Аллотропные модификации углерода
МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
СЫЧЕВСКАЯ СРЕДНЯЯ ШКОЛА № 1
АЛЛОТРОПНЫЕ МОДИФИКАЦИИ УГЛЕРОДА
2012
Оглавление
Введение ……………………………………………………………………..
Глава 1 История открытия и получения аллотропных модификаций
углерода ………………………………………………………
Глава 2 Области применения аллотропных модификаций
углерода ………………………………………………………
Глава 3 ООО «Сычёвский электродный завод» - ведущее предприятие
по производству графитовых
3.1 История становления и
3.2 Материалы для производства электродов……………….. стр.19
3.3 Технологический процесс
3.4 Центральная заводская
Заключение ………………………………………………………………...
Список литературы……………………………………………………
Введение
На протяжении нескольких столетий углерод является объектом изучения для учёных самых различных специальностей: химиков, физиков, материаловедов, геологов. Естественно, что для такого интереса должны быть веские причины, и их предостаточно, даже если оставить в стороне тот факт, что углерод является основой органической жизни.
С
уверенностью можно сказать, что
ни один элемент не обладает
таким разнообразным спектром
порой диаметрально
Очевидно, что, имея такой диапазон уникальных свойств, углерод незаменим в различных областях науки и техники.
Углерод образует несколько аллотропных модификаций – различных форм веществ с одинаковым химическим составом, которые отличаются строением кристаллических решеток и, как следствие, своими свойствами.
Аллотропные модификации углерода имеют атомные кристаллические решетки, но из-за разного типа гибридизации атомных орбиталей углерода различаются строением кристаллов.
У алмаза – это sp3 – гибридизация атомов углерода и, следовательно, тетраэдрическая атомная кристаллическая решетка; у графита sp2 – гибридизация и, следовательно, плоскостная кристаллическая решетка; у карбина – sp – гибридизация и соответственно линейная атомная кристаллическая решетка.
Алмаз – самое твердое, но достаточно хрупкое, прозрачное, оптически чрезвычайно активное вещество. Алмаз теплопроводен, но не электропроводен, очень тугоплавок.
В идеальных тетраэдрах, из которых построены кристаллы алмаза, валентные углы равны 109о28/ и все четыре ковалентные сигма – связи, которыми каждый атом углерода связан с соседними атомами, имеют одинаковую длину, равную 0,154 нм (Приложение 1).
Графит – темно-серое, мягкое, жирное на ощупь электропроводное вещество. Графит очень тугоплавок, и по этому свойству он превосходит даже алмаз.
Он имеет слоистое строение. Каждый слой состоит из плоских шестиугольных колец, очень похожих на бензольные, в которых расстояние между атомами углерода равно 0,142 нм. Расстояние между слоями почти в 2,5 раза больше, чем длина связей в слоях и равно 0,335 нм (Приложение 2).
Карбин – это черный порошок с плотностью, близкой к плотности графита (2 г/см3). Существует две разновидности карбина: полииновая, представляющая собой цепи типа ... – С ≡ С – С ≡С – …, и полиеновая
… ═ С ═ С ═ С ═ … (Приложение 3).
Фуллерены имеют состав С60, С70, С80 и т.д. и молекулы в форме футбольного мяча, т.е. полого шара, поверхность которого образована пяти – и шестигранными углеродными кольцами, имеющими общие ребра. Это кристаллическое вещество черного цвета с металлическим блеском (Приложение 4).
Среди
аллотропных модификаций
Научный поиск в этом направлении осуществляется учеными весьма интенсивно и является в определенной мере свидетельством не только научно – технического, но и общего развития страны.
Отсюда становится понятным значимость и актуальность темы нашего реферата: Аллотропные видоизменения углерода.
Глава 1 История открытия и получения аллотропных модификаций
углерода
1.1 Алмаз
Термин «алмаз» происходит от греческого слова “несокрушимый”, “неизменный”.
Почти
сто лет потребовалось ученым,
чтобы с достоверностью
В 1694г флорентийские учёные сожгли алмаз, нагревая его в солнечных лучах, сфокусированных линзой. Эти опыты впоследствии были многократно повторены. Так, А. Лавуазье в 1772г доказал, что алмаз сгорает на воздухе. В старинной книге русского учёного А. М. Карамышева, изданной в Санкт - Петербурге в 1779г, сообщается о сжигании трёх алмазов. В1797г врач Смитсон Теннант сжигает алмаз в золотом футляре без доступа воздуха. Он приходит к выводу, что одинаковые количества алмаза и угля при сжигании (окислении) дают одинаковые количества оксида углерода. Из сопоставления продукта сгорания умозрительно вытекала тождественность графита, алмаза и углерода.
