Số Duyệt:0 CỦA:trang web biên tập đăng: 2013-07-15 Nguồn:Site
Tại sao carbon có thể tạo thành vật liệu cứng nhất - kim cương và cũng là vật liệu rất mềm - than chì?
Tại sao than chì có thể dẫn điện còn kim cương thì không?
Tại sao sợi carbon có độ bền cao?
Bạn có nhầm lẫn về cacbon hóa và than chì hóa?
Bài viết này cố gắng phổ biến khoa học cơ bản về vật liệu carbon.
Vật liệu carbon sẽ được hiểu theo các khía cạnh nguyên tử, tinh thể và vi mô.
Cấp độ nguyên tử
Vật chất được tạo thành từ các nguyên tử.Nguyên tử được tạo thành từ hạt nhân và các electron hạt nhân bổ sung, quay quanh hạt nhân, giống như trái đất quay quanh mặt trời.Hạt nhân được tạo thành từ các proton và neutron, điều này không cần phải hiểu rõ.Bạn chỉ cần
biết rằng tùy theo số lượng proton mà chúng được chia thành các nguyên tố khác nhau.Ví dụ, hydro là proton số 1, helium là proton số 2, vì vậy nguyên tố carbon đứng thứ sáu trong bảng tuần hoàn các nguyên tố và có sáu proton trong hạt nhân và số lượng electron bên ngoài hạt nhân bằng với của proton nên có sáu electron bên ngoài hạt nhân nguyên tử cacbon.Toàn bộ trọng lượng của nguyên tử tập trung ở hạt nhân, còn trọng lượng của electron gần như bị bỏ qua.Nhưng đừng đánh giá thấp electron ngoài hạt nhân, đây là chìa khóa để xác định cách thức một nguyên tử tạo nên một chất.Các tính chất vật lý và hóa học khác nhau bắt nguồn từ nó.
Các electron hạt nhân bổ sung quay quanh hạt nhân đều đặn.Chúng di chuyển theo quỹ đạo ở những khoảng cách khác nhau tính từ hạt nhân.
leus. Giống như mặt trời có tám hành tinh (Sao Diêm Vương đã bị trục xuất), các hành tinh có quỹ đạo khác nhau tùy thuộc vào
về việc họ cách xa bao xa mặt trời.Nhưng bạngiống như quỹ đạo hành tinh của hệ mặt trờiNgoài ra, các quỹ đạo bên ngoài hạt nhân có thể có hai electron ở quỹ đạo gần nhất và tám electron ở quỹ đạo gần nhất.quỹ đạo khác, điều mà chúng tôi sẽ không nói ra, bởi vì chúng tôi chỉ quan tâm đến carbon. Vì vậy, chúng ta biết rằng carbon ởom bao gồm các hạt nhân carbon và sáu hạt nhân phụr electron, và có hai electron ở lớp nguyên tử cacbon trong cùng và bốn electron ở lớp bên ngoài.Xem sơ đồ.
Nhưng nó có nghĩa bạn có thển đặt tám electron vào đó.Nếu nó không đầy đủ thì nó sẽ không ổn định.Chúng ta nên làm thế nào?Chia sẻ electron với các nguyên tử xung quanh giúp ổn địnhliên kết e, được gọi là liên kết cộng hóa trị.Cần rất nhiều năng lượng để phá vỡ liên kết cộng hóa trị nhằm tách hai electron.Một nguyên tử carbon tạo thành liên kết cộng hóa trị với bốn nguyên tử carbon xung quanh nó.Bốn liên kết cộng hóa trị đẩy nhau và tạo thành góc lớn nhất trong .Góc giữa hai liên kết cộng hóa trị là 109 độ.Vì vậy chúng ta thường thấy cấu trúc nguyên tử của diamond như trong Hình 2. Bạn có thể thấy các nguyên tử carbon như những quả bóng nhỏ.Liên kết cộng hóa trị là những thanh cứng nối các quả bóng.Nếu bạn muốn di chuyển bất kỳ quả bóng nào thì sẽ liên quan đến chuyển động của các quả bóng xung quanh.Vì vậy, trừ khi bạn bẻ gãy các thanh cứng nối các quả bóng, bạn sẽ không thể di chuyển dễ dàng.Ball, đó là lý do kim cương rất cứng.Bạn thấy đấy, tính chất của bất kỳ vật liệu nào trong khoa học vật liệu đều có liên quan về bản chất.Ngoài ra, các electron bên ngoài của nguyên tử cacbon tạo thành liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử cacbon xung quanh.Các electron cố định giữa hai hạt nhân và không thể chuyển động tự do, ngay cả khi điện áp đặt vào không đủ thì không thể hình thành dòng điện, tức là kim cương không dẫn điện.
