Властивості вуглецю: Всебічний огляд

У світі елементів вуглець є унікальним і сліпучим. Від органічних молекул, основи життя, до ключових матеріалів для промисловості - він всюди. Вивчення властивостей вуглецю дає нам розуміння перетину природи і технологій, складу речовини і хімічних реакцій.

Фізичні властивості вуглецю

Огляд алотропів

Карбон може утворювати різноманітні алотропи, такі як алмаз, графіт тощо. Хоча вони складаються з атомів вуглецю, але атомне розташування і способи з'єднання відрізняються. Фізичні та хімічні властивості значно відрізняються, а прикладні дослідження мають велике значення в матеріалознавстві, електроніці та інших галузях.

Характеристики алмазів

Алмаз - найтвердіша речовина в природі, його твердість за шкалою Мооса становить 10 одиниць. Його атоми мають тетраедричну структуру, сильну атомну силу зв'язку, зносостійкість і стійкість до тиску, використовується для різання свердління. Він безбарвний і прозорий, заломлення сильне, є дорогоцінним каменем. Висока теплопровідність, можна використовувати для електронного розсіювання тепла, але майже не проводить тепло.

Властивості графіту

Текстура графіту м'яка і гладка. Він має шарувату структуру і легко прослизає між шарами. Часто можна використовувати графіт як мастило при високій температурі і високому тиску. Він має хорошу електропровідність, вільні електрони в шарі. І ви можете використовувати графіт в літій-іонній батареї анод матеріали та двигун щітки для забезпечення заряду і розряду та передачі струму.

Інші характеристики алотропів

Фулерени, такі як С60, є комірчастими, оптично активними, можуть утворювати комплекси з іонами металів і мають потенціал в оптоелектронних пристроях та каталізі. Вуглецеві нанотрубки мають нанометровий діаметр, високу міцність, хорошу електро- і теплопровідність. А використовувати їх можна в галузі наноелектроніки та композитних матеріалів. Графен - одношаровий двовимірний матеріал з чудовими електричними, механічними та тепловими властивостями. І він має широкі перспективи в гнучких електронних пристроях.

Короткий огляд загальних фізичних властивостей

Зовнішній вигляд

Діамант безбарвний і прозорий, блищить після полірування і є ювелірним матеріалом. Графіт темно-сірий з металевим блиском, пластівчастий, гладкий на дотик. Фулерени - це чорний або коричневий порошок, вуглецеві нанотрубки - надзвичайно тонкі чорні трубки. А графен - це майже прозорий, двовимірний лист з характерною зморшкуватою текстурою.

Щільність

Алмаз близько 3,5-3,53 г/см3, атоми щільно упаковані; графіт близько 2,09-2,23 г/см3, між шарами є проміжок. Фулерени - близько 1,65 г/см3, вуглецеві нанотрубки - 1,3-1,4 г/см3, графен - близько 2,267 г/см3, густина змінюється в залежності від атомного розташування та структури.

Температура плавлення

Температура плавлення алмазу перевищує 3500°C, атоми утворюють правильні тетраедри з ковалентними зв'язками, і структура є твердою. Температура плавлення графіту становить близько 3652-3697°C, а ковалентний зв'язок у шарі стабільний. Висока температура плавлення робить вуглець стабільним у високотемпературному середовищі і використовується у високотемпературних промислових галузях.

Температура кипіння

Температура кипіння алмазу та графіту становить близько 4827°C за нормальних умов. Вуглецю важко перейти з твердого стану в газоподібний, для зміни стану потрібна надзвичайно висока температура. У промисловому та побутовому середовищі фізичні та хімічні властивості вуглецю стабільні, нелегко піддаються летючому розкладанню.

Розчинність

Вуглець не розчиняється у воді, звичайних органічних розчинниках, розчинах кислот і лугів. Завдяки стабільній атомній структурі та сильній міжатомній взаємодії, молекулі розчинника важко зруйнувати елементарну структуру вуглецю та його дію. А розчинність у більшості розчинників надзвичайно низька.

Провідність

Структура графітового шару має вільні електрони, добре проводить електричний струм, і його можна використовувати для виготовлення електродів. Електрони алмазу зв'язані ковалентними зв'язками і майже не проводять електрику. Фулерени та вуглецеві нанотрубки мають певну електропровідність, графен має високу рухливість електронів, відмінну електропровідність і великий потенціал в електронному полі.

