Просмотры:0 Автор:Pедактор сайта Время публикации: 2013-07-15 Происхождение:Работает
Почему углерод может составлять самый твердый материал в мире — алмаз, а также очень мягкий материал — графит?
Почему графит может проводить электричество, а алмаз — нет?
Почему углеродные волокна обладают высокой прочностью?
Вы путаете карбонизацию и графитацию?
Эта статья пытается популяризировать фундаментальную науку об углеродных материалах.
Углеродные материалы будут пониматься в атомных, кристаллических и микроскопических масштабах.
Атомный уровень
Материя состоит из атомов.Атомы состоят из ядер и дополнительных ядерных электронов, которые вращаются вокруг ядра, точно так же, как Земля вращается вокруг Солнца.Ядро состоит из протонов и нейтронов, которые не нужно понимать.Вам просто нужно
знать, что по числу протонов они делятся на разные элементы.Например, водород — это протон под номером 1, гелий — это протон под номером 2, поэтому углеродный элемент занимает шестое место в периодической таблице элементов, в его ядре шесть протонов, а количество электронов вне ядра такое же, как и чем у протонов, поэтому за пределами ядра атома углерода имеется шесть электронов.Вся масса атома сосредоточена в ядре, а массой электрона почти пренебрегают.Но не стоит недооценивать внеядерный электрон, который является ключом к определению того, как атом образует вещество.Отсюда возникают различные физические и химические свойства.
Дополнительные ядерные электроны регулярно вращаются вокруг ядра.Они движутся по орбитам на разном расстоянии от ядра.
леус. Так же, как у Солнца есть восемь планет (Плутон был изгнан), планеты имеют разные орбиты в зависимости от
о том, как далеко они находятся от солнце.Но тыкак планетарные орбиты солнечной системыТем не менее, орбиты вне ядра могут иметь два электрона на ближайшей орбите и восемь электронов на ближней орбите.другая орбита, о которой мы не будем говорить, потому что нас волнует только углерод. Итак, мы знаем, что углерод вомы состоят из ядер углерода и шести дополнительных ядер.r электронов, и есть два электрона в самом внутреннем слое атомов углерода и четыре электрона в подвнешнем слое.См. диаграмму.
Но это означает ты можешьn поместил в него восемь электронов.Если он не заполнен, то он будет нестабильным.Как нам поступить?Совместное использование электронов с окружающими атомами стабилизируетэлектронная связь, называемая ковалентной связью.Чтобы разорвать ковалентную связь и разделить два электрона, требуется много энергии.Один атом углерода образует ковалентную связь с четырьмя атомами углерода вокруг него.Четыре ковалентные связи отталкиваются друг от друга и образуют самый большой угол в пространстве.Угол между двумя ковалентными связями составляет 109 градусов.Поэтому мы часто видим атомную структуру диам.mond, как показано на рисунке 2. Вы можете видеть атомы углерода в виде маленьких шариков.Ковалентные связи представляют собой жесткие стержни, соединяющие шарики.Если вы хотите переместить какой-либо из шаров, это потребует перемещения окружающих шаров.Поэтому, если вы не сломаете жесткие стержни, соединяющие шары, вы не сможете легко передвигаться.Болл, вот почему алмазы такие твердые.Видите ли, свойства любого материала в материаловедении неразрывно связаны.Кроме того, внешние электроны атомов углерода образуют ковалентные связи с окружающими атомами углерода.Электроны зафиксированы между двумя ядрами и не могут свободно двигаться, даже если приложенного напряжения недостаточно, то ток не может образоваться, то есть алмаз не проводит электричество.
Так почему же существует плоская шестиугольная структура, такая как графит?Давайте сначала посмотрим на изображение гексагональной структуры графита.
