Графит как проводник — Справочник химика 21
Своеобразную группу составляют газовые электроды. В них проводник из инертного материала (платина, графит или др.) непрерывно насыщается газом, который вступает в обмен ионами с раствором. Газовые электроды могут быть электродами, обратимыми относительно катиона (водородный электрод) или обратимыми относительно аниона (кислородный или хлорный электроды). [c.431]Графит — огнеупорный, теплопроводный материал, хорошо переносит резкую смену температур, поэтому его используют для изготовления плавильных тиглей. В противоположность алмазу графит — довольно хороший проводник электричества и находит применение [c.84]
В зависимости от природы переносчиков электрических зарядов проводники электрического тока подразделяются на проводники первого рода и проводники второго рода. К первым относятся материалы, обладающие электронной проводимостью. Таковы металлы, графит, плазма и полупроводники. К проводникам второго рода относятся материалы, обладающие ионной проводимостью. Таковы расплавы и растворы электролитов.
По способности проводить электрический ток вещества делятся на проводники, полупроводники и изоляторы (диэлектрики). Такое деление довольно условно. Нет веществ, абсолютно не способных проводить электрический ток, и иногда трудно отнести вещество к тому или иному классу. Электропроводимость зависит от температуры, давления, чистоты вещества (содержание примесей), кристаллической структуры (ср., например, алмаз и графит, белое и серое олово), характера химических связей и других факторов. [c.179]
Электрический ток в проводниках первого рода осуществляется потоком электронов электронная проводимость). К таким проводникам относятся твердые и жидкие металлы и некоторые неметаллы (графит, сульфиды цинка и свинца).
Отдельные аллотропические видоизменения одного и того же простого вещества могут в высокой степени различаться между собой по своим полупроводниковым свойствам. Так, селен известен в виде нескольких аллотропных модификаций. Из них только одна — серый (гексагональный) селен — обладает свойствами полупроводника, а в остальных модификациях это изолятор. Далее углерод в виде алмаза — типичный диэлектрик, в то же время графит — проводник. [c.430]
Они противоположны друг другу по электрическим свойствам алмаз — совершенный электроизолятор, графит — проводник электрического тока, а потому применяется в виде электродов в электрохимической промышленности, в электропечах, а также в лампочках накаливания.
Все твердые вещества по их электрической проводимости можно разделить на три типа проводники, диэлектрики и полупроводники. Металлы проводят электрический ток очень хорошо, диэлектрики — очень плохо. Диэлектриками могут быть ковалентные вещества, состоящие из небольших молекул, например, трииодид фосфора, для которых энергия, необходимая для отрыва электрона от одной молекулы и передачи его другой, слишком велика для практических целей . Диэлектриками являются почти все ионные кристаллы, а также твердые вещества с непрерывной ковалентной решеткой, такие, как кварц или алмаз (но в отличие от алмаза графит — проводник).
К проводникам первого рода относятся металлы, металлические сплавы и небольшое число других веществ, например уголь, графит. Проводниками второго рода являются соли, кислоты и основания в растворенном или расплавленном состоянии. При прохождении электрического тока проводники первого рода остаются химически неизменными, а проводники второго рода претерпевают химические превращения. Сопротивление проводников первого рода (за исключением угля и графита) с повыщением температуры увеличивается, сопротивление проводников второго рода, наоборот, уменьшается.
Предельным случаем такого процесса конденсации циклов является графит, состоящий из атомных плоскостей с гексагональными циклами, в которых делокализация электронов простирается на всю плоскость. Благодаря наличию делокализованных электронов графит является хорошим проводником электричества в отличие от алмаза, который обладает свойствами диэлектрика. Графит можно рассматривать как двумерный металл, в котором подвижность электронов ограничена отдельными атомными плоскостями, упакованными в стопку. [c.301]
В электрохимических системах имеют дело с проводниками первого рода, в которых электрический ток переносится электронами, и с проводниками второго рода, в которых наблюдается исключительно ионный перенос электрического тока. К проводникам первого рода, или электронным проводникам, относят все металлы и сплавы, графит, уголь, а также некоторые твердые окислы, карбиды и сульфиды металлов. Металлические проводники состоят из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженного газа , образованного коллективизированными электронами. Этот газ равномерно заполняет все пространство между нонами.
Графит является хорошим проводником тепла и электрического тока и по теплопроводности занимает промежуточное положение между алюминием и мягкой сталью. Обожженный углеродистый материал характеризуется почти в 100 раз меньшей теплопроводностью, чем графитированный, несмотря на то, что удельная теплоемкость их почти одинакова.
В свободном виде элементы IVA-группы-твердые простые вещества, их металлический характер увеличивается от С к РЬ. По физическим свойствам углерод в свободном виде (алмаз и графит) относится к неметаллам (у графита обнаруживаются некоторые признаки металлов) кремний и германий проявляют промежуточные свойства (полупроводники) олово и свинец-типичные металлы (проводники). В ряду напряжений Sn и РЬ стоят непосредственно перед водородом. [c.146]
Если испытываемым полуэлементом является металл, погруженный в раствор своей соли, то проводник электронов подсоединяется непосредственно к этому металлу. Если обе формы (восстановленная и окисленная) испытуемого полуэлемента являются растворенными веществами, то в такой раствор опускается инертный электрод (платина, графит).
Примерный баланс напряжения на ванне составляет анодный потенциал 3,0—3.2 в, катодный потенциал (на графите) 0,4—0,5 в. Падение напряжения в электролите, диафрагме и проводниках первого рода 0,9 в. [c.365]
&
Семь обличий углерода
Важная область практического применения новейших открытий в области физики, химии и даже астрономии — создание и исследование новых материалов с необычными, подчас уникальными свойствами. О том, в каких направлениях ведутся эти работы и чего уже сумели добиться ученые, мы расскажем в серии статей, созданных в партнерстве с Уральским федеральным университетом. Первый наш текст посвящен необычным материалам, которые можно получить из самого обычного вещества — углерода.
Наша статья посвящена многообразным обличьям этого элемента: оказывается, только из его атомов можно построить десятки различных материалов — от графита до алмаза, от карбина до фуллеренов и нанотрубок. Хотя все они состоят из абсолютно одинаковых атомов углерода, их свойства радикально отличаются — а главную роль в этом играет расположение атомов в материале.
Графит
Чаще всего в природе чистый углерод можно встретить в форме графита — мягкого черного материала, легко расслаивающегося и словно скользкого на ощупь. Многие могут вспомнить, что из графита делаются грифели карандашей — но это не всегда верно. Часто грифель делают из композита графитовой крошки и клея, но встречаются и полностью графитовые карандаши. Интересно, но на карандаши уходит больше одной двадцатой всей мировой добычи естественного графита.
Чем необычен графит? В первую очередь, он хорошо проводит электрический ток — хотя сам углерод и не похож на другие металлы. Если взять пластинку графита, то окажется, что вдоль ее плоскости проводимость примерно в сто раз больше, чем в поперечном направлении. Это напрямую связано с тем, как организованы атомы углерода в материале.
Если посмотреть на структуру графита, то мы увидим, что она состоит из отдельных слоев толщиной в один атом. Каждый из слоев — сетка из шестиугольников, напоминающая собой соты. Атомы углерода внутри слоя связаны ковалентными химическими связями. Более того, часть электронов, обеспечивающих химическую связь, «размазана» по всей плоскости. Легкость их перемещения и определяет высокую проводимость графита вдоль плоскости углеродных чешуек.