Свойства алмаза привлекали алхимиков средневековья. Они оставили много свидетельств о безуспешных попытках получения искусственных алмазов. Наиболее значительными следует признать опыты Б. Хэннея (1880г) и А. Муассана (1896г). Последний сумел достичь температуры 3000 – 4000оC в печи собственной конструкции, где он пытался получить алмаз путём быстрого охлаждения расплава углерода в железе. Однако синтезировать таким образом алмаз Муассану не удалось. Хэнней оказался более удачливым: смесь керосина, костного масла и металлического лития, нагретая в запаянной железной трубке в течение 14 часов, а затем резко охлаждённая в ледяной воде, благополучно превратилась в кристаллики алмаза, до настоящего времени хранящиеся в Британском музее. Правда, неопровержимые доказательства их «алмазности» появилась только в 1943г, когда методом рентгеноструктурного анализа была определена структура этих кристаллов.
Физик Макс Лауэ в 1912 году изучил отражение (дифракцию) рентгеновских лучей в кристаллах. Таким образом, было установлено, что дифракция рентгеновских лучей находится в зависимости от расположения атомов в кристаллах. Метод получил название рентгеноструктурного. С его помощью профессор физики Манчестерского университета Вильям Лоуренс Брег (сын) в 1913г впервые установил кристаллическую структуру алмаза. Отцу и сыну Брегам за работы в области рентгеноструктурного анализа в 1915г была присуждена Нобелевская премия. И в настоящие время рентгенограмма алмаза, например как свидетельство подлинности драгоценного камня, является достоверным критерием.
В 1939г советский физик О. И. Лейпунский сформулировал условия перехода графита в алмаз (давление 70 * 108 Па, температура 1600 – 2000 оC). Фундаментальное исследование О. И. Лейпунского фазовых переходов аллотропных форм углерода послужило теоретическим фундаментом поиска путей получения искусственных алмазов. В 1953г шведский учёный Э. Лундбалд с сотрудниками впервые осуществил воспроизводимый (в отличие от синтеза Хэннея) синтез искусственных алмазов.
В 1954г учёные из лаборатории фирмы “Дженерал электрик” (США) получил чёрные кристаллики искусственного алмаза массой 0,05г при давлении 101 * 10 8 Па и температуре 2600о C.
В последствии было установлено, что если использовать переходные металлы – железо, никель, палладий, платину – в качестве катализаторов, то давление можно снизить до 50* 10 8 Па, а температуру до 1200о С и ниже. В одной камере, таким образом, за несколько минут можно получить свыше 20г алмазов.
В
настоящее время установлено, что
алмаз может быть получен из
графита не только при
В конце 90-х годов освоен синтез плёночных алмазов для электронной промышленности из метана за счёт продувки раскалённой до 1000о С водородно-метановой смеси. Применяя различные режимы синтеза можно получить алмазы разных цветов: жёлтые, голубые, красные, коричневые.
Самый крупный искусственный алмаз – весом чуть более 30 карат – был получен компанией «Де Бирс». Однако этот камень неювелирного качества.
В России
два центра производства искусственных
алмазов – Москва и Новосибирск. Секретами
синтеза алмазов владеют на Украине и
в Белоруссии. Крупнейшие зарубежные производители
– фирмы Дженерал Электрик, Де Бирс, Сумимото
Электрик – принципиально продают свои
изделия только для использования в технических
целях.
1.2 Графит
Слово “графит” происходит от греческого «графо» - пишу – и для большинства людей на всю жизнь ассоциируется с карандашом. В 1740г немецким химиком и медиком И. Поттом были выполнены исследования этого вещества, которые полностью отвергли мнение о том, что графит – разновидность свинцового блеска.
В 1779г шведский химик К. В. Шееле успешно завершил опыт по сжиганию графита в струе кислорода. Некоторые историки химии полагают, что тогда же был введен в научный обиход минералогом А. Вернером сам термин «графит».
А спустя 13 лет К. Шееле убедительно доказал, что графит нужно рассматривать как разновидность угля. Это стало совершенно очевидным после превращения алмаза в графит, осуществлённого французскими химиками Л. Б. Гитоном де Морво и Л. Клуэ путём медленного нагревания алмаза без доступа воздуха. А затем Гитон де Морво показал, что равные количества углекислоты образуются при сжигании одинаковых порций графита, алмаза и угля. Завершил расследование родства между тремя этими веществами выдающийся шведский химик Й. Берцелиус. Он ввёл в химию новое понятие «аллотропия» и впервые охарактеризовал уголь, алмаз и графит как аллотропные модификации углерода(1840г).
