Hiili on aine , jolla on [1] eniten allotrooppisia modifikaatioita (yli 9 löydetty tähän mennessä).
Hiilen allotrooppiset modifikaatiot eroavat ominaisuuksiltaan radikaalimmin toisistaan, pehmeästä kovaan, läpinäkymättömästä läpinäkyvään, hankaavasta voitelevaan , halvasta kalliiseen. Näitä allotrooppeja ovat amorfiset hiilen allotroopit ( hiili , noki ), nanovaahto , kiteiset allotroopit - nanoputki , timantti , fullereenit , grafiitti , lonsdaleiitti .
Hiilen allotrooppien luokitus atomien välisen kemiallisen sidoksen luonteen mukaan:
Timantti on yksi tunnetuimmista hiilen allotroopeista , jonka kovuus ja korkea valonsironta tekevät siitä hyödyllisen teollisissa sovelluksissa ja koruissa . Timantti on kovin tunnettu luonnonmineraali , mikä tekee siitä erinomaisen hioma -aineen ja sitä voidaan käyttää hiontaan ja kiillotukseen . Luonnossa ei tunneta yhtään ainetta , joka voisi naarmuttaa timantin pienimmänkin palasen.
Teollisuuslaatuisten timanttien markkinat eroavat jonkin verran muiden jalokivien markkinoista . Teollisesti käytettyjä timantteja arvostetaan ensisijaisesti niiden kovuuden ja lämmönjohtavuuden vuoksi, mikä tekee muista timanttien gemologisista ominaisuuksista , mukaan lukien kirkkaus ja väri , suurelta osin tarpeettomia. Tämä auttaa selittämään, miksi 80 % louhituista timanteista (vastaa noin 100 miljoonaa karaattia tai 20 000 kg vuodessa) eivät sovellu käytettäväksi jalokivinä ja tunnetaan helmina , jotka on tarkoitettu teolliseen käyttöön. Louhittujen timanttien lisäksi keinotekoisia synteettisiä timantteja käytetään teollisesti lähes välittömästi niiden keksimisen jälkeen vuonna 1950, ja toiset 400 miljoonaa karaattia (80 000 kg) synteettisiä timantteja tuotetaan vuosittain teolliseen käyttöön - lähes neljä kertaa luonnontimanttien massa. saman ajanjakson aikana.
Timanttien pääasialliset teolliset käyttötarkoitukset ovat leikkaaminen , poraus (porien ja porakoneiden kärjissä), hionta (leikkaus timanttireunoilla) ja kiillotus . Suurin osa näissä teknologioissa käytetyistä timanteista ei vaadi suuria näytteitä; Itse asiassa useimpia jalokivilaatuisia timantteja voidaan käyttää teollisuudessa. Timantit työnnetään poranteriin tai sahanteriin tai jauhetaan jauheeksi käytettäväksi hionta- ja kiillotusprosesseissa . Erikoissovelluksia ovat käyttö laboratorioissa suoja-aineina korkeapainekokeissa, korkean suorituskyvyn laakereissa ja rajoitettu käyttö erikoisikkunoissa .
Synteettisten timanttien tuotannon jatkuvan lisääntymisen myötä niiden tulevaisuuden sovellukset ovat yhä käyttökelpoisempia. Suuren varaston kertyminen on kykyä käyttää timantteja puolijohteina mikrosirujen valmistuksessa tai käyttää niitä lämmön imemiseen elektroniikassa . Merkittävät edistysaskeleet tutkimuksessa Japanissa , Euroopassa ja Yhdysvalloissa hyödyntävät timanttiaineen ainutlaatuisten ominaisuuksien tarjoamia mahdollisuuksia yhdistettynä synteettisten timanttien valmistajien tarjoamiin laatu- ja määräparannuksiin.
Jokainen timantin hiiliatomi on kovalenttinen neljän muun hiilen kanssa tetraedrissä . Nämä tetraedrit muodostavat yhdessä kolmiulotteisen verkoston kuusijäsenisten atomirenkaiden kerroksista. Tämä kovalenttisten sidosten vakaa verkosto ja sidosten kolmiulotteinen jakautuminen tekevät timanteista niin kovia.
Marraskuussa 2017 SLAC :n ja DESYn tutkijat muuttivat timantin grafiitiksi säteilyttämällä hellävaraisesti femtosekunnin laseria.