Отдельные слои соединяются между собой благодаря ван-дер-ваальсовым силам — они гораздо слабее, чем обычная химическая связь, но достаточны для того, чтобы кристалл графита не расслаивался самопроизвольно. Такое несоответствие приводит к тому, что электронам гораздо сложнее перемещаться перпендикулярно плоскостям — электрическое сопротивление возрастает в 100 раз.
Благодаря своей электропроводности, а также возможности встраивать атомы других элементов между слоями, графит применяется в качестве анодов литий-ионных аккумуляторов и других источников тока. Электроды из графита необходимы для производства металлического алюминия — и даже в троллейбусах используются графитовые скользящие контакты токосъемников.
Кроме того, графит — диамагнетик, причем обладающий одной из самых высоких восприимчивостей на единицу массы. Это означает, что если поместить кусочек графита в магнитное поле, то он всячески будет пытаться вытолкнуть это поле из себя — вплоть до того, что графит может левитировать над достаточно сильным магнитом.
И последнее важное свойство графита — невероятная тугоплавкость. Самым тугоплавким веществом на сегодняшний день считается один из карбидов гафния с температурой плавления около 4000 градусов Цельсия. Однако если попытаться расплавить графит, то при давлениях около ста атмосфер он сохранит твердость вплоть до 4800 градусов Цельсия (при атмосферном давлении графит сублимирует — испаряется, минуя жидкую фазу). Благодаря этому материалы на основе графита используют, например, в корпусах ракетных сопел.
Алмаз
Многие материалы под давлением начинают менять свою атомарную структуру — происходит фазовый переход. Графит в этом смысле ничем не отличается от других материалов. При давлениях в сто тысяч атмосфер и температуре в 1–2 тысячи градусов Цельсия слои углерода начинают сближаться между собой, между ними возникают химические связи, а когда-то гладкие плоскости становятся гофрированными. Образуется алмаз, одна из самых красивых форм углерода.
Свойства алмаза радикально отличаются от свойств графита — это твердый прозрачный материал. Его чрезвычайно сложно поцарапать (обладатель 10-ки по шкале твердости Мооса, это максимум твердости). При этом электропроводность алмаза и графита отличается в квинтиллион раз (это число с 18 нулями).
Алмаз в горной породе
Wikimedia Commons
Этим определяется применение алмазов: большая часть добываемых и получаемых искусственно алмазов используется в металлообработке и других отраслях промышленности. Например, широко распространены точильные диски и режущие инструменты с алмазным порошком или напылением. Алмазные напыления используются даже в хирургии — для скальпелей. Об использовании этих камней в ювелирной промышленности хорошо известно всем.
Потрясающая твердость находит применение и в научных исследованиях — именно с помощью высококачественных алмазов в лабораториях изучают материалы при давлениях в миллионы атмосфер. Подробнее об этом можно прочитать в нашем материале «Путешествие к центру Земли».
Графен
Вместо того чтобы сжимать и нагревать графит, мы, следуя за Андреем Геймом и Константином Новоселовым, приклеим к кристаллу графита кусочек скотча. Затем отклеим его — на скотче останется тонкий слой графита. Повторим эту операцию еще раз — приложим скотч к тонкому слою и снова отклеим. Слой станет еще тоньше. Повторив процедуру еще несколько раз, мы получим графен — материал, за который вышеупомянутые британские физики получили Нобелевскую премию в 2010 году.
Графен представляет собой плоский монослой из атомов углерода, полностью идентичный атомарным слоям графита. Его популярность связана с необычным поведением электронов в нем. Они двигаются так, словно бы вовсе не обладают массой. В действительности, конечно, масса электронов остается все той же, что и в любом веществе. Во всем «виноваты» атомы углерода графенового каркаса, притягивающие заряженные частицы и образующие особенное периодическое поле.
Устройство на основе графена. На заднем плане фотографии — золотые контакты, над ними находится графен, выше — тонкий слой полиметилметакрилата
Engineering at Cambridge / flickr.com
Следствием такого поведения стала большая подвижность электронов — они перемещаются в графене гораздо быстрее, чем в кремнии. По этой причине многие ученые надеются, что основой электроники будущего станет именно графен.
Интересно, что у графена есть углеродные собратья — пентаграфен и фаграфен. Первый из них состоит из немного искаженных пятиугольных секций и, в отличие от графена, плохо проводит электрический ток. Фаграфен состоит из пяти-, шести- и семиугольных секций. Если свойства графена одинаковы во всех направлениях, то фаграфен будет обладать выраженной анизотропией свойств. Оба этих материала были предсказаны теоретически, но в реальности пока не существуют.
Обломок кремниевого монокристалла (на переднем плане) на вертикальном массиве углеродных нанотрубок
zeiss.com
Углеродные нанотрубки
Представьте себе, что вы свернули небольшой кусочек графенового листа в трубку и склеили ее края. Получилась полая конструкция, состоящая из тех же самых шестиугольников атомов углерода, что и графен и графит, — углеродная нанотрубка. Этот материал во многом родственен графену — он обладает высокой механической прочностью (когда-то из углеродных нанотрубок предлагали строить лифт в космос), высокой подвижностью электронов.
Однако есть одна необычная особенность. Графеновый лист можно скручивать параллельно воображаемому краю (стороне одного из шестиугольников), а можно и под углом. Оказывается, от того, как мы скрутим углеродную нанотрубку, будут очень сильно зависеть ее электронные свойства, а именно: будет она больше похожа на полупроводник с запрещенной зоной или на металл.
Многослойная углеродная нанотрубка
Wikimedia commons
Когда углеродные нанотрубки наблюдались впервые, достоверно неизвестно. В 1950–1980-х года разные группы исследователей, занимавшихся катализом реакций с участием углеводородов (например, пиролиза метана), обращали внимание на продолговатые структуры в саже, покрывавшей катализатор. Сейчас, чтобы синтезировать углеродные нанотрубки только конкретного вида (конкретной хиральности), химики предлагают использовать специальные затравки. Это небольшие молекулы в виде колец, состоящих, в свою очередь, из шестиугольных бензольных колец. Про работы по их синтезу можно почитать, например, здесь.
Как и графен, углеродные нанотрубки могут найти большое применение в микроэлектронике. Уже сейчас созданы первые транзисторы на нанотрубках, превосходящие по своим свойствам традиционные кремниевые приборы. Кроме того, нанотрубки легли в основу транзистора с самым маленьким затвором в мире.
Карбин
Говоря о вытянутых структурах из атомов углерода, нельзя не упомянуть карбины. Это линейные цепочки, которые по оценкам теоретиков могут оказаться самым прочным материалом из возможных (речь идет об удельной прочности). К примеру, модуль Юнга для карбина оценивается в 10 гиганьютон на килограмм. У стали этот показатель в 400 раз меньше, у графена — по меньшей мере в два раза меньше.
Тонкая нить, тянущаяся к железной частице внизу — карбин
Wikimedia Commons
Карбины бывают двух типов, в зависимости от того, как устроены связи между атомами углерода. Если все связи в цепочке одинаковые, то речь идет о кумуленах, если же связи чередуются (одинарная-тройная-одинарная-тройная и так далее), то о полиинах. Физики показали, что нить карбина можно «переключать» между этими двумя видами путем деформации — при растяжении кумулен превращается в полиин. Интересно, что это радикально меняет электрические свойства карбина. Если полиин проводит электрический ток, то кумулен— диэлектрик.