Vậy tại sao lại có cấu trúc mặt phẳng lục giác giống như than chì?Trước tiên chúng ta hãy nhìn vào hình ảnh cấu trúc lục giác của than chì.
Đây là nguyên tắc năng lượng tối thiểu.Tại sao đá lăn trên núi và đồ vật trên bàn rơi xuống?Bởi vì mọi thứ sẽ tự động chuyển hóa từ năng lượng cao sang năng lượng thấp, sau đó giải phóng phần năng lượng còn lại.Vật thể trên bàn sông đá trên núi có năng lượng cao nên tự động rơi xuống, phần năng lượng còn lại sẽ chuyển hóa thành một cái hố trên mặt đất.Hai nguyên tử cacbon liền kề trong cấu trúc than chì ở gần nhau nên năng lượng thấp.Đừng hỏi tôi tại sao.Bạn chỉ cần nhớ rằng than chì, một nguyên tử cacbon, tạo thành liên kết cộng hóa trị với ba nguyên tử cacbon khác trong một mặt phẳng.Góc giữa hai liên kết cộng hóa trị là 120 độ nên năng lượng của cấu trúc là thấp nhất.Một số người đã nói rằng các nguyên tử carbon trong cấu trúc kim cương cũng có thể ở khoảng cách gần, à, chúng ta không thể làm được, vì hai nguyên tử carbon ở gần sẽ bị các nguyên tử khác đẩy lùi.Có phải nó rất đan xen?Tại sao các nguyên tử carbon cấu trúc than chì có thể đến gần nhau?Tôi đề nghị bạn vẽ hai loại sơ đồ cấu trúc trên giấy.Góc liên kết cộng hóa trị của nguyên tử cacbon than chì là 120 độ.Có đủ để đến gần.Góc liên kết cộng hóa trị của kim cương là 109 độ.Không còn chỗ trống nữa.Trẻ em có cảm giác kém sẽ va vào tường.Đừng lo lắng.Bạn chỉ cần nhớ rằng than chì là cấu trúc ổn định nhất.Đó là một vấn đề khác.Vì vậy kim cương có năng lượng cao, nó có thể tự chuyển sang cấu trúc than chì.Bán những viên kim cương thu thập được tại nhà.Trong trường hợp một ngày nào đó nó xuất hiện dưới dạng than chì, nó sẽ không hiệu quả về mặt chi phí.Sự lo lắng này là thừa.Tại sao đồng xu trong túi của tôi không rơi xuống sàn?Tiền xu không hề ít năng lượng trong túi của tôi trên mặt đất.Đó là vì chúng phải nhảy từ đáy túi của tôi xuống túi mới rơi ra được.Nếu tôi nhảy lên nhảy xuống và truyền năng lượng cho chúng, có thể chúng sẽ rơi ra ngoài.Tương tự, kim cương tuy không ổn định nhưng lại tồn tại rất lâu, gọi là trạng thái siêu bền.Chỉ bằng cách cung cấp năng lượng, nó mới có thể tự chuyển đổi từ cấu trúc kim cương sang cấu trúc than chì.Nếu bạn đặt kim cương vào nhiệt độ cao, nó sẽ dần dần biến thành than chì.Không tin thì thử đi chứ đừng bắt tôi trả tiền nhé.