Хімічні властивості вуглецю

Стабільність

При кімнатній температурі хімічні властивості карбонізації стабільні. Чотири електрони в зовнішньому шарі його атома нелегко отримати або втратити. Потрібна велика енергія, щоб порушити стабільну структуру і взяти участь у хімічних реакціях. Тому вуглецевмісні культурні реліквії, картини та полотна можуть зберігатися протягом тривалого часу.

Займистість

Він легкозаймистий і повністю згорає з утворенням вуглекислого газу, коли кисню достатньо, виділяючи при цьому багато теплової енергії. Чадний газ утворюється в результаті неповного згоряння, коли кисню недостатньо, а реакція горіння є важливим способом отримання енергії.

Зменшуваність

Має значну відновлюваність при високих температурах. Він може реагувати з оксидами металів, захоплювати кисень в оксидах і відновлювати метал. Ви можете широко використовувати його у видобутку металу в металургійній промисловості, і він відіграє ключову роль.

Реакції з іншими речовинами

За певних умов він реагує з різними речовинами. За високих температур він реагує з сіркою, утворюючи сірковуглець, реагує з водяною парою, утворюючи чадний газ і водень. Ці продукти мають важливе застосування в хімічній та паливній галузях.

Квадрівалентність

Чотири зовнішні електрони четвертинного атома вуглецю перебувають у четвертинному стані. Він може утворювати 4 ковалентні зв'язки з різними атомами для побудови складних і різноманітних сполук, від простих органічних речовин до біологічних макромолекул. Він є основою органічного світу та живої матерії і має величезне значення.

Ланцюговий

Його атоми можуть з'єднуватися в ланцюги за допомогою ковалентних зв'язків, тобто утворювати ланцюги. Він може утворювати прямий ланцюг, розгалужений ланцюг або кільцеву структуру, довжина і структура ланцюга впливають на властивості сполук. Він є основою утворення багатьох органічних сполук, підтримуючи величезну систему органічної хімії.

Електронна структура

Електронна конфігурація атома вуглецю - 1s22s22p2. Ця структура визначає його хімічну поведінку, а чотири крайні електрони дозволяють йому легко ділитися електронами з іншими атомами, утворюючи зв'язки. А також набувати і втрачати електрони за певних умов та брати участь у різних хімічних реакціях.

Електронегативність

Він має електронегативність близько 2,55 (за шкалою Полінга), між металами і неметалами. У сполуці, при з'єднанні з різними елементами, хімічний зв'язок має різну полярність через різницю електронегативності. Це впливає на хімічну активність і фізичні властивості сполуки.

Зв'язок між об'єктом нерухомості та додатком

Застосування визначаються фізичними властивостями

Його фізичні властивості різноманітні, що робить його багатим на застосування. Алмазну твердість називають вінцем природи, і вона має значні переваги в області різання і шліфування. Наприклад, різання скла та обробка цементованого карбіду. Графіт має хорошу електропровідність, і ви можете широко використовувати його в електродах акумуляторів для забезпечення циклу заряду і розряду. Графен має чудову електропровідність і надвисоку гнучкість, що робить його ідеальним матеріалом для гнучких екранів дисплеїв та електронних пристроїв, що носяться. Висока міцність вуглецевих нанотрубок може підвищити продуктивність композитних матеріалів. І ви можете використовувати його в таких галузях, як аерокосмічна, де до міцності матеріалів висуваються високі вимоги.

Застосування визначається хімічними властивостями

Хімічні властивості вугілля визначають його застосування в ряді ключових галузей. Легкозаймистість робить вугілля та природний газ важливими джерелами енергії. При згорянні виділяється багато теплової енергії для задоволення енергетичних потреб промислового виробництва та повсякденного життя. Відновлюваність дозволяє йому відігравати ключову роль у металургійній промисловості, відновлюючи метали з їхніх оксидів. Квадривалентність і ланцюгова здатність атоми вуглецю є основою для побудови органічних сполук. А синтез ліків, пластмас, каучуку тощо спирається на них, забезпечуючи сучасне суспільство найрізноманітнішими продуктами.

Висновок

Вуглець відіграє важливу роль у природі та людському суспільстві завдяки своїм унікальним властивостям. Його алотропні властивості визначають широкий спектр застосування, а хімічні властивості підтримують життя і промисловість. У майбутньому його дослідження поглиблюватимуться і продовжуватимуть допомагати вирішувати такі проблеми, як енергетика.