Главная сложность в изучении карбинов — их очень сложно синтезировать. Это химически активные вещества, к тому же легко окисляющиеся. На сегодняшний день получены цепочки длиной лишь в шесть тысяч атомов. Чтобы достигнуть этого, химикам пришлось растить карбин внутри углеродной нанотрубки. Кроме того, синтез карбина поможет побить рекорд размера затвора в транзисторе — его удастся уменьшить до одного атома.
Фуллерены
Хотя шестиугольник — одна из самых стабильных конфигураций, которые могут образовывать атомы углерода, есть целый класс компактных объектов, где встречается правильный пятиугольник из углерода. Эти объекты называются фуллеренами.
В 1985 году Гарольд Крото, Роберт Кёрл и Ричард Смолли исследовали пары углерода и то, в какие фрагменты слипаются атомы углерода при охлаждении. Оказалось, что в газовой фазе есть два класса объектов. Первый — кластеры, состоящие из 2–25 атомов: цепочки, кольца и другие простые структуры. Второй — кластеры, состоящие из 40–150 атомов, не наблюдавшиеся ранее. За следующие пять лет химикам удалось доказать, что этот второй класс представляет собой полые каркасы из атомов углерода, наиболее устойчивый из которых состоит из 60 атомов и повторяет по форме футбольный мяч. C60, или бакминстерфуллерен, состоял из двадцати шестиугольных секций и 12 пятиугольных, скрепленных между собой в сферу.
Открытие фуллеренов вызвало большой интерес химиков. Впоследствии был синтезирован необычный класс эндофуллеренов — фуллеренов, в полости которых находился какой-либо посторонний атом или небольшая молекула. К примеру, всего лишь год назад в фуллерен впервые поместили молекулу плавиковой кислоты, что позволило очень точно определить ее электронные свойства.
Фуллериты — кристаллы фуллеренов
Wikimedia Commons
В 1991 году оказалось, что фуллериды — кристаллы фуллеренов, в которых часть полостей между соседними многогранниками занимают металлы, — это молекулярные сверхпроводники с рекордно высокой температурой перехода для этого класса, а именно 18 кельвин (для K3C60). Позднее нашлись фуллериды и с еще большей температурой перехода — 33 кельвина, Cs2RbC60. Такие свойства оказались напрямую связаны с электронной структурой вещества.
Q-углерод
Среди недавно открытых форм углерода можно отметить так называемый Q-углерод. Впервые он был синтезирован американскими материаловедами из Университета Северной Каролины в 2015 году. Ученые облучали аморфный углерод с помощью мощного лазера, локально разогревая материал до 4000 градусов Цельсия. В результате примерно четверть всех атомов углерода в веществе принимала sp2-гибридизацию, то есть то же электронное состояние, что и в графите. Остальные атомы Q-углерода сохраняли гибридизацию, характерную для алмаза.
Q-углерод
ncsu.edu
В отличие от алмаза, графита и других форм углерода, Q-углерод оказался ферромагнетиком, таким как магнетит или железо. При этом его температура Кюри составила около 220 градусов Цельсия — только при таком нагреве материал терял свои магнитные свойства. А при допировании Q-углерода бором физики получили еще один углеродный сверхпроводник, с температурой перехода уже около 58 кельвинов.
***
Перечисленное — не все известные формы углерода. Более того, прямо сейчас теоретики и экспериментаторы создают и изучают новые углеродные материалы. В частности, такие работы ведутся в Уральском федеральном университете. Мы обратились к Анатолию Федоровичу Зацепину, доценту и главному научному сотруднику Физико-технологического института УрФУ, чтобы выяснить, как можно предсказывать свойства еще не синтезированных материалов и создавать новые формы углерода.
Анатолий Зацепин работает над одним из шести прорывных научных проектов УрФУ «Разработка фундаментальных основ новых функциональных материалов на базе низкоразмерных модификаций углерода». Работа осуществляется с академическими и индустриальными партнерами России и мира.Проект реализует Физико-технологический институт УрФУ — стратегическая академическая единица (САЕ) университета. От успеха исследователей зависят позиции университета в российских и международных рейтингах, прежде всего в предметных.
N + 1: Свойства углеродных наноматериалов очень сильно зависят от структуры и варьируются в широких пределах. Можно ли как-то заранее предсказать свойства материала по его структуре?
Анатолий Зацепин: Предсказать можно, и мы этим занимаемся. Существуют методы компьютерного моделирования, с помощью которых осуществляются расчеты из первых принципов (ab initio) — мы закладываем определенную структуру, моделируем и берем все фундаментальные характеристики атомов, из которых состоит эта структура. В результате получаются те свойства, которыми может обладать материал или новое вещество, которое мы моделируем. В частности, что касается углерода, мы сумели смоделировать новые модификации, не известные природе. Их можно создать искусственно.
В частности, наша лаборатория на физтехе УрФУ сейчас занимается разработкой, синтезом и исследованиями свойств новой разновидности углерода. Ее можно назвать так: двумерно-упорядоченный линейно-цепочный углерод. Такое длинное название связано с тем, что этот материал представляет из себя так называемую 2D-структуру. Это пленки, составленные из отдельных цепей углерода, причем в пределах каждой цепи атомы углерода находятся в одной и той же «химической форме» — sp1-гибридизация. Это придает совершенно необычные свойства материалу, в цепочках sp1-углерода прочность превышает прочность алмаза и других углеродных модификаций.
Когда мы формируем из этих цепочек пленки, получается новый материал, обладающий свойствами, присущими цепочкам углерода, плюс к тому совокупность этих упорядоченных цепочек формирует двумерную структуру или сверхрешетку на специальной подложке. Такой материал обладает большими перспективами не только благодаря механическим свойствам. Самое главное, что углеродные цепочки в определенной конфигурации можно замкнуть в кольцо, при этом возникают очень интересные свойства, такие как сверхпроводимость, а магнитные свойства таких материалов могут быть лучше, чем у существующих ферромагнетиков.
Задача остается в том, чтобы их реально создать. Наше моделирование показывает путь, куда двигаться.
Как сильно отличаются реальные и предсказанные свойства материалов?Погрешность всегда существует, но дело в том, что расчеты и моделирование из первых принципов используют фундаментальные характеристики отдельных атомов — квантовые свойства. И когда на таком микро- и наноуровне из этих квантовых атомов формируются структуры, то ошибки связаны с существующим ограничением теории и тех моделей, которые существуют. Например, известно, что уравнение Шредингера точно можно решить только для атома водорода, а для более тяжелых атомов надо использовать определенные приближения, если мы говорим о твердых телах или более сложных системах.
С другой стороны — ошибки могут возникать за счет компьютерных вычислений. При всем этом грубые ошибки исключены, а точности вполне достаточно, чтоб предсказать то или иное свойство или эффект, которые будут присущ данному материалу.
Много ли материалов можно предсказать такими способами?Если говорить об углеродных материалах, то тут много вариаций, и я уверен, что многое еще не исследовано и не открыто. В УрФУ есть все для исследования новых углеродных материалов, и впереди предстоит большая работа.
Мы занимаемся и другими объектами, к примеру, кремниевыми материалами для микроэлектроники. Кремний и углерод — это, кстати, аналоги, они находятся в одной группе в таблице Менделеева.
