Вуглець і вуглецеві матеріали

Вуглець у вигляді сажі, коксу, деревного вугілля, кісткового вугілля знаходить широке застосування. Кокс використовують у металургії. Деревне вугілля також застосовують у металургії, при виготовленні чорного пороху і як адсорбент. Піроліз тваринних залишків або кісток дає тваринне чи кіскове вугілля. Це вугілля має велику питому поверхню, високу здатність поглинати гази і розчинені речовини. Якщо тваринне і кісткове вугілля обробити парою, то поверхня їх, а отже, і поглинальна здатність значно зростають. Таке обробленіе вугілля називають активованими. Активоване вугілля застосовують для очищення спирту (від сивушних масел), цукру й інших речовин.

АлмазЦе найчистіший вуглець у кристалічному виді. У 1694 р. флорентійські академіки намагалися сплавити кілька малих алмазів в один великий. Алмази жевріли як розпечене вугілля і, нарешті, згоріли.

Кристалічні ґратки алмаза складаються з атомів вуглецю, з'єднаних між собою дуже міцними ковалентними σ-зв'язками, що утворені за рахунок перекривання sp3-гібридних орбіталей атомів вуглецю і розташовані, отже, під тетраедричними кутами.

Звичайно алмази безбарвні, але бувають синього, блакитного, червоного кольору. Алмаз -- найбільш тверда з усіх відомих у природі речовин. Грановані прозорі алмази називають діамантами. Однак, на виготовлення ювелірних виробів йде незначна кількість алмазів (15 %). Основна частина їх використовується в техніці: алмазний пил -- для шліфування твердих матеріалів, тонкого заточення токарських різців; алмазні стовпчики в бурильній справі.

На території колишнього Радянського Союзу родовища алмазів було знайдено в Якутії, на Середньому Уралі, в Архангельській області РФ, і в Донецькій області України.

Кристали алмаза мають октаедричну форму, кожен атом кристалічних ґраток розташований у центрі тетраедра з інших атомів вуглецю. Усі відстані між атомами однакові (0,15445 нм), як і кути між зв'язками (109,5 °). Кристали алмаза безбарвні, відрізняються високим показником заломлення і твердістю (рис. 1.3).

Рис. 1.3 Структура кристалів алмаза (а) і графіту (б)

Графіт

Графіт являє собою темно-сіру з металевим блиском, м'яку, жирну на дотик речовину, густина його 2,17-2,3 г/см3. Добре проводить струм, на повітрі не замається навіть при сильному розжарюванні, а в кисні горить, утворюючи CO2.

Як і в алмазі, у графіті кожен атом вуглецю утворює один з одним чотири зв'язки. Однак ці зв'язки не однакові. Три з них є σ-зв'язками, утвореними в результаті перекривання sp2-гібридних орбіталей атомів вуглецю. Усі вони розташовуються в одній площині під кутом 120°, утворюючи безперервну плоску сітку, що складається з правильних шестикутників, у кутах яких знаходяться атоми вуглецю. Четвертий p-зв'язок утворюється за рахунок перекривання пелюстків p-орбіталей вище і нижче площини, у якій розташовані атоми вуглецю. p-зв'язок утворює суцільну електронну хмару по всьому шару атомів вуглецю, як і у випадку металевого зв'язку. Вуглецеві шари у графіті зв'язані дуже слабкими силами міжмолекулярної взаємодії. Ці особливості будівлі графіту й обумовлюють такі його властивості, як електропровідність, шаруватість і т.д.

Графіт використовується для виготовлення олівців, тугоплавких тиглів, електродів, мастильних матеріалів, як сповільнювач у ядерних реакторах.

На території країн СНД родовища графіту знайдено в Східному Сибіру, на Алтаї й в Україні.

Сьогодні графіт одержують штучним шляхом -- прожарюванням суміші піску і подрібненого антрациту чи коксу в електричних печах. Штучний графіт відрізняється винятковою чистотою і м'якістю, тому цінується вище природного.

Графіт, якщо розглядати його ідеалізовану структуру, являє собою безперервний ряд шарів, рівнобіжних основній площині, що складаються з гексагонально зв'язаних один з одним атомів вуглецю (мал.1.2). За взаємним зсувом цих шарів у площині розрізняють гексагональну і ромбоедричну форми. У гексагональній формі шари чергуються за схемою А-В-А-В-..., а в ромбоедричній -- за схемою А-В-С-А-В-С-... Зміщення шарів у ромбоедричній формі може досягати в природних графітах 30 %, у штучних вона практично не зустрічається. Відстань між будь-якими сусідніми атомами вуглецю в площині шару дорівнює 0,1415 нм, між сусідніми шарами 0,3354.