Свойства углерода: Всеобъемлющий обзор

В мире элементов углерод уникален и ослепителен. Он присутствует везде - от органических молекул, основы жизни, до ключевых материалов для промышленности. Изучение свойств углерода позволяет нам понять, как пересекаются природа и технология, состав вещества и химические реакции.

Физические свойства углерода

Обзор аллотропов

Углерод может образовывать различные аллотропы, такие как алмаз, графит и т. д. Хотя они состоят из атомов углерода, но расположение атомов и способы соединения различны. Физические и химические свойства значительно отличаются, а прикладная ценность исследований высока в материаловедении, электронике и других областях.

Характеристики алмазов

Алмаз - самое твердое вещество в природе, его твердость по шкале Мооса равна 10. Его атомы имеют тетраэдрическую структуру, сильную силу связи между атомами, износостойкость и устойчивость к давлению, используется для режущего сверления. Он бесцветен и прозрачен, преломление сильное, является драгоценным камнем. Высокая теплопроводность, вы можете использовать его для рассеивания электронного тепла, но почти не проводит.

Свойства графита

Текстура графита мягкая и гладкая. Она обусловлена слоистой структурой и легко проскальзывает между слоями. Графит часто можно использовать в качестве смазки при высокой температуре и высоком давлении. Он обладает хорошей электропроводностью, в слое присутствуют свободные электроны. Графит можно использовать в литий-ионных батареях. анод материалы и двигатель кисти для обеспечения заряда и разряда и передачи тока.

Другие характеристики аллотропов

Фуллерены, такие как C60, заключены в клетки, оптически активны, могут образовывать комплексы с ионами металлов и имеют потенциал для использования в оптоэлектронных устройствах и катализе. Углеродные нанотрубки имеют нанометровый диаметр, высокую прочность, хорошую электро- и теплопроводность. Их можно использовать в области наноэлектроники и композитных материалов. Графен - однослойный двумерный материал с отличными электрическими, механическими и тепловыми свойствами. И у него широкие перспективы в гибких электронных устройствах.

Краткое описание общих физических свойств

Внешний вид

Бесцветный и прозрачный, яркий после полировки, алмаз является драгоценным камнем. Графит Темно-серый с металлическим блеском, чешуйчатый, гладкий на ощупь. Фуллерены - это черный или коричневый порошок, углеродные нанотрубки - очень тонкие черные трубки. А графен - это почти прозрачный двумерный лист с характерной морщинистой текстурой.

Плотность

Алмаз - около 3,5-3,53 г/см3, атомы плотно упакованы; графит - около 2,09-2,23 г/см3, между слоями есть зазор. Фуллерены имеют плотность около 1,65 г/см3, углеродные нанотрубки - 1,3-1,4 г/см3, а графен - около 2,267 г/см3, причем плотность варьируется в зависимости от расположения атомов и структуры.

Температура плавления

Температура плавления алмаза превышает 3500°C, атомы образуют правильные тетраэдры с ковалентными связями, а структура твердая. Температура плавления графита составляет около 3652-3697°C, а ковалентная связь в слое стабильна. Высокая температура плавления делает углерод стабильным в высокотемпературной среде и используется в высокотемпературных областях промышленности.

Температура кипения

Температура кипения алмаза и графита составляет около 4827°C при нормальных условиях. Углерод трудно переходит из твердого состояния в газообразное, для изменения состояния требуется чрезвычайно высокая температура. В промышленной и жилой среде физико-химические свойства углерода стабильны, он нелегко поддается летучему разложению.

Растворимость

Углерод нерастворим в воде, обычных органических растворителях, растворах кислот и щелочей. Благодаря стабильной атомной структуре и сильным межатомным силам молекуле растворителя трудно нарушить элементарную структуру углерода и его действие. А растворимость в большинстве растворителей крайне низка.

Проводимость

В слоистой структуре графита есть свободные электроны, он хорошо проводит электричество, и его можно использовать для электродов. Электроны алмаза связаны ковалентными связями и практически не проводят электричество. Фуллерены и углеродные нанотрубки обладают определенной электропроводностью, графен имеет высокую подвижность электронов, отличную электропроводность и большой потенциал в электронной области.