Владимир Королёв
Графит электропроводность — Справочник химика 21
Благодаря своей электропроводности графит применяется для изготовления электродов. Из смеси графита с глиной делают огнеупорные тигли для плавления металлов. Смешанный с маслом графит служит прекрасным смазочным средством, так как чешуйки его, заполняя неровности материала, создают гладкую поверхность, облегчающую скольжение. Графит применяют также в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах. [c.435]Электропроводность графитовой пленки и скорость покрытия ее металлом зависят от степени чистоты графита, размера и формы частиц. Графит должен содержать не менее 92% углерода. От примесей силикатов и окислов железа в графите освобождаются путем последовательной обработки в серной и соляной кислотах и едком натре. Для получения качественного покрытия частицы графита не должны быть чрезмерно малыми, так как в противном случае трудно получить сплошную проводящую пленку. Проводящий слой можно получить путем химического восстановления металлов из водных растворов. В настоящее время разработаны способы получения пленок серебра, меди, золота, никеля, кобальта и некоторых других металлов. Наиболее широко применяют пленки серебра, реже меди. Обычно для серебрения берут аммиачный раствор окиси серебра, а в качестве восстановителя формальдегид, пирогаллол, глюкозу, сегнетову соль. [c.215]
В качестве примера смешанной формы связей (металлической и ковалентной) можно указать на графит атом углерода в реш( тке графита связан с тремя соседними ковалентной связью, а четвертый электрон каждого атома является общим для всего атомного слоя, обусловливая электропроводность графита. Смешанные связи встречаются также в мышьяке, висмуте, селене и других простых веществах. Чисто металлическая связь характерна только для некоторых металлических монокристаллов. [c.11]
Пример № 4. В лабораторных условиях был синтезирован полипропилен, содержащий в качестве наполнителя графит. Электропроводность этого композиционного материала при 20—30%-ном содержании графита оказалась значительно выше, чем у материала, полученного смешением компонентов в экструдере (традиционная технология). Электропроводность изучали на прессованных образцах. Уменьшение содержания графита при равной проводимости представляет большой интерес, так как при этом снижается охрупчивание полипропилена. [c.89]
К числу проводников первого рода относятся все металлы, их сплавы, уголь, графит. Электропроводность этих материалов обусловлена электронами (электронная проводимость). Прохождение электрического тока не влечет за собой химического превращения материала проводников первого рода. При повышении температуры электропроводность металлов уменьшается (возрастает сопротивление). У угля и графита наблюдается обратная картина. [c.141]
В [В-4] показано изменение свойств композиций натуральный графит Тайгинского месторождения—каменноугольный пек от состава. С увеличением связующего плотность и электропроводность снижаются по закону аддитивности. [c.248]
Физические свойства определяются видом щелочного металла. Электропроводность МСС выше, чем у применяемого для этого синтеза графита, по оси а в 10 раз, по оси с в 200 раз. Температурный коэффициент электросопротивления положительный, т. е. носит металлический характер. Аналогичные изменения наблюдаются у МСС щелочной металл (Аг)-графит. [c.273]
Из табл. 4-4 видно, что чем больше объем мезо- и макропор у сажи, тем ниже объемная ее концентрация, соответствующая постоянной вязкости расплава. Повышенная пористость сажи увеличивает ее объем в связующем при одинаковых весовых соотношениях этих компонентов. Предельная объемная концентрация сажи, которая обеспечивает получение максимальной электропроводности, находится в интервале 0,2-0,3. При дальнейшем увеличении количества сажи электропроводность не изменяется. Это соответствует представлениям о смесях кокс-сажа-связую-щие и кокс-графит-связующее, где указанные объемные соотношения между порошковыми компонентами обеспечивают оптимальные свойства структур двойного каркаса [В-4]. [c.197]
Таким образом, графит является молекулярным кристаллом в одном направлении и ковалентным — в другом. К кристаллам со смешанными связями относятся многочисленные силикатные материалы, в которых наряду с ковалентными действуют ионные и межмолекуляр-ные силы. Немалое значение имеют ковалентные связи в металлических кристаллах, образуемых -элементами. Высокие твердость, плотность и температуры плавления, а также заниженную (по числу валентных электронов) электропроводность этих металлов объясняют участием (I-электронов в образовании ковалентных связей между частицами в узлах кристаллических решеток. [c.81]
Нефтяной кокс — высококачественный углеродистый материал— и получаемый из него искусственный графит имеют очень широкую область применения благодаря редкому сочетанию физико-химических свойств. К этим свойствам относятся высокая электропроводность, термическая и химическая стойкость в агрессивных средах, сравнительно низкий коэффициент линейного расширения, легкая механическая обрабатываемость, удовлетворительные прочность и упругопластичные свойства. [c.66]
В соответствии с различием в кристаллической структуре (в особенности в типах связи) полиморфные модификации различаются (иногда очень резко) по своим физическим свойствам — плотности, твердости и пластичности, электропроводности и пр. Так, графит черного цвета, непрозрачен, проводит электрический ток алмаз — прозрачен, электрический ток не проводит. Графит — мягкое вещество, а алмаз — самое твердое из всех известных веществ плотность графита 2,22 г/см , алмаза 3,51 г см . Полиморфные модификации могут заметно отличаться и по химической активности. [c.144]
Для повышения электропроводности агломератной массы в нее вводят графит. Элементы, содержащие массу с малым количеством графита, обладают повышенной емкостью, но более высоким внутренним сопротивлением. Такие элементы не пригодны для разряда большим током. В производстве обычно применяют природный предварительно обогащенный графит, содержащий около 90% углерода. [c.31]
В поверхность механически втирают с помощью мягких волосяных щеток мелкодисперсные порошки графита, меди и ее сплавов. Графит обладает высокой адгезионной способностью и хорошо прилипает к ней. Для увеличения электропроводности графита к нему добавляют иногда металлические порошки или обрабатыва
Исследование физических свойств простого карандаша
Исследование физических свойств простого карандаша
Мельникова З.В. 11Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №154 г. Челябинска»
Быкова И.В. 11Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №154 г. Челябинска»
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Вам приходилось когда-нибудь сравнивать себя с простым карандашом? Это получилось очень тонко и верно у бразильского прозаика и поэта Пауло Коэльо в книге «Подобно реке…». Бабушка беседует с внуком и дает ему советы. Вот некоторые из них:
Чтобы писать, мне приходится время от времени затачивать карандаш. Эта операция немного болезненна для него, но зато после этого карандаш пишет более тонко. Следовательно, умей терпеть боль, помня, что она облагораживает тебя.
Если пользоваться карандашом, всегда можно стереть резинкой то, что считаешь ошибочным. Запомни, что исправлять себя — не всегда плохо. Часто это единственный способ удержаться на верном пути.
В карандаше значение имеет не дерево, из которого он сделан, и не его форма, а графит, находящийся внутри. Поэтому всегда думай о том, что происходит внутри тебя.
Карандаш всегда оставляет за собой след. Так же и ты оставляешь после себя следы своими поступками, и поэтому обдумывай каждый свой шаг[3].
Прочтение этой книги вызвало у меня желание узнать больше интересных фактов о простом карандаше. Да и графит, который входит в состав грифеля простого карандаша, является основой для производства графена – перспективного материала как основы наноэлектроники. Поэтому изучение физических свойств простого карандаша является актуальным.
Объект исследования: простой карандаш и материал для его изготовления – графит.
Предмет исследования: физические свойства графита, который входит в состав карандаша.
Цель работы: раскрыть свойства и возможности простого карандаша, исследовать физические свойства грифелей простых карандашей.
Задачи: изучить различные источники информации о карандашах; изучить виды, свойства карандаша и материала – графита.
Гипотеза: стержень простого карандаша обладает многими замечательными свойствами, которые имеют большое значение в промышленности, повседневной жизни, нанотехнологиях: можно рисовать под водой, на морозе, проводит электрический ток, не электризуется.