Полезные в быту и ценные для промышленности свойства графита обусловили прогресс в технологии его получения в больших количествах.
В 1896г в США был разработан промышленный способ получения графита (графит Ачесона), включающий несколько разных методов.
В частности, смесь угля и оксида кремния (II) нагревают в электропечи до восстановления кремния и образования карбида SiC. При температуре выше 2250о С происходит диссоциация карбида кремния на графит и летучий кремний, повторно взаимодействующий с углеродом в относительно холодных зонах печи.
1.3 Карбин
Ещё в 1885г известный немецкий химик А. Байер пытался синтезировать из производных ацетилена третью базовую аллотропную модификацию углерода, которой даже дал название «взрывчатый алмаз».
По его представлениям, если бы такое вещество было получено, то оно обладало бы большим запасом энергии. Однако такая попытка оказалась неудачной.
Впервые карбин был синтезирован в 1960-х гг. в Институте элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова с помощью каталитического окисления ацетилена. Полученный В. В. Коршаком, А. М. Сладковым, В. И. Касаточкиным и Ю. П. Кудрявцевым продукт оказался мелкокристаллическим порошком чёрного цвета, обладающим полупроводниковыми свойствами и способностью значительно увеличивать свою электрическую проводимость под действием света.
В настоящее время существует довольно много различных методов синтеза карбинов. Наиболее перспективным, видимо, являются методы, использующие в качестве предшественников вещества, структура которых предопределяет структуру конечного продукта. Кроме чисто химических существуют и физико-химические методы синтеза линейного углерода, основанные на испарении углеродного источника (как правило, графита) в вакууме.
Таким образом, существуют несколько логически и экспериментально обоснованных методов получения линейной формы углерода. Однако при доказательстве индивидуальности этого вещества и его предполагаемого строения возникают серьёзные проблемы. Это объясняется, в первую очередь, тем, что получены лишь кристаллы карбина с размером частиц от нескольких микрометров до сотых долей миллиметра и толщиной не более 10 мкм.
В природных условиях карбин был впервые обнаружен в 1970г геофизиками из Института Карнеги (США) в метеоритном кратере на территории Германии. Также кристаллический углерод, близкий по структуре к карбину, обнаружен в метеорите Новый Урей советскими геохимиками. Такой же углерод найден в Баварии в кратере Рис. Кратер Рис образовался в результате падения метеорита. Карбин оказался посланником космоса.
Карбин самая «спорная» аллотропная модификация углерода: у него есть как свои ярые сторонники, так и непримиримые противники. Однако, учитывая всю совокупность экспериментальных данных, необходимо признать факт существования карбина, хотя этих данных недостаточно, чтобы сделать однозначный вывод о его строении.
1.4 Фуллерен
В последнее время найдено множество модификаций углерода при низком давлении и относительно невысоких температурах в результате поликонденсации простых углеродосодержащих молекул. К их числу относятся фуллерены, полученные в 1985г и в последующие годы. Получил своё имя фуллерен в честь американского инженера и архитектора Р. Б. Фуллера.
Примечательно, что существование таких молекул было теоретически предсказано в самом начале 1970-х гг. японским учёным Осавой и сотрудниками лаборатории квантовой химии Института элементоорганических соединений И. В. Станкевичем и Е. Г. Гальперн. Не имея необходимой математической подготовки, Осава в своём более раннем сообщении из чисто химических соображений предположил возможность образования сферической молекулы с большим числом атомов углерода.
В
появившейся вскоре после
Идея конкретной пространственной конструкции сферического углеродного кластера пришла к И. В. Станкевичу неожиданно, однако её поиск был предопределён задачей более общего плана, сформулированной академиком А. Н. Несмеяновым. В период интенсивных исследований соединений типа ферроцена и была поставлена эта проблема – поиск молекулы типа «птичка в клетке», где «птичка» - атом металла, а «клетка» - оболочка из атомов углерода.
С одобрения и при участии профессора Д. А. Бочвара – профессионального химика, а также специалиста в области математической логики и теории групп, И. В. Станкевич и Е. Г. Гальперн осуществили весьма трудоёмкий и очень сложный для той поры квантовомеханический расчёт структуры молекулы фуллерена, упомянутый выше. Расчёт был завершён в 1971г, а соответствующая публикация появилась в 1973г.
А в 1985г Р. Керлом, Г. Крото и Р. Смоли был открыт фуллерен при испарении графитовой мишени лазерным пучком и последующей кластеризации атомов углерода; позднее обнаружены в саже, образующейся при горении свечи, сжигании графитовых электродов и т. п., а также в образцах из древних геологических отложений.
