Войти
Два аллотропа углерода: графит и алмаз. Материалы, сделанные только из углерода 
Восемь аллотропов углерод : a) алмаз, b) графит, c) лонсдейлит, d) C 60бакминстерфуллерен, e) C 540, фуллерит f) C70, g) аморфный углерод, h) зигзагообразная одностенная углеродная нанотрубка. Отсутствуют: циклоуглерод, углеродные нанопочки, шварциты, стеклоуглерод и линейный ацетиленовый углерод (карбин) Углерод способен образовывать множество аллотропов (структурно различных форм одного и того же элемента) благодаря своей валентности. Хорошо известные формы углерода включают алмаз и графит. В последние десятилетия было обнаружено и исследовано гораздо больше аллотропов, включая формы шара, такие как бакминстерфуллерен, и такие листы, как графен. Более крупномасштабные структуры углерода включают нанотрубки, нанопучки и наноленты. Другие необычные формы углерода существуют при очень высоких температурах или экстремальных давлениях. Согласно Самарской базе данных углеродных аллотропов (SACADA), в настоящее время известно около 500 гипотетических трехпериодических аллотропов углерода.
Алмаз - хорошо известный аллотроп углерода. Твердость и высокая дисперсия света алмаза делают его полезным как для промышленного применения, так и для ювелирных изделий. Алмаз - самый твердый из известных природных минералов. Это делает его отличным абразивом и очень хорошо сохраняет полировку и блеск. Ни одно известное природное вещество не может разрезать (или даже поцарапать) алмаз, кроме другого алмаза.
Рынок промышленных алмазов работает совершенно иначе, чем его рынок драгоценных камней. Промышленные алмазы ценятся в основном за их твердость и теплопроводность, поэтому многие из геммологических характеристик алмаза, включая чистоту и цвет, в основном не имеют значения. Это помогает объяснить, почему 80% добываемых алмазов (около 100 миллионов каратов или 20 тонн ежегодно) непригодны для использования в качестве драгоценных камней и, известные как борт, предназначены для промышленного использования. Помимо добытых алмазов, синтетические алмазы нашли промышленное применение почти сразу после их изобретения в 1950-х годах; еще 400 миллионов каратов (80 тонн) синтетических алмазов ежегодно производится для промышленного использования, что почти в четыре раза превышает массу природных алмазов, добытых за тот же период.
Основное промышленное использование алмаза - резка, сверление (сверла ), шлифование (алмазные резцы) и полировка. Большинство применений алмазов в этих технологиях не требуют больших алмазов; на самом деле, большинство алмазов не ювелирного качества могут найти промышленное применение. Алмазы встроены в наконечники сверл или пильных дисков или измельчены в порошок для использования при шлифовании и полировке (из-за его необычайной твердости). Специализированные применения включают использование в лабораториях в качестве защитной оболочки для экспериментов с высоким давлением (см. алмазная наковальня ), высокопроизводительные подшипники и ограниченное использование в специализированных окнах технических устройств..
В связи с постоянным прогрессом, достигнутым в производстве синтетических алмазов, становится возможным применение в будущем. Большой интерес вызывает возможное использование алмаза в качестве полупроводника, пригодного для изготовления микрочипов, или использование алмаза в качестве радиатора в электронике.. В Японии, Европе и США ведутся значительные исследовательские работы, чтобы извлечь выгоду из потенциала уникальных свойств алмазов в сочетании с повышенным качеством и количество поставок, которые начинают поступать от производителей синтетических алмазов.
Каждый атом углерода в алмазе ковалентно связан с четырьмя другими атомами углерода в тетраэдре. Эти тетраэдры вместе образуют 3-мерную сеть шестичленных углеродных колец (аналогичную циклогексану ) в конформации кресло, допускающей нулевую деформацию угла связи.. Эта стабильная сеть из ковалентных связей и гексагональных колец является причиной того, что алмаз такой прочный. Хотя графит является наиболее стабильным аллотропом углерода в стандартных лабораторных условиях (273 или 298 K, 1 атм), недавнее вычислительное исследование показало, что в идеализированных условиях (T = 0, p = 0) алмаз является наиболее стабильным аллотропом на 1,1 кДж / моль по сравнению с графитом.
Графит, названный Авраамом Готтлобом Вернером в 1789 году от греческого γράφειν (графен, «рисовать / писать», для использования в карандашах) - один из самых распространенных аллотропов углерода. В отличие от алмаза, графит является проводником электричества. Таким образом, его можно использовать, например, в электродах электродуговой лампы. Аналогично, при стандартных условиях графит является наиболее стабильной формой углерода. Следовательно, оно используется в термохимии как стандартное состояние для определения теплоты образования углеродных соединений.
