Реферат по дисциплине: «Химия» на тему: «Многоликий углерод» (стр. 3 )

3.3 Области применения графита.

Графит используют в металлургии для изготовления плавильных тиглей и лодочек, труб, испарителей, кристаллизаторов, футеровочных плит, чехлов для термопар, в качестве противопригарной "присыпки" и смазки литейных форм. Он также служит для изготовления электродов и нагревательных элементов электрических печей, скользящих контактов для электрических машин, анодов и сеток в ртутных выпрямителях, самосмазывающихся подшипников и колец электромашин (в виде смеси с Al, Mg и Pb под назв. "графаллой"), вкладышей для подшипников скольжения, втулок для поршневых штоков, уплотнительных колец для насосов и компрессоров, как смазка для нагретых частей машин и установок. Его используют в атомной технике в виде блоков, втулок, колец в реакторах, как замедлитель тепловых нейтронов и конструкционный материал (для этих целей применяют чистый графит с содержанием примесей не более 10-2% по массе), в ракетной технике - для изготовления сопел ракетных двигателей, деталей внешней и внутренней теплозащиты и др., в химической машиностроении - для изготовления теплообменников, трубопроводов, запорной арматуры, деталей центробежных насосов и др. для работы с активными средами. Графит используют также как наполнитель пластмасс, компонент составов для изготовления стержней для карандашей, при получении алмазов. Пирографит наносится в виде покрытия на частицы ядерного топлива.

4. Карбин

4.1 История открытия

До начала 60-х гг. ХХ в. общепринятым было считать, что существует лишь две формы кристаллического углерода – алмаз и графит, широко распространенные в природе и известные человечеству с древнейших времен. Многие исследователи выражали недоумение и считали несколько нелогичным, что существование элемента с самой богатой химией ограничивается лишь двумя аллотропными модификациями.

Алмаз – трехмерная (пространственная) форма углерода – образован атомами углерода в состоянии sp3-гибридизации (рис. 3, а). В графите – двумерной (плоскостной) форме – все атомы углерода находятся в состоянии sp2-гибридизации (рис. 3, б). Естественно было предположить, что должна существовать еще одна аллотропная форма углерода – цепочечная (линейная) – с sp-гибридизованным атомом углерода (рис. 3, в). Эта проблема долгое время привлекала внимание ученых – как теоретиков, так и практиков.

Рис. 3. Схематическое изображение трех основных форм углерода: а – пространственной (алмаз); б – плоскостной (графит); в – цепочечной (- и -карбин)

Вопрос о возможности существования форм углерода с sp-гибридизацией атомов неоднократно рассматривался теоретически. Еще в 1885 г. немецкий химик А. Байер пытался синтезировать цепочечный углерод из производных ацетилена ступенчатым методом. Однако попытка Байера получить полиин оказалась неудачной, он получил углеводород, состоящий из четырех молекул ацетилена, соединенных в цепочку, и оказавшийся чрезвычайно неустойчивым.

В 1959–1960 гг. в лаборатории высокомолекулярных соединений ИНЭОС, возглавляемой академиком Коршаком, проводились систематические исследования реакции окислительного сочетания диацетиленовых соединений. Было установлено, что в присутствии солей двухвалентной меди эта реакция может быть проведена с любыми диацетиленовыми соединениями с образованием полимеров, элементарное звено которых сохраняет углеродный скелет исходного диацетилена. При этом сначала образуются полимерные полиацетилениды Cu(I). Этот вариант реакции окислительного сочетания был назван окислительной дегидрополиконденсацией.

Ученые предположили, что в качестве мономера для такой поликонденсации можно взять и ацетилен. Действительно, при пропускании ацетилена в водно-аммиачный раствор соли Cu(II) быстро выпадал черный осадок. Именно этот путь привел , , и (фото) к открытию линейной формы углерода, которую они, по предложению Сладкова, назвали «карбин» * (от лат. carboneum (углерод) с окончанием «ин», принятым в органической химии для обозначения ацетиленовой связи).

В 1968 г. (аспирантка Сладкова) встречным синтезом (восстановлением полимерного гликоля) получила новый линейный полимер углерода с кумуленовыми связями, его назвали поликумулен. Доказательством такого строения стал тот факт, что при озонировании поликумулена получается только диоксид углерода:

Итак, были получены две формы линейного углерода: полииновая (–СС–)n, или б-карбин, и поликумуленовая (=С=С=)n, или в-карбин. Авторами открытия было проведено детальное исследование структуры карбина различными методами, изучены его термодинамические и электрофизические свойства.

Самое парадоксальное в этой истории то, что существование карбина, который в лаборатории можно было увидеть, потрогать, провести с ним опыты, официально не признавалось до обнаружения его в природе в конце 1960-х гг. Официальное признание сделанного открытия затянулось: заявка на способ получения карбина была зарегистрирована как открытие с приоритетом от 4 ноября 1960 г. лишь 7 декабря 1971 г. Одиннадцать лет потребовалось, чтобы сломить недоверие к открытию, опровергающему мировые авторитеты! Но до сих пор имена ученых, впервые экспериментально доказавших возможность существования иной формы углерода, помимо алмаза и графита, не упоминаются в школьных учебниках.