Grafiitti (nimesi Abraham Gottlob Wernerin vuonna 1789, (kreikan kielestä grafeeni - "vetä / kirjoita", käytetään lyijykynissä)) on yksi yleisimmistä hiilen allotroopeista. Jolle on ominaista kuusikulmainen kerrosrakenne. Esiintyy luonnossa. Kovuus Mohsin asteikko 1. Sen tiheys - 2,3, se on pienempi kuin timantin. Noin 700 °C:ssa se palaa hapessa muodostaen hiilidioksidia . Kemiallisesti se on reaktiivisempi kuin timantti. Tämä johtuu reagenssien tunkeutuminen grafiitin hiiliatomien kuusikulmaisten kerrosten väliin. Ei vuorovaikutuksessa tavallisten liuottimien, happojen tai sulaneiden alkalien kanssa... Kromihappo hapettaa sen kuitenkin hiilidioksidiksi ... Saadaan kuumentamalla pikin ja koksin seosta 2800 °C:ssa °C; kaasumaisista hiilivedyistä 1400-1500 °C:ssa alennetussa paineessa, minkä jälkeen tuloksena olevan pyrohiilivedyn kuumennus 2500-3000 °C:ssa ja paineessa noin 50 MPa, jolloin muodostuu pyrografiittia... Toisin kuin timantilla, grafiitilla on sähkönjohtavuus ja se on laajalti käytetään sähkötekniikassa. Grafiitti on stabiilin hiilen muoto normaaleissa olosuhteissa. Siksi lämpökemiassa sitä pidetään hiilen standarditilana. Sitä käytetään sulatusupokkaiden, vuorauslevyjen, elektrodien , lämmityselementtien, kiinteiden voiteluaineiden, muovin täyteaineen, neutronien hidastimen valmistukseen ydinreaktoreissa , lyijykynän sauvojen valmistukseen korkeissa lämpötiloissa ja paineissa (yli 2000 °C ja 5 GPa) synteettisten aineiden saamiseksi. timantti.
Grafiittijauhetta käytetään kuivavoiteluaineena. Tyhjiössä se kuitenkin menettää huomattavasti voiteluominaisuudet, tämä johtuu siitä, että grafiitin voiteluominaisuudet liittyvät ilman ja veden adsorptioon grafiitin kerrosten välillä, toisin kuin muut kerrostetut kuivavoiteluaineet, kuten molybdeenidisulfidi. Suuri määrä kristallografisia vikoja, jotka sitovat grafiitin rakenteen kerroksia, menettää myös voiteluominaisuudet ja muuttuu pyrolyyttisen grafiitin kaltaiseksi.
Luonnollisia ja kiteisiä grafiitteja käytetään harvoin puhtaassa muodossaan niiden halkeilun, haurauden ja ristiriitaisten mekaanisten ominaisuuksien vuoksi.
Sen puhtaat rakenteellisesti isotrooppiset synteettiset muodot, kuten pyrolyyttinen grafiitti ja hiiligrafiittikuidut, ovat erittäin vahvoja, tulenkestäviä (jopa 3000 °C) materiaaleja, joita käytetään suojaamaan raketin kärkikartioita , kiinteiden rakettimoottoreiden suuttimia, korkean lämpötilan reaktoreita, jarrupaloja ja sähkömoottorien harjat.
Paisuvaa tai venyvää grafiittia käytetään lämmitysuuneissa elementtien tiivistämiseen. Kuumennettaessa grafiitti turpoaa (laajenee ja palaa) ja tiivistää kosketuspinnat. Tyypillinen laajenemisen aloituslämpötila (lämpötila-alue) on 150 - 300 °C. Grafiitin sähkönjohtavuus liittyy elektronien pi-sidosten siirtymiseen hiiliatomien tasojen ylä- ja alapuolelle. Toisin kuin timantissa, jossa kunkin hiiliatomin kaikki neljä ulompaa elektronia ovat "lokalisoituneet" atomien väliin kovalenttisessa sidoksessa, grafiitissa jokainen atomi on sitoutunut kovalenttisesti vain kolmeen neljästä ulkoelektronistaan. Siksi jokainen hiiliatomi lisää yhden elektronin siirrettyyn elektronijärjestelmään. Nämä elektronit ovat johtavuuskaistalla. Grafiitin sähkönjohtavuus on kuitenkin suunnattu kerrosten pintaa pitkin. Siksi grafiitti johtaa sähköä pitkin hiiliatomikerroksen tasoa, mutta ei johda sähköä suorassa kulmassa tasoon nähden.
| Hiilen allotropia | |
|---|---|
| sp 3 | |
| sp 2 | |
| sp | Karbiini |
| sekoitettu sp 3 /sp 2 | |
| muu |
|
| hypoteettinen |
|
| liittyvät |
|