Ιδιότητες του άνθρακα: Ανθρακόνημα: Μια ολοκληρωμένη επισκόπηση

Στον κόσμο των στοιχείων, ο άνθρακας είναι μοναδικός και εκθαμβωτικός. Από τα οργανικά μόρια, τη βάση της ζωής, μέχρι τα βασικά υλικά για τη βιομηχανία, βρίσκεται παντού. Η εξερεύνηση των ιδιοτήτων του άνθρακα μας δίνει μια εικόνα της διασταύρωσης της φύσης και της τεχνολογίας, της σύνθεσης της ύλης και των χημικών αντιδράσεων.

Φυσικές ιδιότητες του άνθρακα

Επισκόπηση των αλλοτροπών

Ο άνθρακας μπορεί να σχηματίσει μια ποικιλία αλλοτροπών, όπως το διαμάντι, ο γραφίτης κ.λπ. Αν και αποτελούνται από άτομα άνθρακα, αλλά η ατομική διάταξη και οι τρόποι σύνδεσης είναι διαφορετικοί. Οι φυσικές και χημικές ιδιότητες διαφέρουν σημαντικά και η ερευνητική αξία των εφαρμογών είναι υψηλή στα υλικά, την ηλεκτρονική και άλλους τομείς.

Χαρακτηριστικά διαμαντιών

Το διαμάντι είναι η σκληρότερη ουσία στη φύση, με σκληρότητα Mohs 10. Τα άτομά του έχουν τετραεδρική δομή, ισχυρή ατομική δύναμη σύνδεσης, αντοχή στη φθορά και στην πίεση, που χρησιμοποιείται για κοπτικές γεωτρήσεις. Είναι άχρωμο και διαφανές, διαθλαστικό ισχυρό, είναι ένας πολύτιμος λίθος. Υψηλή θερμική αγωγιμότητα, μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε για ηλεκτρονική απαγωγή θερμότητας, αλλά δύσκολα αγώγιμο.

Ιδιότητες γραφίτη

Η υφή του γραφίτη είναι απαλή και λεία. Προέρχεται από τη στρωματοποιημένη δομή και είναι εύκολο να γλιστρήσει κανείς ανάμεσα στα στρώματα. Μπορείτε συχνά να χρησιμοποιήσετε τον γραφίτη ως λιπαντικό σε υψηλές θερμοκρασίες και υψηλές πιέσεις. Έχει καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, ελεύθερα ηλεκτρόνια στο στρώμα. Και μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το γραφίτη στη μπαταρία ιόντων λιθίου άνοδος υλικά και κινητήρας βούρτσες για να εξασφαλίζεται η φόρτιση και η εκφόρτιση και η μετάδοση ρεύματος.

Άλλα χαρακτηριστικά αλλοτροπίου

Τα φουλερένια όπως το C60 είναι κλωβοστοιχεία, οπτικά ενεργά, μπορούν να σχηματίσουν σύμπλοκα με μεταλλικά ιόντα και έχουν δυνατότητες σε οπτοηλεκτρονικές διατάξεις και στην κατάλυση. Οι νανοσωλήνες άνθρακα έχουν διάμετρο νανομέτρων, υψηλή αντοχή, καλή ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα. Και μπορείτε να τους χρησιμοποιήσετε στον τομέα της νανοηλεκτρονικής και των σύνθετων υλικών. Το γραφένιο είναι ένα μονοστρωματικό δισδιάστατο υλικό με εξαιρετικές ηλεκτρικές, μηχανικές και θερμικές ιδιότητες. Και έχει ευρείες προοπτικές στις εύκαμπτες ηλεκτρονικές συσκευές.

Περίληψη των γενικών φυσικών ιδιοτήτων

Εμφάνιση

Το διαμάντι είναι άχρωμο και διαφανές, λαμπερό μετά τη στίλβωση, και είναι ένα πολύτιμο υλικό. Γραφίτης σκούρο γκρι με μεταλλική γυαλάδα, λεπτόκοκκη, απαλή αφή. Τα φουλερένια είναι μαύρη ή καφέ σκόνη, οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι εξαιρετικά λεπτοί μαύροι σωλήνες. Και το γραφένιο είναι ένα σχεδόν διαφανές, δισδιάστατο φύλλο με χαρακτηριστική τσαλακωμένη υφή.

Πυκνότητα

Διαμάντι περίπου 3,5-3,53g/cm3, τα άτομα είναι σφιχτά συσκευασμένα- γραφίτης περίπου 2,09-2,23g/cm3, υπάρχει κενό μεταξύ των στρωμάτων. Τα φουλερένια είναι περίπου 1,65g/cm3, οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι 1,3-1,4g/cm3 και το γραφένιο είναι περίπου 2,267g/cm3, με πυκνότητες που ποικίλλουν ανάλογα με την ατομική διάταξη και τη δομή.