4.2 Свойства карбина

Карбин получается в виде волокон, порошка, пленок с разнообразной структурой: длинные неупорядоченные цепи, аморфный и квазиаморфный материал с микрокристаллическими включениями, послойно ориентированные цепочки. Частицы кристаллического карбина имеют совершенную огранку и пластинчатую форму кристаллов, бывают частицы в виде волокон длиной порядка 9,5 мм. При конденсации карбина на подложках получены слои, в которых линейные цепочки углерода ориентированы преимущественно нормально относительно подложки.

Внешне он выглядит как черный мелкокристаллический порошок, плотность его, по данным разных авторов, изменяется от 1,9 до 3,30 г/см3.

Карбин – полупроводник n-типа (с шириной запрещенной зоны 1–2 эВ). Он восполняет недостающее звено в спектре углеродных материалов: алмаз – диэлектрик, графит – проводник.

У карбина обнаружены фотоэлектрические свойства: под действием света электропроводность карбина сильно увеличивается. На этом свойстве основано первое практическое применение карбина – в фотоэлементах. Важно, что карбин не утрачивает фотопроводимости даже при температуре до 500 °C, которая намного больше, чем у других материалов того же назначения.

Средняя теплота сгорания карбина значительно меньше по сравнению с графитом и алмазом. По мнению Коршака с соавторами, карбин более термодинамически устойчив, чем графит.

Кристалл линейно-цепочечного углерода должен обладать уникальными свойствами: большой твердостью, одномерной проводимостью (солитонного типа), возможностью легирования, ферромагнетизмом и, возможно, высокотемпературной сверхпроводимостью.

4.3 Применения карбина

Сладков писал: «В настоящее время трудно говорить о возможных путях применения карбина, так как пока не найден способ получения монокристаллического карбина в большом количестве. Можно ожидать повышенных механических прочностных свойств у изделий, полученных на основе карбина… Карбин, полученный в форме бездефектных нитевидных кристаллов, должен быть наиболее прочным из всех известных материалов».

Карбин и карбиноподобные вещества – удивительные технологические материалы. Благодаря комплексу уникальных физических и химических свойств, известных к настоящему времени и не проявляющихся у графита и алмаза, они могут широко использоваться в различных областях, включая микроэлектронику на моноуглеродной основе, термоядерный синтез, технологии получения чистых алмазов без металлических примесей.

С учетом высокой биологической совместимости и нетоксичности карбина особенно важное значение приобретает его применение в медицинских технологиях.

Сладков с группой сотрудников разработал технологию волокна «Витлан» с карбиновым покрытием, из которого были созданы протезы кровеносных сосудов, прочных, эластичных, нетоксичных, с высокими тромборезистивными свойствами.

Работы по применению карбина для медицинских целей успешно продолжались в дальнейшем. Карбиноподобный углерод, а также алмазоподобные углеродные пленки, содержащие структурные элементы карбина, нашли приложение при изготовлении неотторгающихся прочных шовных нитей, для покрытия трущихся поверхностей искусственных суставов, а совсем недавно его начали применять и в офтальмологии. Перспективно его применение в урологии и стоматологии.

Углеродные волокна получают термической обработкой полимерных волокон в среде благородных газов. Это сверхпрочные нити, обладающие проводниковыми свойствами. Из них в настоящее время изготовляют пуленепробиваемые жилеты, конструкционные элементы самолетов, ракет, сами ракетные двигатели, костюмы, обогреваемые электричество

Карбин уже нашел применение в электронике, космонавтике, авиации и медицине. Перспективно его применение в оптике, микроволновой и электрической технологиях, в конструкциях источников тока и пр. Во всех этих областях ключевое значение имеет высокая стабильность материала.

5. Фуллерен

5.1 История открытия

Еще в шестидесятые годы некоторые, особо дальновидные исследователи, обратили внимание на то, что углерод может образовывать не только плоские, но и вогнутые поверхности. Оказалось что еще в 1966 году научный обозреватель Джонс (Jones) предположил, что при высокотемпературном синтезе графита за счет введения атомов или фрагментов, заставляющих графитовую поверхность отклоняться от плоскости, могут образовываться углеродные сфероиды, полые внутри. В 1970 году Осава (Osawa) в Японии теоретически построил молекулу С60 в виде усеченного икосаэдра и предсказал ее высокую стабильность. И наконец, в 1973 году советские химики Бочвар и Гальперн провели первые квантово-химические расчеты таких гипотетических структур - замкнутого полиэдра С60, который показал, что подобная структура углерода имеет закрытую электронную оболочку и высокую энергию стабилизации. Все эти работы были неизвестны широкому кругу ученых вплоть до второй половины 1980-х годов, пока не получили экспериментального подтверждения.