Глава 2 Области применения аллотропных модификаций
углерода
2.1 Алмаз
Алмазы – исходный материал для получения бриллиантов. На долю ювелирных алмазов обычно приходится 20 – 25 % добываемых алмазов; в россыпных месторождениях их доля заметно выше, чем в коренных.
Ювелирные алмазы прозрачны, без трещин и включений. При их огранке выявляются наибольший блеск и игра камня, устраняются природные дефекты, при этом теряется около 50% первоначальной массы.
Разработана специальная бриллиантовая форма огранки, но используется также огранка клиньями, кабошоном, ступенчатая и их комбинации.
Крупнейшие в мире центры по огранке алмазов расположены: в Бельгии, специализирующейся на высококачественной огранке камней средней величины; США (Нью-Йорк) – обработке крупных алмазов; Индии (Сурат) – огранке наиболее дешёвых жёлтых алмазов; Израиле (Рамат-Ган) – экономичной огранке, максимально сохраняющей массу камня, часто в ущерб качеству огранки. В России ведётся высококачественная огранка мелких камней на предприятиях в Москве, Санкт - Петербурге, Екатеринбурге и Смоленске.
Крупные алмазы ювелирного качества встречаются редко и получают собственные имена (крупнейший в мире «Куллинан», «Эксельсиор» - 971,5 карат, «Звезда Сьерра – Леоне» - 968,9 карат).
В начале 21 века мировое потребление технических алмазов составило 250 млн. карат или 50 тонн, из них около 70% синтетические.
Технические алмазы используются в алмазных буровых коронках, пилах, резцах, фильерах для вытягивания проволоки, для изготовления полировальных порошков и паст, а также в оптической и электронной промышленности как полупроводники, датчики в счётчиках ядерных частиц, как вещество с теплопроводностью выше, чем у меди, прозрачное для широкого диапазона волн.
2.2 Графит
Использование графита как пишущего средства было обусловлено его чешуйчатым строением.
В радиотехнике используют смазочные вещества и волокна, созданные на основе графита. Уникальная способность графита повышать свою прочность с ростом температуры и выдерживать большие перепады температур нашла применение при изготовление плавильных тиглей для стали и цветных металлов.
В ядерных реакторах реализуется замечательное свойство графита – замедлять быстрые нейтроны.
Используют
графит и в качестве
Как и большинство элементов, углерод может находиться в стеклообразном состоянии. Такой продукт, названный стеклоуглеродом, газонепроницаем. Его используют в химической и авиационной промышленности, а также в приборостроении. Особенно перспективна замена платиновых электродов стеклоуглеродными.
Применение углерода для практических целей многообразно, в частности, на производство коленчатых валов, поршней и инструментов идут так называемые графитизированные стали, в структуру которых «вмонтированы» микрокристаллы графита.
В производстве алюминия графитовый катод служит в качестве материала для покровного слоя, защищающего расплав металла от окисления, и является «подложкой» для нарастающего металла.
2.3 Карбин
Карбин обладает полупроводниковыми свойствами и способностью увеличивать свою электрическую проводимость под действием света. На этом свойстве основано первое практическое применение – в фотоэлементах.
Фотопроводимость карбина сохраняется при температуре 500о С, что выделяет его среди материалов такого же назначения.
Карбин,
4-хлор-бутин-2-ил-N-(3-
2.4 Фуллерен
В 1994г международная промышленная корпорация «Мицубиси» сообщила о применение фуллеренов в качестве основы для производства аккумуляторных батарей, способных запасать пятикратное количество водорода в сравнении с обычными металлогидридными никелевыми батареями. Их предлагают использовать для питания персональных компьютеров.
Но
главное – с фуллеренами
Глава 3 ООО «Сычёвский электродный завод» - ведущее предприятие
по производству графитовых
3.1
История становления и
Сычёвский электродный завод известен как производитель электродов с 1957 года. Образован завод на базе ремонтной мастерской управления сельского хозяйства. В сжатые сроки на завод было завезено и установлено технологическое оборудование, одновременно шло обучение рабочих и вскоре начали выпуск электродов. Предприятие работало стабильно, и в итоге уже в первый год своего существования выпустило и отправило потребителям из различных регионов страны 3 тыс. тонн электродов.
Начали осваивание электродов методом окунания. В ручную раскладывали проволоку, закрепляли на рамки, окунали в жидкую массу, а потом подвешивали рамки на подвяливание и затем в печь на прокалку.
