Формы существования углерода
Уголь (и сажа, оседающая на стенках печных труб) является аморфным веществом, которое состоит из атомов углерода преимущественно в основном (2-валентном) состоянии. До средины ХХ в. считалось, что чистый углерод имеет три основные формы существования: уголь, графит и алмаз. Рис. 1.1 Схема экспериментов для выявления возможных форм существования углерода. Рис. 1.2 Типичный масс-спектр углеродных… Читать ещё >
Формы существования углерода (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Углеродные кластеры
До средины ХХ в. считалось, что чистый углерод имеет три основные формы существования: уголь, графит и алмаз.
Уголь (и сажа, оседающая на стенках печных труб) является аморфным веществом, которое состоит из атомов углерода преимущественно в основном (2-валентном) состоянии.
Графит состоит из атомов углерода в состоянии sp2-гибридизации и имеет многослойную кристаллическую структуру. В каждом слое атомы углерода выстроены в правильные шестиугольники (как в бензольном кольце) и в гексагональную плоскую решетку. В ней каждый атом углерода соединяется у-связями с тремя ближайшими соседями, расположенными на расстояниях 0,1415 нм. А р-электроны становятся общими для всего слоя и дополнительно значительно укрепляют его. Они же предопределяют и высокую электропроводность графита. Слои из атомов углерода в кристалле графита связаны между собой относительно слабыми силами Ван дер Ваальса.
Алмаз состоит из атомов углерода в состоянии sp3-гибридизации, образующих объемную кристаллическую решетку из правильных тетраэдров. В ней каждый атом углерода соединяется sp3-орбиталями с четырьмя ближайшими соседями. Образованный кристалл является настолько прочным, что алмаз считается в материаловедении эталоном твердости и прочности.
Во второй половине ХХ в. было проведено много интересных исследований, которые показали, что возможных форм существования углерода имеется намного больше, чем считалось. Одна из наиболее успешных схем исследования показана на рис. 1.1.
Рис. 1.1 Схема экспериментов для выявления возможных форм существования углерода
Здесь 1 — пластина из высокочистого графита, 2 — форсунка, сквозь которую в герметически закрытую и откачанную от воздуха камеру 3 подается струя 4 инертного газа, обычно гелия. Во время эксперимента графит 1 разогревают до высоких температур лучом 5 от мощного лазера или электрической дугой с помощью графитового электрода 6. Достигается температура, достаточная для того, чтобы испарить из графита атомы углерода и перевести их во все вышеперечисленные возбужденные и гибридные состояния. Оторвавшиеся от графита и возбужденные атомы углерода переносятся потоком газа 7 дальше. Постепенно остывая в потоке расширяющегося газа, они химически взаимодействуют между собой и соединяются во все возможные кластеры (англ.cluster — кучка, скопление, сгусток) — образования из многих атомов. С помощью ртутной лампы 8 образованные кластеры облучаются ультрафиолетовым светом и ионизируются. Коллимирующий конус 9 «фокусирует» струю ионизированных кластеров и направляет ее в масс-спектрометр 10, где анализируется их массовый состав.
Типичный масс-спектр показан на рис. 1.2.
углеродный кластер фуллерен нанотрубка.
Рис. 1.2 Типичный масс-спектр углеродных кластеров
Вдоль горизонтали здесь отложена масса кластеров в единицах массы изолированного атома углерода, вдоль вертикали — относительная интенсивность соответствующих «масс-спектральных линий». Интенсивность «линий», начиная от массы в 38 масс атома углерода, показана в 10-кратном масштабе. Как видим, в испарениях графита выявлено присутствие разнообразных кластеров с массой, кратной массе атома углерода. Более вероятным и стабильным соединениям соответствуют и более интенсивные спектральные линии.