Chúng ta hãy nhìn vào cấu trúc của than chì.Một nguyên tử carbon tạo thành liên kết cộng hóa trị với ba nguyên tử carbon xung quanh nó.Các electron còn lại tự do ở trên hoặc dưới mặt phẳng.Mỗi nguyên tử carbon có thêm một electron tự do, đó là cấu trúc graphene.Khi các nguyên tử carbon ổn định, liên kết với các electron tự do nhỏ và các electron tự do có điện áp sẽ di chuyển theo hướng rất nhanh.Đó là lý do tại sao graphene thuộc loại vật liệu siêu dẫn có khả năng dẫn điện rất tốt và gần như không có điện trở.Đó là lý do tại sao graphene dẫn điện.Ngoài ra, một lớp electron trên mặt phẳng lục giác carbon có thể hấp thụ ánh sáng khả kiến, điều này có thể giải thích tại sao than chì có màu đen.Khi ánh sáng chiếu vào than chì, nó bị hấp thụ, tức là có màu đen.
Sau thang đo nguyên tử, chúng ta hãy nhìn vào thang đo tinh thể.Pha lê là gì?Trong khoa học vật liệu, sự sắp xếp tuần hoàn của các nguyên tử theo những quy luật nhất định chính là cấu trúc tinh thể.Hãy nhìn vào cấu trúc kim cương, đó là một nguyên tử carbon và bốn nguyên tử carbon xung quanh cấu trúc sắp xếp theo chu kỳ hình khối đều đặn, hãy nhìn vào cấu trúc than chì, là các nguyên tử carbon và ba nguyên tử carbon xung quanh lưới lục giác, sau đó lặp lại theo chu kỳ, đây là tinh thể grafit.Vật liệu than chì có các mặt phẳng lưới sáu phần tử như vậy được xếp chồng lên nhau và hai mặt phẳng lưới sáu phần tử được xếp chồng lên nhau bởi lực hút lẫn nhau của các electron tự do.Lực liên kết này rất yếu nên rất dễ bị trượt dưới tác dụng của ngoại lực.Đây là lý do tại sao than chì có thể được sử dụng làm chất phụ gia cho dầu bôi trơn, vì hai mặt phẳng có thể trượt tự do và bôi trơn.Đây cũng là lý do tại sao bút chì sử dụng than chì.Khi bút chì bị xước trên giấy, một số mặt phẳng sẽ bị cọ xát.Hãy đi xuống và dán vào tờ giấy.
Tại sao vật liệu cacbon có thể chống ăn mòn?Bạn có thể thấy than đã được bán dưới lòng đất hàng trăm triệu năm và đất không bị ăn mòn trong môi trường phức tạp như vậy.Hãy nhìn bề mặt cột gỗ cũ cháy đen vùi dưới đất, vì bề mặt cột gỗ đốt than để chống mục nát cột gỗ trong đất.Tất cả đều là do khả năng chống ăn mòn của vật liệu carbon.Bởi vì carbon có hoạt tính liên kết cao với các nguyên tố khác, nghĩa là rất khó phản ứng ở nhiệt độ phòng nên có thể chống ăn mòn.Vậy tại sao carbon lại phản ứng mạnh với oxy như vậy?Than dễ cháy và than chì dễ bị oxy hóa.Theo nguyên lý đốt cháy, khi nguyên tử carbon kết hợp với nguyên tử oxy, cần phải làm gián đoạn sự kết hợp ban đầu giữa nguyên tử carbon và nguyên tử carbon, sau đó hình thành liên kết với các nguyên tử oxy.Bởi vì việc phá vỡ liên kết giữa nguyên tử carbon và nguyên tử carbon cần ít năng lượng hơn liên kết giữa nguyên tử carbon và nguyên tử oxy.Nghĩa là, khi nguyên tử carbon kết hợp với nguyên tử oxy, năng lượng giải phóng sẽ làm gián đoạn sự kết hợp giữa nguyên tử carbon và nguyên tử carbon xung quanh chúng, do đó sự kết hợp giữa nguyên tử carbon và nguyên tử oxy sẽ tiếp tục kết hợp và sự kết hợp của các nguyên tử carbon và nguyên tử cacbon sẽ tiếp tục bị gián đoạn, đó là quá trình đốt cháy.
