Чому вуглець має високу температуру плавлення?

У галузі хімії та матеріалознавства вуглець привертає велику увагу завдяки своїм унікальним властивостям і широкому розповсюдженню. Надзвичайно висока температура плавлення надає йому стійкості в екстремальних умовах. Він відіграє ключову роль у пірометалургії, виробництві вогнетривів і надтвердих матеріалів.

Структура вуглецю

У природі вуглець має безліч алотропів, таких як алмаз, графіт та фулерену. Через різне розташування атомів фізичні та хімічні властивості сильно відрізняються.

Алмаз - це атомний кристал, атоми вуглецю в якому з'єднані ковалентними зв'язками для побудови тривимірної мережевої структури. Кожен атом вуглецю і навколишні чотири атоми вуглецю з'єднані, утворюючи правильний тетраедр, загальна структура стабільна.

Графіт шаруватий, атоми вуглецю в шарі утворюють гексагональну мережу з ковалентними зв'язками, і ці ковалентні зв'язки міцні. На шар діє слабка сила Ван-дер-Ваальса. Завдяки цьому графіт має хорошу провідність і змащувальні властивості в паралельному напрямку шару, а також певну стабільність.

Представлений C60Фулерен мав форму футбольного м'яча і складався з 60 атомів вуглецю у вигляді кулі. Кожен атом вуглецю був з'єднаний з трьома сусідніми атомами вуглецю за допомогою ковалентного зв'язку. Завдяки ковалентному зв'язку фулерен мав певну стабільність.

Причини високої температури плавлення вуглецю

Ковалентний зв'язок

Висока температура плавлення вуглецю в основному пояснюється його потужним ковалентним зв'язком між атомами. У алмазі кожен атом вуглецю утворює міцний ковалентний зв'язок з чотирма сусідніми атомами вуглецю. Ковалентні зв'язки - це зв'язки, утворені шляхом обміну електронами між атомами, які по суті є сильним притяганням ядра до пари спільних електронів. У структурі алмазу цей ковалентний зв'язок може бути дуже сильним. І щоб розірвати ці ковалентні зв'язки і відокремити атоми вуглецю, потрібно багато енергії.

Візьмемо для прикладу алмаз: його зв'язок С-С має енергію близько 347 кДж/моль. При нагріванні енергії, що надходить із зовнішнього світу, повинно бути достатньо для подолання цих ковалентних зв'язків. Щоб змінити відносне положення атома вуглецю і таким чином перетворити його з твердого стану в рідкий. На противагу цьому, деякі молекули речовини, такі як лід, взаємодіють з силою Ван-дер-Ваальса через слабші водневі зв'язки і температуру плавлення 0. Коли лід тане, йому потрібно лише зруйнувати ці слабкі сили між молекулами. Не руйнуючи ковалентні зв'язки всередині молекул води, тому для цього потрібно менше енергії.

У графіті між шарами існує слабка сила Ван-дер-Ваальса. Атоми вуглецю в кожному шарі утворюють стабільну плоску мережу за допомогою ковалентних зв'язків. Ковалентний зв'язок у цьому шарі також має високу енергію зв'язку. Так що при нагріванні графіту структура шару може підтримуватися відносно стабільною. І потрібна більш висока температура, щоб змусити всю структуру значно змінитися.

Атоми вуглецю щільно упаковані

Окрім дії ковалентних зв'язків, щільне скупчення атомів у кристалічній структурі вуглецю також відіграє важливу роль у його високій температурі плавлення. У тривимірній сітці алмазу атоми вуглецю розташовані дуже впорядковано і компактно. Таке щільне скупчення робить відстань між атомами дуже малою, а взаємодія між атомами ще більше посилюється.

Згідно з теорією кристалічної структури, щільне скупчення атомів може підвищити щільність і стабільність кристалів. В алмазах енергія решітки більша через компактне скупчення атомів. Енергія решітки - це енергія, яку іонний кристал поглинає в газоподібні позитивні іони та газоподібні негативні іони за стандартних умов. Для атомних кристалів її можна порівняти з енергією, необхідною для руйнування кристалічної структури. Чим більша енергія кристалічної решітки, тим стабільніший кристал, тим вища температура плавлення.

Хоча між шарами графіту є певний проміжок, атоми вуглецю в кожному шарі також щільно розташовані. Таке щільне накопичення в шарі також допомагає підвищити стабільність і температуру плавлення графіту. У кожному шарі графіту гексагональна сітчаста структура, утворена атомами вуглецю, змушує взаємодію між атомами досягати рівноважного стану. Щоб порушити цю рівновагу, потрібна висока енергія.

Порівняння температури плавлення вуглецю з іншими елементами

Порівняно з іншими елементами, температура плавлення вуглецю має значні переваги над поширеними елементами.

Візьмемо для прикладу залізо, його температура плавлення становить близько 1538 °C, це металевий кристал, пов'язаний металевими зв'язками. І взаємодія між катіонами металу та вільними електронами долається, коли він плавиться.

А сірка часто існує у вигляді S8 молекули, молекулярні кристали. Саме завдяки слабкій ван-дер-ваальсовій силі між молекулами, температура плавлення становить лише 115,21°C.

Вуглець, чи то алмаз, чи то графіт, еквівалентний алотроп, завдяки міжатомному ковалентному зв'язку та тісній структурі упаковки, має набагато вищу температуру плавлення, ніж багато поширених елементів. Температура плавлення вуглецю становить близько 3550 °C (3824K), він надзвичайно стабільний при високих температурах, що робить його ключовим матеріалом для спеціальних застосувань.

Практичне застосування високої температури плавлення вуглецю

Вогнетривкі матеріали:

Ви можете широко використовувати вуглець у виробництві вогнетривкі матеріали через його високу температуру плавлення. У металургійній промисловості футеровка високотемпературної печі повинна бути стійкою до високих температур і ерозії. Графітові та вуглецевмісні композитні матеріали можуть протистояти суворим умовам навколишнього середовища, захищати корпус печі та продовжувати термін її служби. Наприклад, графітовий тигель може витримувати високотемпературне плавлення розплавленої сталі у сталеплавильному виробництві.

Надтверді матеріали:

Алмаз, як алотроп вуглецю, став першим вибором для виготовлення надтвердих матеріалів завдяки своїй високій твердості та високій температурі плавлення. Алмазні інструменти використовуються в машинобудуванні, каменеобробці та інших галузях. При різанні на високій швидкості висока температура плавлення робить його стабільним при високій температурі і високому тиску. Підвищення точності та ефективності обробки. Ви також можете використовувати синтетичні алмази для виготовлення бурових інструментів для розвідки нафти та геологічної розвідки.

Електронні пристрої:

У сфері електронних пристроїв висока температура плавлення вуглецю відіграє важливу роль. Напівпровідниковий Виробництво вимагає високотемпературного середовища для росту кристалів, легування та інших процесів. Завдяки високій температурі плавлення, хорошій електропровідності та хімічній стабільності, ви можете використовувати його для виготовлення нагрівальних елементів, тиглів та інших компонентів. Для забезпечення точного контролю процесу виробництва напівпровідників і високої якості продукції.

Висновок

Висока температура плавлення вуглецю зумовлена його унікальною структурою, ковалентні зв'язки між атомами міцні та щільно упаковані, а плавлення вимагає багато енергії. Порівняно з іншими елементами, ця властивість робить його переважним у багатьох галузях. А також допоможе розробити більш високоефективні матеріали на основі вуглецю в майбутньому.