Графит проводит электричество из-за делокализации пи-связи электронов над и под плоскостями углерода атомы. Эти электроны могут свободно двигаться, поэтому могут проводить электричество. Однако электричество проводится только по плоскости слоев. В алмазе все четыре внешних электрона каждого атома углерода «локализованы» между атомами ковалентной связи. Движение электронов ограничено, и алмаз не проводит электрический ток. В графите каждый атом углерода использует только 3 из своих 4 электронов внешнего уровня энергии в ковалентной связи с тремя другими атомами углерода в плоскости. Каждый атом углерода вносит один электрон в делокализованную систему электронов, которая также является частью химической связи. Делокализованные электроны могут свободно перемещаться по плоскости. По этой причине графит проводит электричество вдоль плоскостей атомов углерода, но не проводит электричество в направлении, перпендикулярном плоскости.
Графитовый порошок используется в качестве сухой смазки. Хотя можно подумать, что это промышленно важное свойство полностью связано с неплотным межламеллярным соединением между листами в конструкции, на самом деле в вакуумной среде (например, в технологиях для использования в пробел ) графит оказался очень плохой смазкой. Этот факт привел к открытию того, что смазывающая способность графита обусловлена адсорбированным воздухом и водой между слоями, в отличие от других слоистых сухих смазок, таких как дисульфид молибдена. Недавние исследования показывают, что эффект, называемый сверхсмазкой, также может объяснять этот эффект.
Когда большое количество кристаллографических дефектов (физических) связывает эти плоскости вместе, графит теряет свои смазывающие свойства и становится пиролитическим углеродом, полезным материалом в имплантатах, контактирующих с кровью, таких как протезы клапанов сердца.
Графит - самый стабильный аллотроп углерода. Вопреки распространенному мнению, графит высокой чистоты не горит даже при повышенных температурах. По этой причине он используется в ядерных реакторах и в высокотемпературных тиглях для плавления металлов. При очень высоких температурах и давлениях (примерно 2000 ° C и 5 ГПа) он может превращаться в алмаз.
Природные и кристаллические графиты не часто используются в чистом виде в качестве конструкционных материалов из-за их плоскостей сдвига, хрупкость и непостоянные механические свойства.
В чистых стеклообразных (изотропных) синтетических формах пиролитический графит и углеродное волокно графит являются чрезвычайно прочными, термостойкими (до 3000 ° C) материалами, которые используются в защитных экранах для носовых обтекателей ракет, твердотопливных ракетных двигателях, высокотемпературных реакторах, тормозных колодках и щетках электродвигателя .
Вспучивающийся или расширяющийся графит используется в противопожарных уплотнениях, устанавливаемых по периметру противопожарной двери. Во время пожара графит вспучивается (расширяется и обугливается) для предотвращения проникновения огня и предотвращения распространения дыма. Типичная начальная температура расширения (SET) составляет от 150 до 300 ° C.
Плотность: удельный вес графита составляет 2,3, что делает его легче алмазов.
Химическая активность: он немного более активен, чем алмаз. Это связано с тем, что реагенты способны проникать между гексагональными слоями атомов углерода в графите. На него не действуют обычные растворители, разбавленные кислоты или плавленые щелочи. Однако хромовая кислота окисляет его до диоксида углерода.
Один слой графита называется графен и обладает исключительными электрическими, тепловыми и физическими свойствами. Он может быть получен путем эпитаксии на изолирующей или проводящей подложке или путем механического отслаивания (повторного отслаивания) от графита. Его приложения могут включать замену кремния в высокопроизводительных электронных устройствах. Если два слоя уложены друг на друга, получается двухслойный графен с разными свойствами.
Графенилен представляет собой однослойный углеродный материал с бифениленоподобными -подобными субъединицами в качестве основы в его гексагональной решеточной структуре. Он также известен как бифенилен-углерод.
AA'-графит представляет собой аллотроп углерода, подобный графиту, но в котором слои расположены по-разному относительно друг друга по сравнению с порядком в графите.
Диаман представляет собой двумерную форму алмаза. Это можно сделать с помощью высокого давления, но без этого давления материал превращается в графен. Другой способ - добавить атомы водорода, но эти связи слабые. Использование фтора (дифторид ксенона) сближает слои, укрепляя связи. Это называется f-диаманом.