Это принцип минимума энергии.Почему с гор скатываются камни и падают предметы со столов?Это потому, что все самопроизвольно трансформируется из высокой энергии в низкую, а затем высвобождает оставшуюся энергию.Объект на каменном речном столе на горе обладает высокой энергией, поэтому он самопроизвольно падает, а оставшаяся энергия преобразуется в яму на земле.Два соседних атома углерода в структуре графита расположены близко, поэтому энергия низкая.Не спрашивайте меня, почему.Просто нужно помнить, что графит, атом углерода, образует ковалентные связи с тремя другими атомами углерода в плоскости.Угол между каждыми двумя ковалентными связями составляет 120 градусов, поэтому энергия структуры наименьшая.Некоторые люди говорят, что атомы углерода в структуре алмаза также могут находиться на близком расстоянии, ах, мы не можем этого сделать, потому что два атома углерода, находящиеся рядом, будут отталкиваться другими атомами.Это очень взаимосвязано?Почему атомы углерода в структуре графита могут сближаться?Я предлагаю вам нарисовать на бумаге два вида структурных диаграмм.Угол ковалентной связи атомов углерода графита составляет 120 градусов.Места достаточно, чтобы приблизиться.Угол ковалентной связи алмаза составляет 109 градусов.Места не осталось.Дети с плохим пространственным чувством врезаются в стену.Не волнуйся.Просто нужно помнить, что графит – самая устойчивая структура.Это еще одна проблема.Итак, алмаз обладает высокой энергией, он может самопроизвольно переходить в структуру графита.Продавайте бриллианты, собранные дома.Если однажды он станет графитом, это будет нерентабельно.Это беспокойство излишне.Почему монеты из моего кармана не падают на пол?Монеты не имеют низкой энергии в моем кармане на земле.Это потому, что им приходится перепрыгивать со дна моего кармана в карман, чтобы выпасть.Если я буду прыгать вверх и вниз и давать им энергию, возможно, они выпадут.Аналогичным образом, хотя алмаз и нестабилен, он существует в течение длительного времени, которое называется метастабильным состоянием.Только отдавая энергию, он может самопроизвольно трансформироваться из алмазной структуры в графитовую.Если поместить алмаз в высокую температуру, он постепенно превратится в графит.Если не верите, попробуйте, но не просите меня за это платить.
Давайте посмотрим на структуру графита.Один атом углерода образует ковалентные связи с тремя атомами углерода вокруг него.Остальные электроны свободны выше или ниже плоскости.Каждый атом углерода имеет дополнительный свободный электрон, который представляет собой структуру графена.Когда атомы углерода стабильны, связь со свободными электронами мала, и свободные от напряжения электроны будут двигаться в очень быстром направлении.Вот почему графен относится к сверхпроводящим материалам с очень хорошей проводимостью и практически полным отсутствием сопротивления.Вот почему графен проводит электричество.Кроме того, слой электронов на гексагональной плоскости углерода может поглощать видимый свет, что может объяснить, почему графит черный.Когда свет падает на графит, он поглощается, то есть становится черным.
После атомного масштаба давайте посмотрим на кристаллический масштаб.Что такое кристалл?В материаловедении периодическое расположение атомов по определенным правилам представляет собой кристаллическую структуру.Посмотрите на структуру алмаза, это атом углерода и четыре атома углерода вокруг структуры правильного кубического периодического расположения, посмотрите на структуру графита, это атомы углерода и три атома углерода вокруг шестиугольной сетки, а затем периодическое повторение, это графитовый кристалл.В графитовых материалах такие плоскости сетки из шести элементов уложены одна за другой, а две плоскости сетки из шести элементов уложены друг на друга за счет взаимного притяжения свободных электронов.Эта связывающая сила очень слаба, поэтому под действием внешней силы очень легко поскользнуться.Вот почему графит можно использовать в качестве добавки к смазочному маслу, поскольку две плоскости могут свободно скользить и смазывать.По этой же причине в карандашах используется графит.Когда карандаши царапают бумагу, некоторые плоскости сетки затираются.Спуститесь и приклейтесь к бумаге.