Методы: работа с научной литературой, наблюдение, эксперимент, анализ результатов эксперимента.
Для выполнения работы использованы приборы и материалы: вольтметр учебный с пределом измерений 6В, батарейки 2х1,5 В, соединительные провода, простые карандаши разной твердости, рычажные весы с разновесами, штангенциркуль, динамометр, штатив, электрометр, лоскуты шелковой, шерстяной ткани.
Новизна и практическая значимость работы заключается в следующем: подобраны экспериментальные задачи, которые формируют метапредметные умения и навыки; теоретические положения и результаты экспериментальной работы, проделанной мной, могут быть взяты за основу при разработке курса внеурочной деятельности или элективного курса.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ
Происхождение современного карандаша
В «Толковом словаре русского языка» Д. Н. Ушакова про карандаш написано так: «Карандаш – это тонкая палочка графита, сухой краски и т. п., обычно вделанная в дерево, для письма, черчения и рисования» [6].
С начала XIII века, история карандаша знает «серебряный карандаш», которым художники пользовались при рисовании. Он представлял собой тонкую серебряную проволоку, припаянную к ручке. Этот карандаш имел свои характерные особенности – написанное им нельзя было стереть, а его штрихи серого цвета, через некоторое время, приобретали коричневый оттенок.
История карандаша знает и «свинцовый карандаш», который часто использовался для наброска портрета потому, что он давал четкий, но едва заметный штрих.
Карандаш под названием «итальянский» стал известен в XIV веке. Его стержень был изготовлен из глинистого чёрного сланца. Чуть позже, его стали изготавливать другим способом — порошок жжёной кости скрепляли растительным клеем. «Итальянский карандаш» давал интенсивные и насыщенные линии.
Что интересно, в наше время иногда применяются художниками такие карандаши, для придания рисунку определённого эффекта. Первый документ, упоминающий о деревянном карандаше, датируется 1683 годом. А в 1719 году, в Германии, началось производство графитных карандашей. Путем смешивания графита с серой и клеем, немцы получали стержень не очень высокого качества, но его цена была не высокой.
История карандаша говорит, что изобретателями современного карандаша, независимо друг от друга, стали венский мастер Йозеф Хардмут и французский ученый Никола Жак Конте.
В 1790 году, смешав три компонента: пыль графита, глину и воду, Йозеф Хардмут получил смесь, которую обжог в печи. Изменяя в составе количество глины, он получал материал разной твердости. Подобным образом, получил стержень из пыли графита Никола Жак Конте в 1795 году. Он разработал технологию, по которой графит смешивался с глиной, и получался материал для производства качественного стержня. При помощи высоких температур достигалась высокая прочность, а различная твердость стержней достигалась изменением пропорций графита и глины.
Шестигранную форму карандаша придумал граф Лотар фон Фаберкастлв XIX веке, когда заметил, что карандаш круглой формы часто скатывается с наклонных поверхностей.
Механический карандаш был придуман в 1869 году американцем Алонсо Таунсенда Кроссом. Он заметил, что затачивая карандаш, мы попросту отправляем его две трети в отходы – это и натолкнуло его на мысль создать «безотходный» металлический карандаш. Такой карандаш состоял из металлической трубки и графитного стержня, который, по необходимости, выдвигался на нужную длину [4].
Свойства графита
Графит — аллотропная модификация углерода, наиболее устойчивая при обычных условиях. Графит — распространенный в природе минерал. Встречается обычно в виде отдельных чешуек, пластинок и скоплений, разных по величине и содержанию графита.
Свойства графита хорошо изучены и находят широкое применение. Образуется графит в результате вулканической деятельности при высоких температурах, поэтому и находят его в природе в магматических горных породах, где содержание кристаллического графита может доходить до 50%. Крупное графитовое месторождение находится в Тунгусском каменноугольном бассейне, образовавшееся в результате высокотемпературного воздействия на уголь – так называемая скрытокристаллическая форма графита, содержание которого лежит в пределах от 60 до 80%.
Цвет графита варьирует от железо-черного до стального серого с характерным металлическим блеском. На ощупь минерал жирный, скользкий, пачкает пальцы и бумагу, при механическом воздействии расслаивается на отдельные чешуйчатые частицы. Именно это свойство графита позволяет применять его в карандашах.
По сравнению с алмазом графит обладает меньшей твердостью и плотностью, а также графит электропроводен. Его теплопроводность зависит от степени нагрева. Графит обладает чрезвычайной огнеупорностью, его температура сгорания — 38500С. Графит не плавится, а возгоняется при температуре 35000С, т.е. из твердого состояния переходит в газообразное, минуя жидкое состояние.
Применение графита
Техническое применение минерала чрезвычайно разнообразно и обусловлено свойствами графита, главным образом его огнеупорностью и электропроводностью. Так, в металлургии графит используется для производства тугоплавких тиглей, чехлов для термопар, емкостей для кристаллизации. В литейном производстве графитовый порошок используется в качестве антипригарной присыпки, а также для смазывания литейных форм.
Он также служит для изготовления электродов и нагревательных элементов электрических печей, скользящих контактов для электрических машин, анодов и сеток в ртутных выпрямителях, самосмазывающихся подшипников и колец электромашин, вкладышей для подшипников скольжения, втулок для поршневых штоков, уплотнительных колец для насосов и компрессоров, как смазка для нагретых частей машин и установок.
Даже в атомной энергетике замечательные свойства графита находят свое применение, в первую очередь, это его способность замедлять нейтроны в реакторах.
После облучения графита нейтронами его физические свойства изменяются: удельное электрическое сопротивление увеличивается, а прочность, твердость, теплопроводность уменьшаются на порядок. После отжига при 1000-2000°С свойства восстанавливаются до прежних значений.
В ракетостроении сопла ракетных двигателей и многие элементы теплозащиты также производятся с применением графита.
Его используют в химическом машиностроении – для изготовления теплообменников, трубопроводов, запорной арматуры, деталей центробежных насосов и для работы с активными средами. Графит используют также как наполнитель пластмасс, компонент составов для изготовления стержней для карандашей, при получении алмазов.
Перспективы использования графита. Графен.
Еще несколько десятилетий назад, заинтересовавшись особой структурой графита, ученые задумались о том, какими свойствами мог бы обладать тончайший — отдельный — его слой. Этот гипотетический слой и получил название «графен». Графен – ультратонкий, механически очень прочный, прозрачный, гибкий и электропроводящий материал.
Теплопроводность графена в 10 раз выше, чем у меди. Доля поглощенного света в широком интервале не зависит от длины волны.
За создание графена выходцам из России Константину Новоселову и Андрею Гейму была присуждена Нобелевская премия 2010 года по физике.
Он-то как раз не так уж и экзотичен. На любом письменном столе, если хорошенько поскрести, отыщется немножко графена. Точнее говоря, если взять в руки лежащий на столе карандаш и поскрести его графитовый грифель, то в отслоившихся чешуйках графита непременно найдутся тончайшие графеновые пленки. Они настолько тонки, что, сложив в стопку три миллиона таких пленок, мы получим слой графита толщиной в миллиметр.
Сам графит по своей структуре — это множество таких пленок, сложенных одна на другую. Каждая пленка состоит из бессчетных атомов углерода, расположенных в виде правильных шестиугольников. Соединяясь друг с другом, эти шестиугольники образуют кристаллическую решетку. Подобная структура обуславливает необычные свойства графита. Например, он проводит электрический ток в одном направлении – параллельно пленкам, и не пропускает в другом — перпендикулярно им [7].