Аморфный углерод - это название, используемое для углерода, который не имеет кристаллической структуры. Как и для всех стеклообразных материалов, может наблюдаться некоторый ближний порядок, но отсутствует дальнодействующая структура атомных положений. Хотя можно получить полностью аморфный углерод, большая часть аморфного углерода фактически содержит микроскопические кристаллы графита -подобного или даже алмазоподобного -подобного углерода.
Уголь и сажа или технический углерод неофициально называют аморфным углеродом. Однако они являются продуктами пиролиза (процесса разложения вещества под действием тепла), который не дает истинного аморфного углерода при нормальных условиях.
Бакминстерфуллерены, или обычно просто фуллерены или для краткости бакиболлы, были открыты в 1985 году группой ученых из Университета Райса и Университета Сассекса. трое из них были удостоены Нобелевской премии по химии 1996 года. Они названы так из-за сходства с геодезическими структурами, изобретенными Ричардом Бакминстером «Баки» Фуллером. Фуллерены представляют собой изогнутые молекулы различных размеров, полностью состоящие из углерода, которые имеют форму полой сферы, эллипсоида или трубки.
По состоянию на начало двадцать первого века химические и физические свойства фуллеренов все еще интенсивно изучаются как в чистых, так и в прикладных исследовательских лабораториях. В апреле 2003 года фуллерены изучались на предмет потенциального использования в медицине - связывания специфических антибиотиков со структурой для нацеливания на резистентные бактерии и даже на определенные раковые клетки, такие как меланома.
Углеродные нанотрубки, также называемые бакитрубками, представляют собой цилиндрические молекулы углерода с новыми свойствами, которые делают их потенциально полезными в самых разных областях. приложения (например, наноэлектроника, оптика, материалы приложения и т. д.). Они обладают необычайной прочностью, уникальными электрическими свойствами и являются эффективными проводниками тепла. Неорганические нанотрубки также были синтезированы. Нанотрубка является членом структурного семейства фуллерен, которое также включает бакиболлы. В то время как бакиболлы имеют сферическую форму, нанотрубка имеет цилиндрическую форму, по меньшей мере, с одним концом, обычно покрытым полусферой структуры бакибола. Их название происходит от их размера, поскольку диаметр нанотрубки составляет порядка нескольких нанометров (примерно в 50 000 раз меньше, чем ширина человеческого волоса), в то время как они могут достигать нескольких сантиметров. в длину. Существует два основных типа нанотрубок: однослойные нанотрубки (ОСНТ) и многостенные нанотрубки (MWNT).
Компьютерные модели стабильных структур нанопочки Углеродные нанопочки - это недавно открытый аллотроп углерода, в котором фуллерен похожи на «почки» "ковалентно прикреплены к внешним боковым стенкам углеродных нанотрубок. Этот гибридный материал обладает полезными свойствами как фуллеренов, так и углеродных нанотрубок. Например, было обнаружено, что они являются исключительно хорошими полевыми излучателями.
Шварцитами являются углеродные поверхности с отрицательной кривизной, первоначально предложенные путем украшения трехпериодических минимальных поверхностей атомами углерода. Геометрическая топология структуры определяется наличием кольцевых дефектов, таких как семиугольники и восьмиугольники, в гексагональной решетке графена. (Отрицательная кривизна изгибает поверхности наружу, как седло, а не изгибается внутрь, как сфера.)
В недавней работе было высказано предположение, что угли на основе цеолита (ZTC) могут быть шварцитами. Название ZTC происходит от их происхождения в порах цеолитов, кристаллических минералов диоксида кремния. Пар углеродсодержащих молекул впрыскивается в цеолит, где углерод собирается на стенках пор, создавая отрицательную кривую. При растворении цеолита остается углерод. Команда создала структуры, декорируя поры цеолита углеродом с помощью метода Монте-Карло. Некоторые из этих структур были признаны шварцитами, и они предложили способ их синтеза.
Большой образец стеклоуглерода. Стеклоуглерод или стеклоуглерод представляет собой класс неграфитизирующего углерода, широко используемый в качестве электродного материала в электрохимии, а также для высокотемпературных тиглей и в качестве компонента некоторых протезных устройств.
Впервые он был изготовлен Бернардом Редферном в середине 1950-х годов в лабораториях компании Carborundum, Манчестер, Великобритания. Он намеревался разработать полимерную матрицу, отражающую структуру алмаза, и открыл резольную (фенольную) смолу, которая при специальной подготовке затвердевала бы без катализатора. Из этой смолы был получен первый стеклоуглерод.
