Waarom heeft koolstof een hoog smeltpunt?

Op het gebied van chemie en materiaalkunde heeft koolstof veel aandacht getrokken vanwege zijn unieke eigenschappen en wijdverspreide aanwezigheid. Het extreem hoge smeltpunt geeft het stabiliteit in extreme omgevingen. En het speelt een belangrijke rol in pyrometallurgie, vuurvaste en superharde materialen.

Structuur van koolstof

Koolstof heeft verschillende allotropen in de natuur, zoals diamant, grafiet en fullereen. Door de verschillende rangschikking van atomen variëren de fysische en chemische eigenschappen sterk.

Diamant is een atomair kristal, koolstofatomen covalente bindingen aan een driedimensionaal netwerk structuur op te bouwen. Elk koolstofatoom en de omliggende vier koolstofatomen verbonden tot een regelmatige tetraëder te vormen, de algemene structuur is stabiel.

Het grafiet is gelaagd, de koolstofatomen in de laag vormen een hexagonaal netwerk met covalente bindingen en de covalente bindingen zijn sterk. Op de laag werkt een zwakke van der Waals kracht. Hierdoor heeft het grafiet een goede geleidbaarheid en smeerbaarheid in de parallelle richting van de laag, en heeft het een zekere stabiliteit.

Vertegenwoordigd door C60fullereen was voetbalvormig en bestond uit 60 koolstofatomen in de vorm van een bal. Elk koolstofatoom was via een covalente binding verbonden met drie naburige koolstofatomen. Door de covalente binding had fullereen een bepaalde stabiliteit.

Redenen voor het hoge smeltpunt van koolstof

Covalente binding

Het hoge smeltpunt van koolstof is voornamelijk te danken aan de krachtige covalente binding tussen atomen. In diamant vormt elk koolstofatoom een sterke covalente binding met de omliggende vier koolstofatomen. Covalente bindingen zijn de bindingen die worden gevormd door elektronen te delen tussen atomen, die in wezen de sterke aantrekkingskracht van de kern op het paar gedeelde elektronen zijn. In de structuur van diamant kan deze covalente binding zeer hoog zijn. En om deze covalente bindingen te verbreken en koolstofatomen te scheiden, is veel energie nodig.

Neem diamant als voorbeeld, de C-C binding heeft een binding van ongeveer 347 kj/mol. Bij verhitting moet de door de buitenwereld geleverde energie voldoende zijn om de binding van deze covalente bindingen te overwinnen. Om de relatieve positie van het koolstofatoom te veranderen en zo van vast naar vloeibaar te transformeren. Daarentegen hebben sommige moleculen van materie, zoals ijs, een wisselwerking met de van der Waals kracht door zwakkere waterstofbruggen en een smeltpunt van 0. Wanneer het ijs smelt, hoeft het alleen deze zwakke krachten tussen de moleculen te vernietigen. Zonder de covalente bindingen binnenin de watermoleculen te vernietigen, is er dus minder energie nodig.

In grafiet is er weliswaar een zwakke van der Waals-kracht tussen de lagen. De koolstofatomen in elke laag vormen een stabiel plat netwerk door middel van covalente bindingen. De covalente binding in deze laag heeft ook een hoge bindingsenergie. Zodat bij verhitting van grafiet de structuur van de laag relatief stabiel kan worden gehouden. En bij een hogere temperatuur verandert de hele structuur aanzienlijk.

De koolstofatomen zitten dicht op elkaar

Naast de werking van covalente bindingen speelt ook de nauwe opeenhoping van atomen in de kristalstructuur van koolstof een belangrijke rol bij het hoge smeltpunt. In het driedimensionale netwerk van diamant zijn koolstofatomen op een zeer ordelijke en compacte manier gerangschikt. Door deze nauwe opeenhoping is de afstand tussen atomen erg klein en neemt de interactie tussen atomen verder toe.