Практическая часть
Эксперимент № 1. Изучение механических свойств грифеля при различной температуре.
Мы решили проверить, будет ли простой карандаш писать при низкой температуре. Для этого в морозильную камеру (где температура -18˚С) положили на 1 час простой карандаш, предварительно сделав рисунок. Когда мы достали из камеры холодильника простой карандаш, он оставлял на бумаге след, но чуть светлее, чем до испытания.
В кристаллической решетке графита атомы углерода располагаются в виде параллельных плоских слоев, которые относительно далеко находятся друг от друга, при этом атомы углерода в каждой плоскости имеют прочные межатомные связи. Поэтому связь между слоями значительно слабее, чем внутри слоя, и под воздействием внешних сил происходит скольжение – смещение одних слоев относительно других. Но при низкой температуре, расстояние между атомами сокращается, межмолекулярное притяжение увеличивается, слои решетки становятся ближе друг к другу, поэтому слои не так легко отрываются друг от друга, и карандаш пишет чуть светлее, чем при комнатной температуре [1].
Эксперимент № 2. Изучение механических свойств грифеля простого карандаша под водой.
В ёмкость с водой мы опустили кусок фанеры и в воде попробовали написать на нем простым карандашом. Когда мы вытащили из воды мокрый лист фанеры, то на нём хорошо видна надпись, которая была четкая и не растекалась.
Графит – твёрдое вещество, притяжение между частицами большое, а диффузия между твёрдым и жидким веществами проходит с небольшой скоростью. Поэтому молекулы воды не смогли разрушить кристаллическую решётку графита.
Эксперимент № 3. Определение плотности грифеля простого карандаша.
|
Масса грифеля, г |
Длина грифеля, см |
Диаметр сечения, см |
Площадь сечения, см2 |
Объем грифеля, см3 |
Плотность грифеля, г/см3 |
|
0,2000 |
5,5 |
0,1500 |
0,0177 |
0,0974 |
2,0534 |
Отделили грифель простого карандаша от деревянной оболочки. Форму грифеля считаем цилиндрической. Массу грифеля определяем с помощью рычажных весов, длину грифеля с помощью линейки, а его толщину определяем с помощью штангенциркуля. По результатам эксперимента плотность грифеля равна 2,0534 г/см3. Из справочника: плотность графита 2,10 – 2,52 г/см3 [2].
Эксперимент № 4. Изучение электропроводности простого карандаша.
Собрали установку, состоящую из источника постоянного тока (батарейки), вольтметра, соединительных проводов, простого карандаша. В ходе выполнения работы использовались различные по твердости-мягкости простые карандаши.
|
№ п/п |
Вид карандаша |
Диаметр карандаша, см |
Длина карандаша, см |
Напряжение, В |
|
М |
0,6 |
18 |
1,6 |
|
|
2М |
0,6 |
18 |
2,4 |
|
|
ТМ |
0,6 |
18 |
1,6 |
|
|
2Т |
0,6 |
18 |
1,4 |
|
|
Т |
0,6 |
18 |
1,2 |
|
|
ТМ |
0,6 |
8,7 |
1,8 |
|
|
ТМ |
0,8 |
18 |
2,6 |
|
|
ТМ |
0,8 |
14 |
2,8 |
|
|
Цветной карандаш |
0,6 |
18 |
0 |
Графит является проводником электрического тока, напряжение в цепи меняется в зависимости от длины и площади сечения грифеля: чем короче грифель, тем напряжение больше, и наоборот, чем грифель длиннее – тем напряжение меньше. Если площадь сечения больше, то и напряжение больше, значит, грифель является сопротивлением. Чем мягче карандаш, тем больше напряжение на участке цепи, содержащем карандаш. Грифель цветного карандаша не проводит электрический ток, так как в грифеле цветного карандаша графита нет, он выполнен из смеси белой глины и пигментов, или красителей.
При исследовании электрических свойств грифеля простого карандаша необходимо соблюдать элементарные правила техники безопасности:
— измерения проводить сухими руками;
— источник тока электрической цепи подключать в последнюю очередь;
— не включать собранную цепь без проверки и разрешения учителя;
— не касаться руками мест соединений;
— не использовать провода с нарушенной изоляцией;
— не допускать предельных нагрузок измерительных приборов.
Эксперимент № 5. Определение сопротивления грифеля механическим нагрузкам.
Измеряем длину грифеля – 5 см. Закрепляем его в лапке штатива и подвешиваем к его концу динамометр. Грифель сломался при нагрузке 2,4 Н.
Предел прочности грифеля составляет: σ = F/S; σ = 2,4 Н / 0,00000177 м2 = 1355930 Па
Эксперимент № 6. Исследование электризации грифеля простого карандаша.
Для того, чтобы проверить электризуется грифель простого карандаша или нет, мы взяли различные материалы: шёлк, шерсть, бумагу. Мы натерли грифель шелком и поднесли к электроскопу. На приборе стрелка не отклонилась, следовательно грифель не электризуется при натирании шелком. Затем опыт повторили с лоскутом шерстяной ткани и бумаги. Грифель не наэлектризовался.
Грифель простого карандаша не является проводником.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенных экспериментов я выяснила:
— простой карандаш пишет при низкой температуре чуть светлее, чем при комнатной температуре;
— грифель простого карандаша не электризуется;
— грифель простого карандаша пишет под водой;
— грифель простого карандаша проводит электрический ток; напряжение в цепи меняется в зависимости от длины и площади сечения грифеля;
— плотность грифеля простого карандаша 2,05 г/см3;
— предел прочности грифеля простого карандаша 1355930 Па
В ходе изучения литературы по данной теме и выполнения экспериментов моя гипотеза полностью подтвердилась: грифель простого карандаша обладает многими замечательными свойствами, которые имеют большое значение в промышленности, повседневной жизни, нанотехнологиях: можно рисовать под водой, на морозе, проводит электрический ток, не электризуется.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Бокштейн, Б.С., Бокштейн С.3., Жуховицкий А.А. Термодинамика и диффузия в твердых телах / Б.С. Бокштейн, С.З. Бокштейн, А.А. Жуховицкий – М.: Металлургия, 1974.
Енохович, А.С. Справочник по физике / А.С. Енохович. – М.: Просвещение, 1978.
Коэльо, П. Подобно реке… / П. Коэльо. – Клуб семейного досуга, 2014.
Осипенко, В. И. История карандаша / В.И. Осипенко // Юный художник. – 2005. — № 2. — С. 12-14.
Перышкин, А.В. Учебное пособие. Физика 7 / А.В. Перышкин. – М.: Просвещение, 2017.
Ушаков, Д.Н. Большой толковый словарь современного русского языка: 180000 слов и словосочетаний / Д. Н. Ушаков. – М.: Альта-Принт, 2008.
