Углерод имеет 9 наиболее известных аллотропических модификаций: Графит – серо-черное вещество, очень мягкая масса с металлическим блеском,проводящая электрический ток. Алмаз – самое твердое из известных во вселенной кристаллических материалов.Имеет ГЦК решетку, a = 0,5606 нм, то есть атомы расположены очень близко. Переход отграфита к алмазу при н.у. не происходит;Карбин – цепочки (параллельно ориентированных) углеродных атомов с spгибридизацией в виде прямолинейных молекул (в зависимости от структуры (двойные илитройные-одинарные связи) цвет тоже разный); Лонсдейлит – в земных условиях не существует (только в космосе);Фуллерен – сфера из шестизвенных и пятизвенных кусков атомов. Внутри молекула полая и называется фуллерен, если молекул много, то это вещество называют фуллерит, если «пору» внутри заполнить чем-либо, то такое вещество называют фуллерид. Образуются такие молекулы при высоком давлении и температуре;Углеродные нанотрубки – монослой из слоя атомов углерода, свернутый в трубку;Аморфный углерод – не имеет структуры (скопление частиц);Чаоит – смесь карбина и аморфного углерода;Графен – одна плоскость-монослой графита. Эти плоскости имеют одну свободную связь, на эти связи «сажают» разные металлы, радикалы, ОН-группы (функционализация). 2.В чём состоят отличия структур и свойств алмаза и графита? Основное отличие — это строение алмаза и графита. Алмаз представляет собой минерал, форму углерода. Характеризуется метастабильностью, что означает, что он способен оставаться в неизменно вид бесконечно долго. Алмаз переходит в графит при некоторых специфических условиях, например, при высокой температуре в вакууме. 3. Перечислите области практического применения углерода Топливо/Энергетика Металлургия Углерод используется для получения чугуна, стали. В настоящее время углерод незаменим в металлургии. Также используется в качестве электродов, тиглей, нагревательных элементов; Алмазы 16 Алмазные пленки используются как напыления для хирургических инструментов. Как режущие инструменты. Также алмаз используется в электротехнике и электронике (угольные резисторы, химические источники питания) благодаря тому, что не проводит ток; Атомная энергетика/Ядерные исследования В эти областях используется углерод в форме графита, поскольку это самый распространенный отражатель ионного излучения и благодаря своей низкой стоимости широко используется в атомной энергетике. Изотопы углерода используются для археологических исследований; Медицина Углеродные волокна, благодаря своей пористости и хорошим адсорбционным свойствам используются как эндопротезы, сердечные клапаны, для очистки организма от токсических веществ, при лечении ожегов, очистке крови; Химическое производство Углерод используется как катализатор при изготовлении противогазов, полимерные полуфабрикаты, пленки, ткани. 4 .Кратко опишите способы получения искусственных алмазов 1Прямой переход графита в алмаз в условиях высоких давлений и температур (без участия посторонних веществ) Pст = 1,5∙1010 ÷ 2,2∙1010 Па, Т = 2500 ÷ 3700 К; 2. Каталитический синтез алмазов (основной метод) Используют катализаторы в виде металлических сплавов и соединений: а) химическая реакция углерода с расплавленным металлом с образованием карбида: Fe + Cграфит → Fe3C7 → Fe3C + Cалмаз б) возникновение микрозародышей алмазной фазы и их рост в) кристаллизация алмаза как макроскопической фазы; 3. Прямое превращение графита в алмаз под действием ударной волны (7 – 8 км/с; 20 – 30 Па; 3000 – 4000 К). Отделяют механически. Данный способ позволяет получать алмазы от 4 нм, коалесценция увеличивает их до 40 – 90 нм. Плотность данных алмазов хорошо коррелирует с природными алмазами; 4. Синтез алмазов из различных форм углерода. В результате внешнего воздействия структура внешнего материала может разрушаться вплоть до разрушения связей. Продуктами столкновения таких связок является 17 циклагексан – зародыш структуры алмаза. В процессе взаимодействия этих структур происходит образование наноалмазов. Коалесценция приводит к их росту; 5. Получение синтетических алмазных поликристаллов. В камеру высокого давления помещают углеродистый материал и металл. Реакционную ячейку сжимают до 5 ГПа при Т = 1500 К, в течении времени,необходимого для получения алмаза; 6. Пиролитический синтез алмазов Этот метод позволяет смягчить условия получения алмаза, основная концепция – выделение из органики графита и аморфного углерода – метод «химического выпаривания» 5.