Σημείο τήξης

Το σημείο τήξης του διαμαντιού υπερβαίνει τους 3500°C, τα άτομα σχηματίζουν κανονικά τετράεδρα με ομοιοπολικούς δεσμούς και η δομή του είναι στερεή. Το σημείο τήξης του γραφίτη είναι περίπου 3652-3697°C και ο ομοιοπολικός δεσμός στο στρώμα είναι σταθερός. Το υψηλό σημείο τήξης καθιστά τον άνθρακα σταθερό σε περιβάλλον υψηλών θερμοκρασιών και χρησιμοποιείται σε βιομηχανικούς τομείς υψηλών θερμοκρασιών.

Σημείο βρασμού

Το σημείο βρασμού του διαμαντιού και του γραφίτη είναι περίπου 4827°C, υπό κανονικές συνθήκες. Ο άνθρακας είναι δύσκολο να μετατραπεί από στερεό σε αέριο, εξαιρετικά υψηλή θερμοκρασία για να αλλάξει η κατάσταση. Στο βιομηχανικό και το περιβάλλον διαβίωσης, οι φυσικές και χημικές ιδιότητες του άνθρακα είναι σταθερές, δεν είναι εύκολο να εξατμιστεί αποσύνθεση.

Διαλυτότητα

Ο άνθρακας είναι αδιάλυτος στο νερό, στους συνήθεις οργανικούς διαλύτες και στα διαλύματα οξέων και αλκαλίων. Λόγω της σταθερής ατομικής του δομής και της ισχυρής διατομικής δύναμης, το μόριο του διαλύτη είναι δύσκολο να διασπάσει τη στοιχειακή δομή του άνθρακα και τη δράση του. Και η διαλυτότητα είναι εξαιρετικά χαμηλή στους περισσότερους διαλύτες.

Αγωγιμότητα

Η δομή του στρώματος γραφίτη έχει ελεύθερα ηλεκτρόνια, άγει καλά τον ηλεκτρισμό και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ηλεκτρόδια. Τα ηλεκτρόνια του διαμαντιού είναι δεσμευμένα σε ομοιοπολικούς δεσμούς και δύσκολα αγωγούν τον ηλεκτρισμό. Τα φουλερένια και οι νανοσωλήνες άνθρακα έχουν ορισμένη ηλεκτρική αγωγιμότητα, το γραφένιο έχει υψηλή κινητικότητα ηλεκτρονίων, εξαιρετική ηλεκτρική αγωγιμότητα και μεγάλες δυνατότητες στον ηλεκτρονικό τομέα.

Χημικές ιδιότητες του άνθρακα

Σταθερότητα

Σε θερμοκρασία δωματίου, οι χημικές ιδιότητες της ενανθράκωσης είναι σταθερές. Τα τέσσερα ηλεκτρόνια στην εξώτατη στιβάδα του ατόμου του δεν είναι εύκολο να κερδίσουν ή να χάσουν ηλεκτρόνια. Απαιτείται μεγάλη ενέργεια για να σπάσει η σταθερή δομή και να συμμετάσχει σε χημικές αντιδράσεις. Έτσι, τα πολιτιστικά κειμήλια που περιέχουν άνθρακα, οι πίνακες και τα έργα ζωγραφικής μπορούν να διατηρηθούν για μεγάλο χρονικό διάστημα.

Αναφλεξιμότητα

Είναι εύφλεκτο και καίγεται πλήρως παράγοντας διοξείδιο του άνθρακα όταν υπάρχει αρκετό οξυγόνο, απελευθερώνοντας πολλή θερμική ενέργεια. Το μονοξείδιο του άνθρακα παράγεται από ατελή καύση όταν το οξυγόνο δεν επαρκεί και η αντίδραση καύσης είναι ένας σημαντικός τρόπος για την απόκτηση ενέργειας.

Μειωσιμότητα

Έχει σημαντική αναγωγιμότητα σε υψηλές θερμοκρασίες. Μπορεί να αντιδράσει με οξείδια μετάλλων, να καταλάβει το οξυγόνο στα οξείδια και να μειώσει το μέταλλο. Μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε ευρέως στην εξόρυξη μετάλλων στη μεταλλουργική βιομηχανία και παίζει βασικό ρόλο.

Αντιδράσεις με άλλες ουσίες

Αντιδρά με διάφορες ουσίες υπό ορισμένες συνθήκες. Σε υψηλές θερμοκρασίες, αντιδρά με το θείο για την παραγωγή δισουλφιδίου του άνθρακα, αντιδρά με τους υδρατμούς για την παραγωγή μονοξειδίου του άνθρακα και υδρογόνου. Και τα προϊόντα έχουν σημαντικές εφαρμογές στους τομείς των χημικών προϊόντων και των καυσίμων.

Quadrivalence

Τα τέσσερα εξωτερικά ηλεκτρόνια ενός τεταρτοταγούς ατόμου άνθρακα βρίσκονται σε τεταρτοταγή κατάσταση. Μπορεί να σχηματίσει 4 ομοιοπολικούς δεσμούς με μια ποικιλία ατόμων για τη δημιουργία πολύπλοκων και ποικίλων ενώσεων, από απλή οργανική ύλη έως βιολογικά μακρομόρια. Αποτελεί τη βάση του οργανικού κόσμου και της ζωντανής ύλης και έχει μεγάλη σημασία.