При получении стеклоуглерода органические предшественники подвергаются серии термообработок при температурах до 3000 ° C. В отличие от многих неграфитизированных углей, они непроницаемы для газов и химически чрезвычайно инертны, особенно те, которые получают при очень высоких температурах. Было продемонстрировано, что скорость окисления некоторых стеклоуглеродов в кислороде, диоксиде углерода или водяном паре ниже, чем у любого другого углерода. Они также обладают высокой устойчивостью к воздействию кислот. Таким образом, в то время как обычный графит восстанавливается до порошка смесью концентрированной серной и азотной кислот при комнатной температуре, стеклоуглерод не подвергается такой обработке даже через несколько месяцев.
При определенных условиях углерод можно найти в атомарной форме. Он образуется в результате пропускания больших электрических токов через углерод при очень низком давлении. Он крайне нестабилен, но это прерывистый продукт, используемый при создании карбенов.
Двухатомный углерод также может быть обнаружен при определенных условиях. Его часто обнаруживают с помощью спектроскопии во внеземных телах, включая кометы и некоторые звезды.
Углеродная нано-пена - пятый известный аллотроп углерода., обнаруженный в 1997 году и сотрудниками Австралийского национального университета в Канберре. Он состоит из кластера с низкой плотностью, состоящего из атомов углерода, связанных вместе в рыхлой трехмерной паутине.
Каждый кластер имеет ширину около 6 нанометров и состоит из примерно 4000 атомов углерода , связанных в графитоподобных -подобных листах, которым придается отрицательная кривизна за счет включения семиугольники среди правильного шестиугольного шаблона. Это противоположно тому, что происходит в случае бакминстерфуллеренов, в которых углеродным листам придается положительная кривизна за счет включения пятиугольников.
. Крупномасштабная структура углеродной нановопены аналогична структуре аэрогеля, но с 1% плотности ранее произведенных углеродных аэрогелей - всего в несколько раз больше плотности воздуха на уровне моря. В отличие от углеродных аэрогелей, углеродная нано-пена является плохим электрическим проводником.
Углерод на основе карбида (CDC) - это семейство углеродных материалов с различной геометрией поверхности и углеродным порядком, которые производятся путем селективного удаления металлов из предшественников карбидов металлов, таких как TiC, SiC, Ti 3 AlC 2, Mo 2 C и т. д. Этот синтез осуществляется с использованием обработка хлором, гидротермальный синтез или высокотемпературная селективная десорбция металлов в вакууме. В зависимости от метода синтеза, предшественника карбида и параметров реакции может быть получено несколько аллотропов углерода, включая эндоэдральные частицы, состоящие преимущественно из аморфного углерода, углеродные нанотрубки, эпитаксиальный графен, нанокристаллический алмаз, луковичный углерод и графитовые ленты, цилиндры и рога. Эти структуры демонстрируют высокую пористость и удельную поверхность с легко регулируемым диаметром пор, что делает их многообещающими материалами для аккумулирования энергии на основе суперконденсаторов, фильтрации воды и емкостного опреснения, поддержки катализатора и удаления цитокинов.
лонсдейлит представляет собой гексагональный аллотроп углеродного аллотропа алмаза, который, как полагают, образован из графита, присутствующего в метеоритах при их столкновении с Землей. Сильный нагрев и напряжение при ударе превращают графит в алмаз, но сохраняют гексагональную кристаллическую решетку графита. Гексагональный алмаз также был синтезирован в лаборатории путем сжатия и нагрева графита либо в статическом прессе, либо с использованием взрывчатых веществ. Его также можно получить термическим разложением полимера поли (гидридокарбин) при атмосферном давлении в атмосфере инертного газа (например, аргона, азота), начиная с температуры 110 ° C (230 ° F)..
Одномерный углеродный полимер со структурой - (C≡C) n -.
Цикло [18] углерод (C18) были синтезированы в 2019 году.
Кристаллическая структура C 8 кубического углерода 
К 4 кристалл 
Алмаз и графит - это два аллотропа углерода: чистые формы одного и того же элемента, различающиеся по структуре. Система аллотропов углерода охватывает поразительный диапазон крайностей, учитывая, что все они просто структурные образования одного и того же элемента.
Между алмазом и графитом:
Несмотря на твердость алмазов, химическая связь Атомы, удерживающие вместе атомы углерода в алмазах, на самом деле слабее, чем те, которые удерживают вместе графит. Разница в том, что в алмазе связи образуют негибкую трехмерную решетку. В графите атомы плотно связаны в листы, но листы могут легко скользить друг по другу, делая графит мягким.