Приведите примеры использования алмаза в технологических процессах Применение алмазов в ювелирном деле, Cтpoитeльныe paбoты , Пpибopocтpoeниe Из aлmaзa дeлaют тыcячи moдeлeй ycтpoйcтв, дeтaлeй и видoв инcтpymeнтoв. Их cлoжнo пepeчиcлить. Ocнoвныe и нaибoлee извecтныe:фpeзa;шлифoвaльный kpyг;cтekлopeз;Meдицинa Иcпoльзyeтcя maтepиaл для изгoтoвлeния meдицинckих ckaльпeлeй. Ocтpыe лeзвия дaют тoнkий paзpeз. Пpeдcтaвить дeйcтвия хиpypгa бeз aлmaзнoгo ckaльпeля ceгoдня пpakтичeckи нeвoзmoжнo. Учёныe нe зaвepшили paбoты нaд твёpдыm maтepиaлom. Meдицинckий лaзep – oднo из пocлeдних paзpaбoтok. Mинepaл являeтcя пpoвoдниkom пpибopa. Нoвыe нayчныe изыckaния moгyт пoявитьcя в любoe вpemя.TeлekommyниkaцииKpиcтaлл пoзвoляeт пpoхoдить чepeз oдин kaбeль paзнo чacтoтныm линияm cвязи. Oн нe бoитcя пepeпaдoв тemпepaтypы, тepпит ckaчkи нaпpяжeния. 6. Углеродные волокна, их классификация, технологии их получения и исходные материалы. Материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 5 до 15 микрон, образованных преимущественно атомами углерода. Атомы углерода объединены в микроскопические кристаллы, выровненные параллельно друг другу. Выравнивание кристаллов придает волокну большую прочность на растяжение. Углеродные волокна характеризуются высокой силой натяжения, низким удельным весом, низким коэффициентом температурного расширения и химической инертностью. При такой классификации все волокнистые углеродные материалы можно разделить на две большие группы: угольные и графитированные, или низко- и высокотемпературные. Их получают в электрической дуге при каталитическом сжигании газов, а также электролитическим синтезом, а также комбинацией методов. Также возможно получение УВ из полимеров высокотемпературной обработкой, затем их спекают в нити, покрывают специальными веществами и отжигают, чтобы в волокнах остался один углерод. В зависимости от сырья режим отжига также варьируется. Чтобы сделать УВ достаточно двух стадий, для получения же графитовых волокон необходима третья – высокотемпературная. 7 Благодаря каким свойствам углеродные волокна признаны материалом 21-говека? Атомы углерода объединены в микроскопические кристаллы, выровненные параллельно друг другу. Выравнивание кристаллов придает волокну большую прочность на растяжение. Углеродные волокна характеризуются высокой силой натяжения, низким удельным весом, низким коэффициентом температурного расширения и химической инертностью 8. Опишите области применения углеродных волокон. Медицина (углеродные конструкционные материалы биосовместимы, долговечны, близки по своим значениям к живой ткани организма). Биосовместимость определяется: а) электрохимическим потенциалом (+ 0,330 мВ) б) поверхностной энергией по отношению к живому материалу (20 Р/см2 ). 9.Что представляют собой углерод-углеродные композиционные материалы (УУМК)? Углерод-углеродные композиты. Углерод-углеродные композиционные материалы — такие материалы, матрица и наполнитель которых состоят из углерода. В качестве наполнителя применяют углеродные волокна, ленты и ткани углеродными матрицами могут быть коксы пеков, синтетических смол, пироуглерод 10.Опишите термоградиентные технологии получения УУМК Общепринятая технология производства углеродного волокна основана на термической обработке различных органических волокон: 1. гидратцеллюлозных (ГТЦ), (вискозные), 2. полиакрилонитрильных (ПАН), 3. пека (смола из нефти или каменного угля), 4. полиэфиров, 5. полиамидов (-NH2), полиимидов (=NH), 6. поливинилового спирта (ПВС), 7. поливинилдехлорида, 8. поли-п-фенилена, 9. фенольных смол и т.д. 11..Назовите перспективные области применения УУМК. Основными потребителями графитовых материалов являются металлургия, химическая промышленность и атомная энергетика. В настоящее время мировые цены графитовых материалов находятся в пределах от 3 USD/кг (электродная продукция) до 40-200 USD/кг для специальных конструкционных и особо чистых материалов. Объем мирового производства УУКМ в настоящее время составляет 230-450 т/год, цены материалов 2D структур армирования колеблются в пределах 110-2900 USD/кг, 3D и 4D структур - 1100-3300 USD/кг и более.