Khi nói đến cấu trúc tinh thể, phải có sự sắp xếp không đều của các nguyên tử.Đây là vô định hình.Giống như carbon vô định hình, nó là vô định hình.Trên thực tế, đây là những khái niệm tương đối.Không có tinh thể hoàn hảo trên thế giới.Ngay cả trong một tinh thể đơn lẻ cũng sẽ có các nguyên tử sắp xếp không đều.Carbon vô định hình có nghĩa là sự sắp xếp của các nguyên tử carbon không có trật tự và gần như không đều, và vẫn còn các electron chưa bão hòa trong nguyên tử carbon, nghĩa là không có sự kết hợp ổn định nào được hình thành.Bằng cách này, carbon vô định hình có thể dễ dàng phản ứng với oxy, bởi vì các nguyên tử oxy trước tiên kết hợp với các nguyên tử carbon không tạo thành cấu trúc kết hợp, sau đó quá trình đốt cháy bên dưới diễn ra một cách tự nhiên.
Chúng ta hãy nhìn ở cấp độ vi mô.Như đã đề cập ở trên, các nguyên tử của một tinh thể được sắp xếp đều đặn.Nếu toàn bộ vật thể được sắp xếp đều đặn thì đó là một tinh thể đơn lẻ.Nhưng những đồ vật như vậy rất hiếm.Hầu hết chúng là những hạt nhỏ đơn tinh thể gồm các nguyên tử.Các hạt nhỏ có thể được tổng hợp lại.Không nhất thiết phải có ranh giới rõ ràng giữa các hạt.Có thể là ranh giới hạt giữa các hạt hơi mất trật tự một chút và các nguyên tử cacbon giữa chúng có liên kết cộng hóa trị.Về thành phần than chì, các nguyên tử cacbon tạo thành lưới sáu nguyên tố, sau đó lưới sáu nguyên tố được xếp chồng lên nhau để tạo thành các hạt than chì.Các hạt than chì có thể được đặt so le với các hạt than chì liền kề hoặc hướng của mạng có thể được đặt so le để tạo thành các vật thể than chì.Rất khó để kéo lưới sáu nguyên tố ra xa nhau bằng cách tác dụng ngoại lực, vì liên kết cộng hóa trị giữa nguyên tử carbon và nguyên tử carbon rất mạnh.Nhưng nếu ở đâu đó có sự sắp xếp không đều hoặc thiếu các nguyên tử carbon thì lực liên kết ở những nơi này tương đối yếu và các vết nứt sẽ lan truyền dọc theo những nơi đó.Nếu quan sát bằng kính hiển vi, về cơ bản các cổng than chì bị đứt sẽ lan truyền dọc theo ranh giới hạt giữa các hạt.
Cuối cùng, nếu sợi carbon là một tinh thể đơn mặt phẳng lục giác carbon hoàn hảo thì độ bền kéo sẽ đạt tới 800 GPa.Khái niệm này là gì?Độ bền của sợi carbon T700 là 4900 MPa, hay 4,9 GPa, chỉ bằng khoảng 1/200 độ bền lý thuyết.Bởi vì bên trong sợi carbon thuộc về cấu trúc than chì không rối loạn, nghĩa là có cấu trúc lưới sáu thành phần than chì, nhưng mặt phẳng lưới tương đối rối loạn, có khuyết tật, hạn chế nghiêm trọng độ bền của sợi carbon.Ngoài ra, hướng của lưới sáu thành phần không hoàn toàn song song với hướng chiều dài của sợi, điều này cũng hạn chế độ bền của sợi carbon.