Графен. [Электронный ресурс]. Статья. URL: //hi-news.ru/tag/grafen
Просмотров работы: 500
Электропроводность — графит — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 2
Электропроводность — графит
Cтраница 2
Добавка бора к графиту в количестве до 0 1 % не изменяет его коэффициент теплопроводности и увеличивает электропроводность графита на 20 % за счет увеличения концентрации носителей тока. [16]
В связи с рассматриваемым вопросом значительный интерес представляет работа Уббелода, Блэкмана и Метью [238], изучавших влияние Br, J, C1 и К на электропроводность графита. У продукта взаимодействия графита с калием рс уменьшается в 10, а ра — 100 — 200 раз. Он обладает электропроводностью большей, чем железо и никель, и немногим отличающейся от алюминия. Это указывает на то, что внедрение калия ведет к установлению квазиметаллических связей. В пользу этого говорит также и то, что вдоль оси а электросопротивление обладает положительным температурным. [17]
В качестве примера смешанной формы связей ( металлической и ковалентной) можно указать на графит: атом углерода в решетке графита связан с тремя соседними ковалентной связью, а четвертый электрон каждого атома является общим для всего атомного слоя, обусловливая электропроводность графита. Смешанные связи встречаются также в мышьяке, висмуте, селене и других простых веществах. Чисто металлическая связь характерна только для некоторых металлических монокристаллов. [18]
Однако некоторые неметаллы также обладают этим свойством, например, графит, черный фосфор, селен обладают очень хорошей электропроводностью. Электропроводность графита и селена ( в момент освещения его) широко используется в технике. [19]
В отличие от алмаза графит хорошо проводит электрический ток. Электропроводность графита можно объяснить, допустив, что все негибридизованные р-орбитали, расположенные перпендикулярно плоскости 5р2 — гибридных орбиталей, перекрываются между собой боковыми поверхностями, при этом возникает я-связь. В результате образуется одно размазанное электронное р-облако, расположенное выше и ниже 5р2 — плоскости. [20]
Кристаллы графита представляют собой своеобразный слоистый металл. Электропроводность графита приближается к электропроводности металлов по абсолютной величине, и температурный коэффициент имеет один и тот же знак. Металлический характер проводимости графита связан с наличием коллективизированных электронов. Механические свойства графита вдоль базисных плоскостей и перпендикулярно этим плоскостям различны. [21]
В образовании этих связей участвуют три электрона атома углерода, а четвертый электрон является свободным. Наличие свободных электронов обусловливает электропроводность графита. [23]
Для уменьшения потерь напряжения внутрь графитового стержня впаивается медный кабель или стержень, либо ввертывается на резьбе луженый медный или стальной стержень. Электропроводность меди и стали значительно выше электропроводности графита, поэтому ток проходит главным образом по металлическому стержню, лишь в конце его переходя в графит. [25]
Особенно велика анизотропия диамагнитной восприимчивости у графита. Другим существенным фактом, также свидетельствующим о подвижности it — электронов в ароматических системах, является анизотропия электропроводности графита. Как известно, электропроводность вдоль плоскостей графита значительно выше, чем в перпендикулярном направлении. [26]
Несмотря на то что в этой упрощенной квазиметалличе-ской модели графита совершенно не учитывается присутствие дефектов, особенно дефектов сетки и винтовых дислокаций, она позволяет объяснить некоторые явления, связанные с электрическими и магнитными свойствами многих кристаллических соединений графита. Если полученные данные относятся к поликристалличеекой текстуре этих соединений, то результаты по определению изменения электропроводности по сравнению с электропроводностью маточного графита следует интерпретировать с осторожностью, так как образование соединения может повлиять на электронные барьеры между кристаллитами. [27]
Желательно, чтобы материал электродов в дуговых печах и печах сопротивления прямого действия обладал максимальной электропроводностью и минимальной теплопроводностью. Наиболее распространены графитовые и угольные электроды. Электропроводность графита примерно в 2 25 раза больше, а теплопроводность в 10 раз выше, чем для угля. [28]
В поверхность механически втирают с помощью мягких волосяных щеток мелкодисперсные порошки графита, меди и ее сплавов. Графит обладает высокой адгезионной способностью и хорошо прилипает к ней. Для увеличения электропроводности графита к нему добавляют иногда металлические порошки или обрабатывают графит раствором азотнокислого серебра с последующим восстановлением нитрата серебра до металлического. [29]
Страницы: 1 2 3 4
ПРОСТОЙ ЛИ ПРОСТОЙ КАРАНДАШ?
ПРОСТОЙ ЛИ ПРОСТОЙ КАРАНДАШ?
Черданцев А.Ю. 11
Черданцева Л.А. 11
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF
Не похож на человечка, но имеет он сердечко, И работе круглый год он сердечко отдает. Чертят им или рисуют. Грифель по листку танцует. Он большой помощник наш, и зовётся … КАРАНДАШ.
1. Введение
Простой карандаш. Вот он лежит перед нами на столе. В нём нет ничего необычного или непостижимого, но, тем не менее, без него в повседневной жизни не обойтись. Он нужен всем и всегда, им можно писать, штриховать, обводить, линовать, рисовать, а главное – с ним можно проводить эксперименты!
Актуальность: я посмотрел фильм «Красная палатка» (выпуск 1939 год), в котором радист потерпевшего крушение дирижабля «Италия», Джузеппе Бьяджи, пытается восстановить радиосвязь и чинит рацию при помощи простого карандаша.
И я решил проверить, действительно ли грифель карандаша можно использовать в качестве проводника электрического тока.
Объект исследования: простой карандаш и материал для его изготовления – графит.
Предмет исследования: физические и химические свойства графита, который входит в состав карандаша.
Цель работы:
-
раскрыть свойства и возможности простого карандаша.
-
исследовать физические и химические свойства грифелей простых карандашей.
Задачи:
-
изучить виды, свойства карандаша и материала — графита;
-
провести анкетирование и опрос с целью определения знаний о карандаше у детей и взрослых;
-
создать компьютерную презентацию и лепбук « Простой карандаш».
Гипотеза:
Стержень простого карандаша обладает многими замечательными свойствами: можно рисовать под водой, на морозе, в космосе (жаль, что в космосе проверить не сможем!), которые имеют большое значение в промышленности, повседневной жизни, нанотехнологиях.
Методы исследования:
1. Теоретическое изучение информации.
2. Практические:
2. Основная часть
|
ГРАФИТ — аллотропная модификация углерода, наиболее устойчивая при обычных условиях. Графит — распространенный в природе минерал. Встречается обычно в виде отдельных чешуек, пластинок и скоплений, разных по величине и содержанию графита. |
Свойства
Графит — жирное на ощупь вещество черного или серо-черного цвета с металлическим блеском.
Свойства графита хорошо изучены и находят широкое применение. Образуется графит в результате вулканической деятельности при высоких температурах, поэтому и находят его в природе в магматических горных породах, где содержание кристаллического графита может доходить до 50%. Крупное графитовое месторождение находится в Тунгусском каменноугольном бассейне, образовавшееся в результате высокотемпературного воздействия на уголь – так называемая скрытокристаллическая форма графита, содержание которого лежит в пределах от 60 до 80%.
Физические свойства графитаЦвет графита варьирует от железо-черного до стального серого с характерным металлическим блеском. На ощупь минерал жирный, скользкий, пачкает пальцы и бумагу, при механическом воздействии расслаивается на отдельные чешуйчатые частицы. Именно это свойство графита позволяет применять его в карандашах.По сравнению с алмазом графит обладает меньшей твердостью и плотностью, а также графит электропроводен. Его теплопроводность зависит от степени нагрева. Графит обладает чрезвычайной огнеупорностью, его температура сгорания — 38500С.
Химические свойства графитаГрафит химически малоактивен: в кислотах не растворяется, с некоторыми солями и щелочными металлами образует соединения наподобие включений. С кислородом воздуха реагирует только при очень высокой температуре, образуя углекислый газ. Графит весьма инертен при нормальных условиях. Окисляется кислородом воздуха до углекислого газа выше 400 °С. Температура начала реакций тем выше, чем совершеннее кристаллическая структура графита.