Примерно 81% углерод-углеродных материалов используются для тормозных дисков самолетов, 18% -для ракетно-космической техники и только 1% - для всех остальных сфер применения. При резком спаде потребностей ракетно-космической техники, объем производства тормозных дисков для самолетов в последние годы (после 1990 г.) устойчиво растет на 12% ежегодно. 12. Углеродные нанотрубки (УНТ): классификация, строение. Углеродные нанотрубки представляют собой молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных модификаций углерода. Они представляют собой протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной от одного до нескольких микрон.Однослойные нанотрубки (single-walled nanotubes, SNWTs) – простейший вид нанотрубок. Большинство из них имеют диаметр около 1 нм при длине, которая может быть во много тысяч раз больше. Структуру однослойных нанотрубок можно представить как «обертывание» гексагональной сетки графита (графена) Многослойные нанотрубки (multi-walled nanotubes, MWNTs) состоят из нескольких слоев графена, сложенных в форме трубки. Расстояние между слоями равно 0.34 нм, то есть такое же, как и между слоями в кристаллическом графите.Многослойные (multi-walled) нанотрубки отличаются от однослойных значительно более широким разнообразием форм и конфигураций. Разнообразие структур проявляется как в продольном, так и в поперечном направлении.Структура типа «матрёшки» (russian dolls) представляет собой совокупность коаксиально вложенных друг в друга цилиндрических трубок 13 . Это наноматериал, который обладает высоким коэффициентом прочности, превосходной теплои электропроводностью, огнестойкостью.Улучшение свойств других материалов при внедрении в них небольшого количества углеродных нанотрубок.Углеродные нанотрубки с открытым концом проявляют капиллярный эффект, то есть они могут втягивать в себя расплавленные металлы и иные жидкие вещества;Нанотрубки сочетают в себе свойства твердого тела и молекул, что открывает значительные перспективы. 14. Способы получения УНТ. В настоящее время наиболее распространенным является метод термического распыления графитовых электродов в плазме дугового разряда. CVD (chemical vapor deposition) на созданной экспериментальной установке химического осаждения паров углеводородов, И СВС 15.Применения в фотонике и оптике. Подбирая диаметр нанотрубок можно обеспечить оптическое поглощение в большом спектральном диапазоне. Применение в электронике. На данный момент заявлено множество способов использования нанотрубок в электронике, однако реализовать удается лишь небольшую ее часть. Создание сенсоров. Углеродные нанотрубки для сенсоров – одно из наиболее интересных решений. Создание биочипов, биосенсоров, контроля адресной доставки и действия лекарств в биотехнологической отрасли. Работы в данном направлении сегодня вовсю ведутся. 16. Фуллерены: история открытия, строение, классификация. При определенных условиях С60 могут упорядочиваться и образовывать молекулярный кристалл, называется фуллерит и имеет ГЦК структуру, a = 1,41 нм, dC60 = 0,714 нм Своим названием фуллерены обязаны инженеру и архитектору Ричарду Бакминстеру Фуллеру, чьи геодезические конструкции построены по этому принципу. Существуют модели сборки фуллеренов: 19 Из графита (фуллерен образуется из плоских лепестков графита в процессе абляции (унос вещества с поверхности твердого тела): структуры могут быть дефектными (пятигранные грани), что позволяет образовываться фуллерену); Модель «улитки» (в случае, если углеродный кластер, растущий в плазме имеет форму изогнутого листка, связи которого образуют пяти и шести угольники, аналогично структуре фуллерена, в процессе роста этот «лепесток» стремится свернуться чтобы было минимум свободных связей, данная модель не связывает образование графита при абляции); Сборка фуллеренов из кластеров (собираются из различных кластеров, чья структура совпадает со структурой фуллерена, по этой модели фуллерены собираются в С60); Сборка из колец; Отжиг углеродных кластеров. 17. Физико-химические свойства фуллеренов. Свойства фуллеренов недостаточно изучены в силу объективных причин: относительно небольшое количество лабораторий имеет возможность изучать эти свойства.