Химические свойства углерода

Стабильность

При комнатной температуре химические свойства карбонизата стабильны. Четыре электрона в самом внешнем слое его атома нелегко набирать или терять электроны. Требуется большая энергия, чтобы нарушить стабильную структуру и участвовать в химических реакциях. Поэтому углеродсодержащие культурные реликвии, картины и росписи могут сохраняться долгое время.

Воспламеняемость

Он легко воспламеняется и при достаточном количестве кислорода полностью сгорает с образованием углекислого газа, выделяя большое количество тепловой энергии. Угарный газ образуется в результате неполного сгорания при недостатке кислорода, а реакция горения - важный способ получения энергии.

Редуцируемость

Обладает значительной восстановительной способностью при высоких температурах. Он может реагировать с оксидами металлов, захватывать кислород в оксидах и восстанавливать металл. Его можно широко использовать для извлечения металлов в металлургической промышленности, и он играет ключевую роль.

Реакции с другими веществами

При определенных условиях он вступает в реакцию с различными веществами. При высоких температурах он реагирует с серой, образуя дисульфид углерода, реагирует с водяным паром, образуя монооксид углерода и водород. Полученные продукты находят широкое применение в химической и топливной промышленности.

Quadrivalence

Четыре крайних электрона четвертичного атома углерода находятся в четвертичном состоянии. Он может образовывать 4 ковалентные связи с различными атомами для построения сложных и разнообразных соединений, от простых органических веществ до биологических макромолекул. Он является основой органического мира и живой материи и имеет огромное значение.

Цепочка

Его атомы могут быть соединены в цепочки посредством ковалентных связей, то есть цепочек. Она может образовывать прямую цепь, разветвленную цепь или кольцевую структуру, длина и структура цепи влияют на свойства соединений. Это основа образования многих органических соединений, поддерживающая огромную систему органической химии.

Электронная структура

Электронная конфигурация атома углерода - 1s22s22p2. Такая структура определяет его химическое поведение, а четыре крайних электрона позволяют ему легко обмениваться электронами с другими атомами для образования связей. А также набирать и терять электроны при определенных условиях и участвовать в различных химических реакциях.

Электроотрицательность

Его электроотрицательность составляет около 2,55 (по шкале Паулинга), между металлами и неметаллами. В соединении с разными элементами химическая связь имеет разную полярность из-за разницы в электроотрицательности. Это влияет на химическую активность и физические свойства соединения.

Связь между свойствами и применением

Применение определяется физическими свойствами

Его физические свойства разнообразны, что делает его применение богатым. Твердость алмаза называют венцом природы, и он имеет значительные преимущества в области резки и шлифовки. Например, при резке стекла и обработке цементированного карбида. Графит обладает хорошей электропроводностью и может широко использоваться в электродах аккумуляторов для обеспечения цикла заряда и разряда. Графен обладает отличной электропроводностью и сверхвысокой гибкостью, что делает его идеальным материалом для гибких экранов дисплеев и носимых электронных устройств. Высокая прочность углеродных нанотрубок позволяет улучшить характеристики композитных материалов. Его можно использовать в таких областях, как аэрокосмическая промышленность, где предъявляются высокие требования к прочности материалов.

Применение определяется химическими свойствами

Его химические свойства определяют его применение в ряде ключевых областей. Благодаря горючести уголь и природный газ становятся важными источниками энергии. При горении выделяется большое количество тепловой энергии, что позволяет удовлетворять энергетические потребности промышленного производства и повседневной жизни. Восстановительная способность заставляет его играть ключевую роль в металлургической промышленности, восстанавливая металлы из их оксидов. Квадривалентность и цепная способность атомы углерода являются основой для построения органических соединений. А синтез лекарств, пластмасс, каучука и т.д. опирается на это, обеспечивая богатое разнообразие продуктов для современного общества.

Заключение

Благодаря своим уникальным свойствам углерод играет важную роль в природе и человеческом обществе. Его аллотропные свойства определяют широкий спектр применений, а химические свойства поддерживают жизнь и промышленность. В будущем исследования в этой области будут углубляться и помогут решить такие проблемы, как энергетика.