото: R.Weller/Cochise College. Джерело: http://skywalker.cochise.edu/wellerr/mineral/diamond/diamond4.htm.)

 

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.

Форма зерен. 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 дуже крупні 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 А. 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 мікроскопіч. включеннями графіту, інш. 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 своєрідної 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. Колір чорний.

Лонсдейліт і алмаз мають тетраедричну геометрію електронних орбіталей атомів Карбону, яка утворюється при зміщенні одного s- і трьох р-елементів (sp3-гібридизації). Атом Карбону знаходиться в центрі тетраедра і пов'язаний чотирма зв'язками з атомами Карбону, або іншими 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 лонсдейліта атоми другої координаційної сфері утворюють так званий гексагональний кубооктаедр, який утворюється з архімедового обертання його нижньої половини на 180º.

 

Координаційні багатогранники:

а - гексагональний кубооктаедр, б - кубічний (архімедів) кубооктаедр.

 

Для того, щоб атоми вуглецю мали однакове оточення в перших двох координаційних сферах, вони утворять одну з цих структур і будуть утворюватися монокристали. Якщо атоми вуглецю можуть побудувати зв'язки лише в першій координаційній сфері (тобто утворити тільки правильні тетраедри), то можуть виникнути змішані структури, в яких шари алмаза будуть перемежатися зі шарами лонсдейліту. Це має місце, наприклад, в так званих двійниках, в яких два кристали алмаза з'єднані між собою по шару 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. Коефіцієнта 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 являє собою гексагональну кристалічну решітку.

 

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 вуглецю у формулі фулерена повністю виконується. 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 вуглецю 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 С60, 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 порівняна з твердістю алмазу: 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 подовжніх 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 розрізняються 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 вуглецьвмісних газів (СН4, С2Н4, С2Н2, СО, парів С6Н6 і т.д.) на каталітично активних поверхнях металів (Fe, Co, Ni тощо) при температурах 300 – 1500 °С. 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 вуглецю.

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:

  • прямі (ахіральні) нанотрубки

    • «крісло» (armchair) n=m

    • зигзагоподібні (zigzag) m=0 або n=0

  • спіральні (хіральні) нанотрубки

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 can 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 являють собою 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 чашеподобнимі графенових 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'ятикутнї 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 вічками.

У чистому вигляді це собою порошок з насипною щільністю 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 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, крайня корозійну стійкість і непроникність для газів і рідин, не змочуваність, високу твердість і жорсткість, низьку щільність, 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 вуглецевих атомів. Складається з вуглецевих фрагментів з потрійними -С≡С-С≡С-, або подвійними 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 вуглецевому 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 вуглецю. У нижньому шарі ланцюжки щільно упаковані і розташовані в центрі і по кутах гексагону, 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 фулерени. Наприклад, механічні властивості та електропровідність нанобруньок аналогічні відповідним властивостям нанотрубок.

 

ВУГЛЕЦЕВА НАНОПІНА

Нанопіна складається з вуглецевих кластерів низької щільності, 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 через п'ятикутних включень. Великомасштабна структура вуглецевої нанопіни подібна з аерогелем, але її густина в 100 разів менше 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 являє собою 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 К (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 утворюються 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 являє собою 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.

ВІДНОВНІ ВЛАСТИВОСТІ

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

C + 2F2 = CF4

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

C + O2 = CO2

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

2C + O2 = 2CO

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

C + 2S = CS2

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

2C + N2 = (CN)2

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

2CuO + C = 2Cu + CO2

Через цю здатність, 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

SiO2 + 3C = SiC + 2CO

2Al2O3 + 9C = Al4C3 +6CO

Розжарений вуглець взаємодіє з водою:

C + H2O = CO↑ + H2

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

BaSO4 + 4C = BaS + 4CO

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

C + 2H2SO4 конц. = CO2 + 2SO2 + 2H2O

ОКИСНІ ВЛАСТИВОСТІ

Під час взаємодії графіту з металами утворюються карбіди:

Ca + 2C = CaC2

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

C + 2H2 = CH4

За інших умов можна одержати й інші вуглеводні.

 

<<   <   1   2   3   4   5   >   >>