Реферат по дисциплине: «Химия» на тему: «Многоликий углерод» (стр. 2 )

Способность алмаза гореть была предугадана великим английским физиком Исааком Ньютоном на том основании, что показатели преломления скипидара, камфары и алмаза одинаковы. Он считал, что алмаз может быть «сгустившимся маслообразным веществом». Впервые он был ссожен в 1694г итальянскими учеными. В 1766г. Дарсе установил, что если алмаз сильно нагревать в закрытом тигле, то он останется неизменным. Лавуазье, сжигая алмаз и древесный уголь, установил, что оба эти вещества дают один и тот же углекислый газ. Исходя из этого, Лавуазье пришел к выводу, что алмаз и уголь имеют одно и то же «основание», названное углеродом.

2.3 Первые попытки получения синтетических алмазов.

В 1694 году итальянские учёные Дж. Аверани и К.-А. Тарджони при попытке сплавить несколько мелких алмазов в один крупный обнаружили, что при сильном нагревании алмаз сгорает, как уголь. В1772 году Антуан Лавуазье установил, что при сгорании алмаза образуется диоксид углерода. В 1814 году Гемфри Дэви и Майкл Фарадей окончательно доказали, что алмаз является химическим родственником угля и графита.

Открытие натолкнуло учёных на мысль о возможности искусственного создания алмаза. Первая попытка синтеза алмаза была предпринята в1823 году основателем Харьковского университета Василием Каразиным, который при сухой перегонке древесины при сильном нагреве получил твёрдые кристаллы неизвестного вещества. В 1893 году профессор при быстром охлаждении расплавленного серебра, насыщенного углеродом, также получил кристаллы, царапавшие стекло и корунд. Его опыт был успешно повторён Анри Муассаном, заменившим серебро на железо. Позже было установлено, что в этих опытах синтезировался не алмаз, а карбид кремния, который имеет очень близкие к алмазу свойства.

В 1879 году шотландский химик Джеймс Хэнней обнаружил, что при взаимодействии щелочных металлов с органическими соединениями происходит выделение углерода в виде чешуек графита и предположил, что при проведении подобных реакций в условиях высокого давления углерод может кристаллизоваться в форме алмаза. После ряда экспериментов, в которых смесь парафина, костяного масла и лития длительное время выдерживалась в запаянной нагретой до красного каления стальной трубе, ему удалось получить несколько кристаллов, которые после независимого исследования были признаны алмазами. В научном мире его открытие не было признано, так как считалось, что алмаз не может образовываться при столь низких давлениях и температурах. Повторное исследование образцов Хэннея, проведённое в 1943 году с применением рентгеновского анализа, подтвердило, что полученные кристаллы являются алмазами, однако профессор К. Лонсдейл, проводивший анализ, вновь заявил, что эксперименты Хэннея являются мистификацией [12].

2.4 Получение

В 1961 году появились первые публикации фирмы «Du pont» о реализации идей получения алмаза путём прямого фазового перехода из графита. Синтез производился с использованием энергии взрыва.

В настоящее время существует крупное промышленное производство синтетических алмазов, которое обеспечивает потребности в абразивных материалах. Для синтеза используется несколько способов. Один из них состоит в подготовке высокоуглеродистого сплава никель-марганец и его охлаждении под давлением в формах из твердого сплава (типа ВК). Выкристаллизовавшиеся мелкие алмазы отделяют после растворения металлической матрицы в смеси кислот.

Современные способы получения алмазов используют газовую среду состоящую из 95 % водорода и 5 % углесодержащего газа (пропана, ацетилена), а также высокочастотную плазму, сконцентрированную на подложке, где образуется сам алмаз. Температура газа от 700—850 градусов при давлении в тридцать раз меньше атмосферного. В зависимости от технологии синтеза, скорость роста алмазов от 7 микрон/час до 3 микрон/минута на подложке. Гидротермальный способ наращивания и роста алмазов использует смесь азотной, серной и уксусной кислот, а также графита при оптимальной температуре 50 градусов и атмосферном давлении.

Алмаз уже многие столетия является популярнейшим и дорогим драгоценным камнем. В то время как цена других драгоценных камней определяется модой и постоянно меняется, алмаз остаётся островком стабильности на бурном рынке драгоценностей. В значительной степени такое устойчивое положение алмаза обусловлено высокой монополизацией этого рынка.

2.5 Области применения алмазов

Алмазы делят на ювелирные и технические. Ювелирные алмазы применяют для огранки в бриллианты.

К техническим относятся темноцветные кристаллы, имеющие трещины и другие дефекты, а также различные осколки, двойники, сростки и т. д., из которых невозможно изготовить ограненный кристалл. В зависимости от качества и назначения технические алмазы можно условно разделить на следующие группы:

- алмазы, подвергающиеся обработке с целью получения зерен определенной геометрической формы. К ним относятся алмазы, предназначенные для изготовления резцов, сверл, наконечников, стеклорезов, подшипников и др.;

- кристаллы алмазов, используемые в необработанном виде в буровых коронках, алмазно-металлических карандашах и др.;

- абразивные алмазы – в основном мелкие кристаллы, имеющие значительные дефекты и пригодные только для измельчения в порошок.