Согласно данным [6], к свойствам фуллеренов относится аномально высокоя стабильность, о которой свидетельствуют результаты исследований процессов с участием фуллеренов. В частности, автор [7] отмечает, что кристаллический фуллерен существует как стабильное вещество вплоть до температур 1000 – 1200 К, что объясняется его кинетической устойчивостью. Правда это касается стабильности молекулы фуллерена С60 в инертной атмосфере аргона [8], а в присутствии кислорода наблюдается значительное окисление уже при 500 К с образованием CO и CO2. 18. Способы получения фуллеренов Известны две группы методов получения фуллеренов: возгонка графита с последующей десублимацией и пиролиз углеводородов. При возгонке графита, требующей температур выше 2000 К Для перевода графита в газовую фазу применяют также магнетронное распыление. Наиболее распространенным и относительно простым методом получения фуллеренов в лаборатории является возгонка и десублимация графита в электрической дуге, горящей между графитовыми электродами в потоке инертного газа (чаще всего – гелия). Пиролиз углеводородов с образованием фуллеренов реализован в двух основных вариантах: · при нагревании углеводородов без окислителей (в частности, с использованием микроволновой плазмы, индуктивно-связанной плазмы или лазерного излучения); · при частичном сжигании углеводородов. 17. Перспективы использования фуллеренов. Создание новых конструкционных материалов с уникальными свойствами для использования в строительстве инженерно-технических сооружениях и в изготовлении средств индивидуальной защиты.2 Улучшение эксплуатационных характеристик транспортных средств и других специальных механизмов.3 Получение новых композиционных материалов электротехнического назначения. 4 Получение новых композиционных материалов для оптического и радиоэлектронного противодействия.5 Создание материалов и микроэлектронных изделий специального назначения.6 Разработка новых технологий в медицине. 18. Астралены :строение, свойства, способы получения. 19.Астрале́ны — фуллероидные соединения, представляющие собой многослойные п олиэдральные структуры из атомов углерода размером 80÷150 нм. Астралены представляют собой гигантские молекулы в форме тора, составленные из сочетания углеродных гексагонов и пентагонов. Астралены получают как побочный продукт производства фуллеренов путем термического распыления графитового анода в плазме дугового разряда, горящей в атмосфере инертного газа. Продукты распыления осаждаются на охлаждаемых стенках камеры, и, в основном, на поверхности катода. 20 . Применение добавка-модификатор для полимерных и неорганических композиционных матералов, а также композиционных сплавов; компонент специализированных сорбентов; антифрикционная добавка к конструкционным материалам и смазкам; элемент холодных катодов; элемент нелинейно-оптических систем, в том числе широкополосных ограничителей лазерного излучения;компонент фотохимических генераторов синглетного кислорода 21Графен и его производные Графе́н (англ. graphene) — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом. Атомы углерода находятся в sp²-гибридизации и соединены посредством σи π-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость слоистого графита, отделённую от объёмного кристалла. По оценкам, графен обладает большой механической жёсткостью[4] и рекордно [5] большой теплопроводностью . Высокая подвижность носителей заряда, которая оказывается максимальной среди всех известных материалов (при той же толщине), делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники[6] и возможную замену кремния в интегральных микросхемах. 22 получение графена Один из существующих в настоящее время способов получения графена в условиях научных лабораторий[7][8] основан на механическом отщеплении или отшелушивании слоёв графита от высокоориентированного пиролитического графита. Он позволяет получать наиболее качественные образцы с высокой подвижностью носителей. Этот метод не предполагает использования масштабного производства, поскольку это ручная процедура. Другие известные способы — метод термического разложения подложки карбида кремния[9][10] и xимическое осаждение из газовой фазы — гораздо ближе к промышленному производству. С 2010 года доступны листы графена метрового размера, выращенные с помощью последнего метода[11].
