Почему у углерода высокая температура плавления?

В области химии и материаловедения углерод привлекает большое внимание благодаря своим уникальным свойствам и широкому распространению. Его чрезвычайно высокая температура плавления обеспечивает ему устойчивость в экстремальных условиях. Кроме того, он играет ключевую роль в пирометаллургии, производстве огнеупоров и сверхтвердых материалов.

Структура углерода

В природе существует множество аллотропов углерода, например, алмаз, графит и фуллерен. Из-за различного расположения атомов физические и химические свойства сильно различаются.

Алмаз представляет собой атомный кристалл, атомы углерода с помощью ковалентных связей строят трехмерную сетевую структуру. Каждый атом углерода и окружающие его четыре атома углерода соединяются, образуя правильный тетраэдр, общая структура стабильна.

Графит слоистый, атомы углерода в слое образуют гексагональную сеть с ковалентными связями, причем ковалентные связи прочные. На слой действуют слабые ван-дер-ваальсовы силы. Благодаря этому графит обладает хорошей проводимостью и смазывающей способностью в параллельном направлении слоя, а также определенной стабильностью.

Представлен С60Фуллерен имел форму футбольного мяча и состоял из 60 атомов углерода, расположенных в форме шара. Каждый атом углерода был соединен с тремя соседними атомами углерода посредством ковалентной связи. Благодаря ковалентной связи фуллерен обладал определенной стабильностью.

Причины высокой температуры плавления углерода

Ковалентная связь

Высокая температура плавления углерода обусловлена главным образом мощной ковалентной связью между атомами. В алмазе каждый атом углерода образует прочную ковалентную связь с окружающими его четырьмя атомами углерода. Ковалентные связи - это связи, образующиеся при обмене электронами между атомами, которые, по сути, представляют собой сильное притяжение ядра к паре разделяемых электронов. В структуре алмаза эта ковалентная связь может быть очень высокой. И чтобы разорвать эти ковалентные связи и разъединить атомы углерода, требуется много энергии.

Возьмем для примера алмаз: его связь C-C имеет упругость около 347 кдж/моль. При нагревании энергии, поступающей из внешнего мира, должно быть достаточно, чтобы преодолеть связывание этих ковалентных связей. Чтобы изменить относительное положение атома углерода и таким образом перейти из твердого состояния в жидкое. В отличие от этого, некоторые молекулы вещества, например лед, взаимодействуют с силами Ван-дер-Ваальса посредством более слабых водородных связей и имеют температуру плавления 0. Когда лед тает, ему нужно только разрушить эти слабые силы между молекулами. Без разрушения ковалентных связей внутри молекул воды, поэтому для этого требуется меньше энергии.

В графите между слоями действуют слабые ван-дер-ваальсовы силы. Атомы углерода в каждом слое образуют стабильную плоскую сеть за счет ковалентных связей. Ковалентные связи в этом слое также имеют высокую энергию связи. Поэтому при нагревании графита структура слоя может сохраняться относительно стабильной. И требуется более высокая температура, чтобы вся структура значительно изменилась.

Атомы углерода плотно упакованы

Помимо действия ковалентных связей, плотное скопление атомов в кристаллической структуре углерода также играет важную роль в его высокой температуре плавления. В трехмерной сетке алмаза атомы углерода расположены очень упорядоченно и компактно. Благодаря такому плотному скоплению расстояние между атомами становится очень маленьким, а взаимодействие между атомами еще больше возрастает.

Согласно теории кристаллической структуры, плотное скопление атомов может повысить плотность и стабильность кристаллов. В алмазах энергия решетки больше из-за компактного скопления атомов. Под энергией решетки понимается энергия, поглощаемая ионным кристаллом в газообразные положительные ионы и газообразные отрицательные ионы при стандартных условиях. Для атомных кристаллов ее можно сравнить с энергией, необходимой для разрушения кристаллической структуры. Чем больше энергия решетки, тем стабильнее кристалл, тем выше температура плавления.

Несмотря на то что между слоями графита есть определенный зазор, атомы углерода в каждом слое расположены плотно. Такое плотное скопление в слое также способствует повышению стабильности и температуры плавления графита. В каждом слое графита благодаря гексагональной сетчатой структуре, образованной атомами углерода, взаимодействие между атомами достигает равновесного состояния. Чтобы нарушить это равновесие, требуется высокая энергия.

Сравнение температуры плавления углерода с другими элементами

По сравнению с другими элементами температура плавления углерода имеет значительные преимущества перед обычными элементами.

Если взять в качестве примера железо, то его температура плавления составляет около 1538 °C, оно представляет собой металлический кристалл, связанный металлическими связями. И взаимодействие между катионами металла и свободными электронами преодолевается при плавлении.

А сера часто существует в виде S8 Молекулы, молекулярные кристаллы. Благодаря слабым ван-дер-ваальсовым силам между молекулами, температура плавления составляет всего 115,21°C.

Углерод, будь то алмаз, графит, эквивалентный аллотроп, благодаря межатомной ковалентной связи и плотной структуре упаковки имеет температуру плавления гораздо выше, чем многие обычные элементы. Температура плавления углерода составляет около 3550 °C (3824K), он чрезвычайно стабилен при высоких температурах и становится ключевым материалом в специальных приложениях.

Практическое применение высокой температуры плавления углерода

Огнеупорные материалы:

Углерод можно широко использовать в производстве огнеупорные материалы из-за высокой температуры плавления. В металлургической промышленности футеровка высокотемпературной печи должна быть устойчивой к высокой температуре и эрозии. Графит и углеродсодержащие композитные материалы могут противостоять суровым условиям окружающей среды, защитить корпус печи и продлить срок ее службы. Например, графитовый тигель может выдерживать высокую температуру плавления расплавленной стали в сталеплавильном производстве.

Сверхтвердые материалы:

Алмаз, являющийся аллотропом углерода, стал первым выбором для производства сверхтвердых материалов благодаря своей высокой твердости и высокой температуре плавления. Алмазные инструменты можно использовать в машиностроении, камнеобработке и других областях. При высокоскоростной резке высокая температура плавления делает его устойчивым при высокой температуре и высоком давлении. Это повышает точность и эффективность обработки. Также синтетические алмазы можно использовать для производства буровых инструментов для нефтеразведки и геологоразведки.

Электронные устройства:

В области электронных устройств высокая температура плавления углерода играет важную роль. Полупроводник Производство требует высокотемпературной среды для роста кристаллов, легирования и других процессов. Благодаря высокой температуре плавления, хорошей электропроводности и химической стабильности, его можно использовать для изготовления нагревательных элементов, тиглей и других компонентов. Для обеспечения точного контроля процесса производства полупроводников и высокого качества продукции.

Заключение

Высокая температура плавления углерода обусловлена его уникальной структурой, ковалентные связи между атомами прочны и плотно упакованы, а для плавления требуется много энергии. По сравнению с другими элементами, это свойство делает его преимуществом во многих областях. А в будущем это поможет разработать более высокоэффективные материалы на основе углерода.