Алмазные порошки незаменимы при обработке сверхминиатюрных деталей, таких как часовые камни из рубина, подшипники из топаза, берилла и сапфира, твердость которых приближается к твердости корунда. Только применение алмазных порошков обеспечивает высокую чистоту обрабатываемых микроповерхностей, от чего зависит точность работы микродеталей в аппаратах и приборах.

Для резания твердых пород, сплавов и других твердых материалов промышленностью выпускаются алмазные диски и различные алмазные пилы, в которых используют алмазные порошки.  Распространены абразивные алмазные инструменты в оправке, которые широко применяются в металлообрабатывающей промышленности для правки шлифовальных кругов. Используются также алмазно-металлические карандаши, представляющие собой прессованные вставки из алмазного порошка твердого сплава.

Резцы, иглы, стеклорезы, фильеры (пластинчатые алмазы с просверленными в них тончайшими отверстиями) и другой инструмент изготавливаются из отдельных кристаллов алмаза или их частей. Алмазные иглы – это кристаллы алмазов с естественной острой вершиной или осколки с острым ребром, закрепленные в металлических стержнях. Алмазные иглы широко применяются для изготовления метчиков на резьбошлифовальных станках. Алмазные иглы конической формы со сферической головкой используют в профилометрах и профилографах, которые служат для измерения мельчайших неровностей и чистоты поверхности различных деталей. Широко применяются алмазы для изготовления фильер при производстве проволоки из твердых материалов, особенно малых диаметров для нужд электроники.

Алмазный породоразрушающий инструмент. Применение алмазов для армирования буровых коронок позволило повысить производительность буровых установок в 1,5-2 раза по сравнению с неалмазным бурением.

Алмаз – прекрасный оптический материал для всевозможного рода кювет и окошек, способный выдерживать высокие давления и натиск веществ любой степени агрессивности и быть одновременно прозрачным в широком диапазоне длин волн.

Алмазная подложка полупроводниковых схем, обеспечивая их прекрасную изоляцию, отводит тепло в несколько раз быстрее, чем, например, медь, существенно повышая эффективность работы ответственных узлов электронных схем. Возможность с помощью алмазов считать ядерные частицы в условиях агрессивных сред и высоких механических нагрузок, алмаз используется в специальных счетчиках.

3. Графит

3.1 История открытия графита

Залежи графита были обнаружены в 1565г в графстве Кемберленд (Англия). Долгое время его считали веществом, содержащим свинец и называли «рисовальным свинцом». Кемберленский графит почти сразу стали использовать для производства карандашей, изготовление которых сводилось к распиловке кусков графита на тоненькие палочки, вправляемые в дерево или тростник. В XVIIIв. Месторождения графита были открыты в Германии, Италии, Моравии и других странах Европы. К тому времени залежи Кемберленда в значительной степени были истощены и в начале XVIIIв центр карандашного производства передвинулся в Германию. Особенный расцвет его произошел после 1795г. Когда было использовано изобретение француза Н. Конте, предложившего смешивать графитный порошок с глиной на воде.

3.2 Строение графита

Плоские полимерные слои графита составлены из атомов с sp2 – гибридизацией валентных электронов. Атомы их связаны с тремя соседними 3 сигма и пи – связями.

Графит – мягкое черное вещество из легко слоящихся кристалликов, отличающееся хорошей электропроводностью (электрическое сопротивление 0,0014 Ом/см). Поэтому графит применяется в дуговых лампах и печах (рис. 3), в которых необходимо создавать высокие температуры. Графит высокой чистоты применяют в ядерных реакторах в качестве замедлителя нейтронов. Температура плавления его при повышенном давлении равна 3527° C. При обычном давлении графит сублимируется (переходит из твердого состояния в газ) при 3780° C.

Рис.2 Строение графита

Структура графита представляет собой систему конденсированных гексагональных колец с длиной связи 1,42 Е (значительно короче, чем в алмазе). Но при этом каждый атом углерода имеет три (а не четыре, как в алмазе) ковалентные связи с тремя соседями, а четвертая связь (3,4 Е) слишком длинная для ковалентной связи и слабо связывает параллельно уложенные слои графита между собой. Именно четвертый электрон углерода определяет тепло - и электропроводность графита – эта более длинная и менее прочная связь формирует меньшую компактность графита, что отражается в меньшей твердости его в сравнении с алмазом (плотность графита 2,26 г/см3, алмаза – 3,51 г/см3). По той же причине графит скользкий на ощупь и легко отделяет чешуйки вещества, что и используется для изготовления смазки и грифелей карандашей. Свинцовый блеск грифеля объясняется в основном наличием графита. Волокна углерода имеют высокую прочность и могут использоваться для изготовления искусственного шелка или другой пряжи с высоким содержанием углерода. При высоких давлении и температуре в присутствии катализатора, например железа, графит может превращаться в алмаз. Этот процесс реализован для промышленного получения искусственных алмазов. Кристаллы алмаза растут на поверхности катализатора. Равновесие графит - алмаз существует при 15 000 атм и 300 K или при 4000 атм и 1500 K. Искусственные алмазы можно получать и из углеводородов.