Почему углеродные материалы устойчивы к коррозии?Вы можете видеть, что уголь продавался под землей сотни миллионов лет, а почва не подвергается коррозии в такой сложной среде.Посмотрите на поверхность старого деревянного столба, обожженного черным, зарытого в землю, потому что поверхность дерева обожжена древесным углем, чтобы предотвратить гниение деревянного столба в почве.Все это связано с коррозионной стойкостью углеродных материалов.Поскольку углерод обладает высокой активностью связывания с другими элементами, то есть с трудом вступает в реакцию при комнатной температуре, поэтому он может противостоять коррозии.Так почему же углерод так сильно реагирует с кислородом?Уголь легко горит, а графит легко окисляется.Согласно принципу горения, при соединении атомов углерода с атомами кислорода необходимо прервать первоначальное соединение атомов углерода и атомов углерода, а затем образовать связь с атомами кислорода.Потому что разрыв связи между атомами углерода и атомами углерода требует меньше энергии, чем связь между атомами углерода и атомами кислорода.То есть, когда атомы углерода соединяются с атомами кислорода, высвободившаяся энергия прерывает соединение атомов углерода и атомов углерода вокруг них, так что сочетание атомов углерода и атомов кислорода будет продолжать объединяться, а сочетание атомов углерода и атомы углерода будут продолжать прерываться, что и есть сгорание.
Когда дело доходит до кристаллической структуры, атомы должны располагаться неравномерно.Это аморфно.Как и аморфный углерод, он аморфен.На самом деле это относительные понятия.В мире не существует идеального кристалла.Даже в монокристалле атомы располагаются неравномерно.Аморфный углерод означает, что расположение атомов углерода беспорядочное и почти нерегулярное, и в атомах углерода еще остаются ненасыщенные электроны, то есть не образуется никакого устойчивого соединения.Таким образом, аморфный углерод может легко вступать в реакцию с кислородом, поскольку атомы кислорода сначала соединяются с атомами углерода, не образующими единой структуры, а затем самовозгорание под ними происходит самопроизвольно.
Давайте посмотрим на микроуровень.Как уже говорилось выше, атомы монокристалла расположены регулярно.Если весь объект расположен правильно, то это монокристалл.Но такие объекты редки.Большинство из них представляют собой мелкие зерна монокристалла, состоящие из атомов.Мелкие зерна можно синтезировать снова.Между зернами не обязательно должна быть четкая граница.Возможно, границы между зернами немного неупорядочены, а атомы углерода между ними связаны ковалентно.Что касается состава графита, атомы углерода образуют шестиэлементную сетку, а затем шестиэлементная сетка накладывается, образуя графитовые зерна.Зерна графита могут располагаться в шахматном порядке относительно соседних зерен графита, или направление решетки может быть смещено с образованием графитовых объектов.Разорвать шестиэлементную сетку, приложив внешние силы, очень сложно, поскольку ковалентные связи между атомами углерода и атомами углерода очень прочные.Но если где-то атомы углерода расположены неправильно или отсутствуют, то сила связи в этих местах относительно слаба, и вдоль таких мест будут распространяться трещины.Если наблюдать под микроскопом, сломанные порты графита в основном распространяются вдоль границ зерен между зернами.
Наконец, если углеродное волокно представляет собой идеальный монокристалл углерода с гексагональной плоскостью, то предел прочности достигнет 800 ГПа.Какова концепция?Прочность углеродных волокон Т700 составляет 4900 МПа, или 4,9 ГПа, что составляет всего около 1-200 от теоретической прочности.Поскольку внутренняя часть углеродных волокон принадлежит к неупорядоченной структуре графита, то есть имеется графитовая шестиэлементная структура сетки, но плоскость сетки относительно неупорядочена, имеются дефекты, которые серьезно ограничивают прочность углеродных волокон.Кроме того, ориентация шестиэлементной сетки не полностью параллельна направлению длины волокна, что также ограничивает прочность углеродных волокон.