Αλυσίδα

Τα άτομά του μπορούν να συνδεθούν σε αλυσίδες μέσω ομοιοπολικών δεσμών, δηλαδή με αλυσίδες. Σχηματίζει ευθεία αλυσίδα, διακλαδισμένη αλυσίδα ή δομή δακτυλίου, το μήκος της αλυσίδας και η δομή επηρεάζουν τις ιδιότητες των ενώσεων. Αποτελεί τη βάση του σχηματισμού πολλών οργανικών ενώσεων, υποστηρίζοντας το τεράστιο σύστημα της οργανικής χημείας.

Ηλεκτρονική δομή

Η ηλεκτρονιακή διαμόρφωση ενός ατόμου άνθρακα είναι 1s22s22p2. Αυτή η δομή καθορίζει τη χημική του συμπεριφορά και τα τέσσερα εξωτερικά ηλεκτρόνια το καθιστούν εύκολο να μοιράζεται ηλεκτρόνια με άλλα άτομα για να σχηματίζει δεσμούς. Αλλά και να κερδίζει και να χάνει ηλεκτρόνια υπό ορισμένες συνθήκες, και να συμμετέχει σε διάφορες χημικές αντιδράσεις.

Ηλεκτρονητικότητα

Έχει ηλεκτραρνητικότητα περίπου 2,55 (στην κλίμακα Pauling), μεταξύ μετάλλων και μη μετάλλων. Σε μια ένωση, όταν συνδέεται με διαφορετικά στοιχεία, ο χημικός δεσμός έχει διαφορετική πολικότητα λόγω της διαφοράς ηλεκτραρνητικότητας. Αυτό επηρεάζει τη χημική δραστηριότητα και τις φυσικές ιδιότητες της ένωσης.

Σύνδεση μεταξύ ιδιοκτησίας και εφαρμογής

Εφαρμογές που καθορίζονται από τις φυσικές ιδιότητες

Οι φυσικές του ιδιότητες είναι ποικίλες, γεγονός που το καθιστά πλούσιο σε εφαρμογές. Η σκληρότητα του διαμαντιού αποκαλείται το στέμμα της φύσης και έχει σημαντικά πλεονεκτήματα στον τομέα της κοπής και της λείανσης. Όπως η κοπή γυαλιού και η επεξεργασία τσιμεντοκαρβιδίου. Ο γραφίτης έχει καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα και μπορείτε να τον χρησιμοποιήσετε ευρέως σε ηλεκτρόδια μπαταριών για να εξασφαλίσετε τον κύκλο φόρτισης και εκφόρτισης. Το γραφένιο έχει εξαιρετική ηλεκτρική αγωγιμότητα και εξαιρετικά υψηλή ευελιξία, καθιστώντας το ιδανικό υλικό για εύκαμπτες οθόνες και φορητές ηλεκτρονικές συσκευές. Η υψηλή αντοχή των νανοσωλήνων άνθρακα μπορεί να ενισχύσει την απόδοση των σύνθετων υλικών. Και μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε σε τομείς όπως η αεροδιαστημική, όπου η αντοχή των υλικών είναι απαιτητική.

Εφαρμογές που καθορίζονται από τις χημικές ιδιότητες

Οι χημικές του ιδιότητες κυριαρχούν στην εφαρμογή του σε διάφορους βασικούς τομείς. Η αναφλεξιμότητα καθιστά τον άνθρακα και το φυσικό αέριο σημαντικές πηγές ενέργειας. Καίγονται για να απελευθερώσουν πολλή θερμική ενέργεια για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών της βιομηχανικής παραγωγής και της καθημερινής ζωής. Η αναγωγιμότητα τον κάνει να διαδραματίζει βασικό ρόλο στη μεταλλουργική βιομηχανία, αναγάγοντας τα μέταλλα από τα οξείδιά τους. Η τετραγωνικότητα και η αλυσιδωτή ικανότητα του άτομα άνθρακα αποτελούν τη βάση για την κατασκευή οργανικών ενώσεων. Και η σύνθεση φαρμάκων, πλαστικών, καουτσούκ κ.λπ. στηρίζεται σε αυτό, παρέχοντας μια πλούσια ποικιλία προϊόντων για τη σύγχρονη κοινωνία.

Συμπέρασμα

Ο άνθρακας διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στη φύση και την ανθρώπινη κοινωνία λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων του. Οι αλλοτροπικές του ιδιότητες καθορίζουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών και οι χημικές του ιδιότητες υποστηρίζουν τη ζωή και τη βιομηχανία. Στο μέλλον, η έρευνά του θα εμβαθύνει και θα συνεχίσει να συμβάλλει στην επίλυση προβλημάτων όπως η ενέργεια.