Упаковывали электроды в деревянные ящики весом 40кг. Выпускали электроды марки ООМ-5, пытались освоить электроды марки УОНИИ. В первый год работы произвели всего 2376 тонн электродов. Примерно через год появился опрессовочный и брикет - пресс.
Сычёвский электродный завод являлся предприятием республиканского значения. Его продукция пользовалась большим спросом, причём требовалось её всё больше и больше. На смену ручному труду приходили машины, внедрялись новые технологии, поступало новое оборудование. Всё это положительно сказалось на объёме производства и качестве выпускаемой продукции.
Важным этапом в жизни завода стал 1978 год. Директором предприятия был назначен И. П. Семёнов. Грамотный специалист и хороший хозяйственник Иван Павлович быстро освоился в новом коллективе, оценил возможности предприятия и предложил свой план преобразования производства и способы увеличения объёма выпускаемой продукции. Более того, он сумел убедить в реальности этих планов и специалистов, и рабочих завода. Выпуск продукции в 1978 году уже составил 10114 тонн.
Наряду
с выпуском продукции шла
И. П. Семёнов не останавливался на достигнутом. Он хорошо понимал, что для того, чтобы предприятие могло уверенно смотреть в будущее, необходимо и дальше расширять производство. Строить новые цеха, улучшать условия труда людей на производстве.
С этой целью предприятие «Монстрансгаз» совместно с Сычёвским электродным заводом произвели покупку, смонтировали и освоили импортное оборудование фирмы «Манса Судаж», произвели реконструкцию существующего завода. Были введены в эксплуатацию цеха №2, №3, №4, оснащённые новым высокоэффективным оборудованием. Применение этого оборудования позволило получить высококачественные электроды.
В 1996 году был сдан в эксплуатацию цех по производству компонентов. Этот цех был вынесен за пределы города, что значительно улучшило экологическую обстановку в городе. Также ведётся строительство очистных сооружений.
В настоящие время завод имеет богатейший опыт производства сварочных электродов. Освоили выпуск различных марок: МР-3, МР-3С, МИТ-2, АНО-29М, Булат, ОЗН-6, УОНИИ 13/55.
Начали выпуск электродов марки МТГ, технология производства которых приобретена Предприятием «Монстрансгаз» у зарубежной фирмы «Манса Судаж». Эта марка электродов с высокими качественными показателями. Технические характеристики этих электродов позволяют применять их в газовой промышленности. Этими электродами можно производить сварку газовых труб, которые эксплуатируются при температурах до 90 – 60 ºС, что позволит применить их в Северных регионах страны. Упаковываются электроды в картонные коробки весом до 30кг. Сейчас завод установил линию по производству полиэтиленовых пеналов. Пеналы были удобны в обращении, вес их 5кг. Они защищают электроды от механического и атмосферного воздействия.
О том, что предприятие вновь прочно встало на ноги, говорит такой факт: за 1996 год выпущено почти 6 тысяч тонн электродов, более 1 миллиона 200 тысяч тонн кирпича, 203 тонны гвоздей, 15210кв. метров сетки – рабицы.
В середине 90-х гг. прошлого столетия начались времена хорошо известной всем «перестройки». Многие надеялись на «ветер перемен» и на прекрасный лозунг к народу: повысить производительность труда в 2,5 – 3 раза и на этой основе повысить уровень благосостояния советских людей в 2 раза и более. Однако вместо подъёма экономики и повышения производительности труда получился полный развал экономики.
Ещё больше экономику потряс развал СССР – предприятия развалились, а те, которые продолжали работать, значительно сокращали объём производства продукции.
Все эти проблемы коснулись и нашего района, в том числе и электродного завода. Самым страшным для предприятия оказалось то, что были разорваны хорошо налаженные связи с поставщиками проволоки и различных компонентов для производства электродов. В итоге – простои производства, снижение объёмов выпускаемой продукции. В то же время появилась ещё одна база – в связи с тем, что в стране сократились объёмы строительства различных объектов, стало всё труднее реализовать произведённую на заводе продукцию.

- Аллофаны и имоголит
- Аллюзия, аппликация, перифраз в современных СМИ: проблема разграничения
- Аллюзия и реминисценция в романе В.Пелевина «Омон Ра»
- Аллюзия - литературный прием
- Аллюминий
- Аллюминий
- Алмаз
- Аллергодерматозы
- Аллергологиядағы молекулалық зерттеу әдіс
- Аллик, Хендрик
- Аллокативная и адаптивная эффективность.
- Аллопластика ВНЧС
- Аллотропическое превращение в металлах
- Аллотропия металлов