Volgens de kristalstructuurtheorie kan de dichte opeenhoping van atomen de dichtheid en stabiliteit van kristallen verbeteren. In diamant is de roosterenergie groter door de compacte opeenhoping van atomen. Roosterenergie verwijst naar de energie die door het ionische kristal wordt geabsorbeerd in gasvormige positieve ionen en gasvormige negatieve ionen onder standaardomstandigheden. Voor atomaire kristallen kun je het vergelijken met de energie die nodig is om de kristalstructuur te breken. Hoe groter de rooster-energie, hoe stabieler het kristal, hoe hoger het smeltpunt.

Hoewel er een zekere ruimte is tussen de lagen grafiet, zijn de koolstofatomen in elke laag ook strak gerangschikt. Deze dichte opeenhoping in de laag helpt ook de stabiliteit en het smeltpunt van grafiet te verbeteren. In elke laag grafiet zorgt de hexagonale maasstructuur die gevormd wordt door koolstofatomen ervoor dat de interactie tussen atomen een evenwichtstoestand bereikt. Er is veel energie nodig om dit evenwicht te doorbreken.

Vergelijking smeltpunt van koolstof met andere elementen

Vergeleken met andere elementen heeft het smeltpunt van koolstof aanzienlijke voordelen ten opzichte van gewone elementen.

Neem ijzer als voorbeeld: het smeltpunt ligt rond de 1538 °C, het is een metaalkristal, gebonden door metaalbindingen. En de interactie tussen metaalkationen en vrije elektronen wordt overwonnen wanneer het smelt.

En zwavel komt vaak voor in S8 moleculen, moleculaire kristallen. Door de zwakke van der Waals kracht tussen moleculen ligt het smeltpunt op slechts 115,21°C.

Koolstof, of diamant, grafiet gelijkwaardige allotrope, vanwege de interatomaire covalente binding en dichte pakking structuur, het smeltpunt is veel meer dan veel gemeenschappelijke elementen. Het smeltpunt van koolstof is ongeveer 3550 ° C (3824K), het is zeer stabiel bij hoge temperaturen, uitgegroeid tot een belangrijk materiaal in speciale toepassingen.

Praktische toepassing van koolstof met hoog smeltpunt

Vuurvaste materialen:

Je kunt op grote schaal koolstof gebruiken bij de productie van vuurvaste materialen vanwege het hoge smeltpunt. In de metallurgische industrie moet de voering van een hoge-temperatuuroven bestand zijn tegen hoge temperaturen en erosie. Grafiet en koolstofhoudende composietmaterialen zijn bestand tegen ruwe omgevingen, beschermen het ovenlichaam en verlengen de levensduur van de oven. De grafietkroes is bijvoorbeeld bestand tegen het smelten van gesmolten staal bij hoge temperaturen in de staalproductie.

Superharde materialen:

Diamant, een allotroop van koolstof, is de eerste keuze geworden voor de productie van superharde materialen vanwege zijn hoge hardheid en hoge smeltpunt. Je kunt diamantgereedschap gebruiken in machines, steenbewerking en andere gebieden. Bij het snijden op hoge snelheid maakt het hoge smeltpunt het stabiel onder hoge temperatuur en hoge druk. Dit verbetert de nauwkeurigheid en efficiëntie van de bewerking. Je kunt synthetische diamant ook gebruiken om boorgereedschap voor olie-exploratie en geologische exploratie te maken.

Elektronische apparaten:

Op het gebied van elektronische apparaten speelt het hoge smeltpunt van koolstof een belangrijke rol. Halfgeleider productie vereist een omgeving op hoge temperatuur voor kristalgroei, dotering en andere processen. Dankzij het hoge smeltpunt, het goede elektrische geleidingsvermogen en de chemische stabiliteit kun je het gebruiken om verwarmingselementen, kroes en andere componenten te maken. Om te zorgen voor een nauwkeurige controle van het halfgeleiderproductieproces en een productie van hoge kwaliteit.

Conclusie

Het hoge smeltpunt van koolstof is te danken aan de unieke structuur, de covalente bindingen tussen de atomen zijn sterk en zitten dicht op elkaar, en voor het smelten is veel energie nodig. Vergeleken met andere elementen maakt deze eigenschap het voordelig op veel gebieden. En het zal ook helpen om in de toekomst meer hoogwaardige materialen op basis van koolstof te ontwikkelen.