АМОРФНЫЙ УГЛЕРОД: ВИДЫ, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2025

Аморфного углерода любые аллотропных структуры , наполненные углеродными молекулярными дефектами и нарушениями. Термин аллотроп относится к одному химическому элементу, такому как атом углерода, образующему различные молекулярные структуры; одни кристаллические, а другие, как в данном случае, аморфные.

Аморфный углерод не имеет кристаллической структуры с дальним радиусом действия, которая характерна для алмаза и графита. Это означает, что структурный узор остается немного постоянным при просмотре областей твердого тела, которые расположены очень близко друг к другу; а когда они далеки, их различия становятся очевидными.

Горящий уголь. Источник: Pixabay

Физические и химические характеристики или свойства аморфного углерода также отличаются от характеристик графита и алмаза. Например, знаменитый древесный уголь, продукт горения древесины (верхнее изображение). Это не смазывает и не блестит.

В природе существует несколько типов аморфного углерода, и эти разновидности также могут быть получены синтетическим путем. Среди различных форм аморфного углерода - технический углерод, активированный уголь, сажа и древесный уголь.

Аморфный углерод находит важное применение в электроэнергетике, а также в текстильной промышленности и здравоохранении.

Виды аморфного углерода

Для их классификации существует несколько критериев, таких как их происхождение, состав и структура. Последнее зависит от отношения атомов углерода к sp ² и sp ³ гибридизации ; то есть те, которые определяют плоскость или тетраэдр соответственно. Следовательно, неорганическая (минералогическая) матрица этих твердых веществ может стать очень сложной.

По своему происхождению

Есть аморфный углерод природного происхождения, потому что это продукт окисления и формы разложения органических соединений. Этот тип углерода включает сажу, уголь и углерод, полученный из карбидов.

Синтетический аморфный углерод получают методами катодно-дугового осаждения и распыления. Синтетически также производятся алмазоподобные покрытия из аморфного углерода или пленки из аморфного углерода.

Структура

Аморфный углерод также можно разделить на три больших типа в зависимости от доли присутствующих связей sp ² или sp ³ . Существует аморфный углерод, который принадлежит к так называемому элементарному аморфному углероду (aC), гидрированному аморфному углероду (aC: H) и тетраэдрическому аморфному углероду (ta-C).

Элементарный аморфный углерод

Часто обозначаемый сокращенно BC или BC, он включает активированный уголь и технический углерод. Сорта этой группы получены при неполном сжигании веществ животного и растительного происхождения; то есть горят при стехиометрическом дефиците кислорода.

В их структуре или молекулярной организации более высокая доля связей sp ² . Их можно представить как серию сгруппированных плоскостей с разной ориентацией в пространстве, продукт тетраэдрических атомов углерода, которые устанавливают неоднородность в целом.

На их основе были синтезированы нанокомпозиты с электронными приложениями и разработкой материалов.

Гидрированный аморфный углерод

Сокращенно BC: H или HAC. К ним относятся сажа, дым, добытый уголь, такой как битум, и асфальт. Сажу легко различить, когда в горах недалеко от города или поселка происходит пожар, где она наблюдается в воздушных потоках, которые несут ее в виде хрупких черных листьев.

Как следует из названия, он содержит водород, но ковалентно связанный с атомами углерода, а не молекулярного типа (H ₂ ). То есть есть связи CH. Если по одной из этих связей высвобождается водород, это будет орбиталь с неспаренным электроном. Если два из этих неспаренных электронов находятся очень близко друг к другу, они будут взаимодействовать, вызывая так называемые оборванные связи.

С этим типом гидрогенизированного аморфного углерода получаются пленки или покрытия меньшей твердости, чем те, которые сделаны с та-С.

Тетраэдрический аморфный углерод

Сокращенно та-С, также называемый алмазоподобным углеродом. Он содержит высокую долю гибридизованных связей sp ³ .

Аморфные углеродные пленки или покрытия с аморфной тетраэдрической структурой относятся к этой классификации. В них отсутствует водород, они обладают высокой твердостью, а многие их физические свойства аналогичны свойствам алмаза.

Молекулярно он состоит из тетраэдрических атомов углерода, которые не имеют структурной структуры с большим радиусом действия; тогда как в алмазе порядок остается постоянным в разных областях кристалла. Та-С может представлять определенный порядок или структуру, характерную для кристалла, но только на небольшом расстоянии.

Сочинение

Уголь состоит из слоев черной породы, содержащих другие элементы, такие как сера, водород, азот и кислород. Отсюда возникают аморфные угли, такие как уголь, торф, антрацит и лигнит. Антрацит - один из них с самым высоким углеродным составом.

свойства

Истинный аморфный углерод имеет локализованные π-связи с отклонениями в межатомном расстоянии и изменением угла связи. Он имеет гибридизированные связи sp ² и sp ³ , соотношение которых варьируется в зависимости от типа аморфного углерода.

Его физические и химические свойства связаны с его молекулярной организацией и микроструктурой.

В целом он обладает свойствами высокой стабильности и высокой механической твердости, термостойкости и износостойкости. Кроме того, он отличается высокой оптической прозрачностью, низким коэффициентом трения и стойкостью к различным агрессивным агентам.

Аморфный углерод чувствителен к воздействию облучения, обладает высокой электрохимической стабильностью и электропроводностью, помимо других свойств.

Приложения

Каждый из различных типов аморфного углерода имеет свои собственные характеристики или свойства и имеет очень конкретное применение.

Древесный уголь

Уголь - это ископаемое топливо, поэтому он является важным источником энергии, которая также используется для выработки электроэнергии. Влияние угольной промышленности на окружающую среду и ее использования на электростанциях сегодня горячо обсуждаются.

Активированный уголь

Он полезен для избирательного поглощения или фильтрации загрязняющих веществ из питьевой воды, обесцвечивающих растворов и даже может поглощать газы серы.

Черный карбон

Технический углерод широко используется для изготовления пигментов, печатных красок и различных красок. Этот углерод обычно улучшает прочность и сопротивление резиновых изделий.

В качестве наполнителя дисков или шин он повышает их износостойкость и защищает материалы от разрушения под действием солнечного света.

Аморфные углеродные пленки

Технологическое использование аморфных углеродных пленок или покрытий в разновидностях плоских панелей и микроэлектронных устройств увеличивается. Соотношение связей sp ² и sp ³ означает, что пленки аморфного углерода обладают оптическими и механическими свойствами переменной плотности и твердости.

Точно так же они используются в антибликовых покрытиях, в покрытиях для радиологической защиты, среди прочего.

Ссылки

1. Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия. (Четвертое издание). Мак Гроу Хилл.
2. Wikipedia. (2018). Аморфный уголь. Получено с: en.wikipedia.org
3. Кучи А. (2014) Аморфный углерод. В: Amils R. et al. (ред.) Энциклопедия астробиологии. Шпрингер, Берлин, Гейдельберг.
4. Ями. (21 мая 2012 г.). Аллотропные формы углерода. Получено с: quimicaorganica-mky-yamile.blogspot.com
5. Science Direct. (2019). Аморфный углерод. Получено с: sciencedirect.com
6. Рубио-Рой, М., Корбелла, К. и Бертран, Э. (2011). Трибологические свойства тонких пленок фторированного аморфного углерода. Получено с: researchgate.net