Применение графита
Техническое применение минерала чрезвычайно разнообразно и обусловлено свойствами графита, главным образом его огнеупорностью и электропроводностью. Так, в металлургии графит используется для производства тугоплавких тиглей, чехлов для термопар, емкостей для кристаллизации. В литейном производстве графитовый порошок используется в качестве антипригарной присыпки, а также для смазывания литейных форм. Он также служит для изготовления электродов и нагревательных элементов электрических печей, скользящих контактов для электрических машин, анодов и сеток в ртутных выпрямителях, самосмазывающихся подшипников и колец электромашин, вкладышей для подшипников скольжения, втулок для поршневых штоков, уплотнительных колец для насосов и компрессоров, как смазка для нагретых частей машин и установок.
Даже в атомной энергетике замечательные свойства графита находят свое применение, в первую очередь, это его способность замедлять электроны в реакторах.
После облучения графита нейтронами его физические свойства изменяются: удельное электрическое сопротивление увеличивается, а прочность, твердость, теплопроводность уменьшаются на порядок. После отжига при 1000-2000 °С свойства восстанавливаются до прежних значений.
В ракетостроении сопла ракетных двигателей и многие элементы теплозащиты также производятся с применением графита.
Его используют в химическом машиностроении — для изготовления теплообменников, трубопроводов, запорной арматуры, деталей центробежных насосов и для работы с активными средами. Графит используют также как наполнитель пластмасс, компонент составов для изготовления стержней для карандашей, при получении алмазов.
3. Поисковая часть
3.1. Опыты
Опыт №1 «Изучение твёрдости простых карандашей»
Мы взяли три карандаша различной твёрдости 2Т, ТМ, М. Начертили каждым линию, а затем стёрли линии ластиком. Лучше всех стирается карандаш 2Т, а хуже всех – карандаш М, так как он глубже проникает в волокна бумаги.
Вывод: грифель карандаша — это специально обработанная смесь графита, глины, воска. Твёрдость грифелю обеспечивает глина. Когда мы рисуем, происходит расслоение кристаллической решётки графита и его атомы ложатся на поверхность шестиугольными плоскостями, чем больше в стержне графита, тем мягче грифель карандаша. В самих слоях атомы находятся близко друг к другу и поэтому очень тесно связаны. А вот между слоями расстояние больше, и держатся они друг за дружку не так сильно. Поэтому, когда проведешь карандашом по бумаге, слои легко отрываются и остаются на листе. Стереть карандаш резиновым ластиком легко потому, что при механическом воздействии (трении) возникают силы взаимодействия между молекулами резины и графита и, в то же время, разрываются силы, сцепляющие частички
графита. В результате ластик просто-напросто вытаскивает молекулы графита из бумаги.
Опыт №2 «Изучение свойств грифеля простого карандаша при низкой температуре»
Мы решили проверить, будет ли простой карандаш писать при низкой температуре. Для этого в морозильную камеру (где температура -18˚С) положили на 1 час простые карандаши и ручки. Когда мы достали из камеры холодильника ручки и попробовали ими писать, то они не писали, а образцы простых карандашей оставляли на бумаге ровный след, но чуть светлее, чем до испытания.
Вывод: в кристаллической решетке графита атомы углерода располагаются в виде параллельных плоских слоев, которые относительно далеко находятся друг от друга, при этом атомы углерода в каждой плоскости имеют прочные межатомные связи. Поэтому связь между слоями значительно слабее, чем внутри слоя, и под воздействием внешних сил происходит скольжение — смещение одних слоев относительно других. Но при низкой температуре, расстояние между атомами сокращается, межмолекулярное притяжение увеличивается, слои решетки становятся ближе друг к другу, поэтому слои не так легко отрываются друг от друга, и карандаш пишет чуть светлее, чем при комнатной температуре.
Опыт №3 «Изучение механических свойств грифеля простого карандаша под водой».
В ёмкость с водой мы опустили кусок фанеры и в воде попробовали написать на нем простым карандашом.
Когда мы вытащили из воды мокрый лист фанеры, то на нём хорошо видна надпись, которая была четкая и не растекалась. Это свойство простого карандаша используют дайверы. Тоже самое мы проделали с фломастером, но когда достали из воды кусок фанеры с надписью, сделанную фломастером –надпись стала растекаться и стекла с листа вместе с водой.
Вывод: графит – твёрдое вещество, притяжение между частицами большое, а диффузия между твёрдым и жидким веществами проходит с меньшей скоростью, чем между частицами пары жидкость (чернила фломастера) –жидкость (вода). Поэтому молекулы воды не смогли разрушить кристаллическую решётку графита.
Опыт №4 «Изучение взаимодействия грифеля и кислоты»
Мы взяли ручку, простой карандаш, фломастер и решили проверить будут ли они писать после воздействия на их стержни кислотой. Сразу после того как мы погрузили стержни в кислоту, писали и карандаш, и ручка, и фломастер, но после 20 минут – фломастер пишет очень плохо, а грифель карандаша оказался устойчив к воздействию кислотой и пишет также хорошо как и до эксперимента.
Вывод: графит устойчив к воздействию агрессивной среды.
Опыт №5«Изучение электропроводности грифеля простого карандаша»
Мы собрали электрическую цепь для того чтобы выяснить, проводит ли грифель простого карандаша электрический ток. Мы разомкнули цепь и вставили в неё грифель. Замкнули цепь. Лампочка загорелась. Значит, грифель проводит электрический ток.
Вывод: грифель простого карандаша проводит электрический ток, а грифель цветного карандаша не проводит электрический ток, так как в грифеле цветного карандаша графита нет, он выполнен из смеси белой глины и пигментов, или красителей.
Опыт № 6 «Измерение напряжения в электрической цепи»
В электрическую цепь вставляем грифель, закрепляем его в зажимах. В ходе опыта мы заметили, что напряжение в цепи уменьшается, если грифель длинный, и увеличивается, если грифель короткий (лампочка горит ярче)
|
Длина грифеля (L), см |
Напряжение в цепи (U), В |
|
7 |
1,9 |
|
4,5 |
2,5 |
|
3 |
2,6 |
|
1,5 |
3 |
|
Диаметр грифеля, см |
Длина грифеля (L), см |
Напряжение в цепи (U), В |
|
0,3 |
3 |
1,3 |
|
0,4 |
3 |
2,6 |
I = , R =
Вывод: напряжение в цепи меняется в зависимости от длины и площади сечения грифеля: чем короче грифель, тем напряжение больше, и наоборот, чем грифель длиннее – тем напряжение меньше. А если площадь сечения больше, то и напряжение больше. Значит, грифель является сопротивлением. Полученные результаты эксперимента подтверждают зависимость между физическими величинами, установленную Г. Омом
Опыт № 7« Изучение теплопроводности грифеля»
Концы карандаша, заточенного с обеих сторон, мы подсоединили соединительными проводами к источнику тока. Когда мы замкнули цепь – грифель стал накаливаться, и даже вначале задымился, а потом раскалился докрасна, и деревянный корпус карандаша загорелся.
Мы измерили температуру грифеля с помощью датчика температуры из лаборатории Архимед – температура резко возрастала: за 10 секунд температура поднимается на 4 , причём, чем дольше мы греем – тем выше температура.
Вывод: грифель обладает высокой теплопроводностью. Если к противоположным концам карандаша подключить электрический ток, то грифель быстро и сильно нагревается так, что корпус карандаша загорается.
Опыт № 8 «Исследование электризации графита»
Для того, чтобы проверить электризуется грифель простого карандаша, мы взяли различные материалы: шёлк, шерсть, бумагу. Мы натерли грифель шелком и поднесли к электроскопу. На приборе стрелка не отклонилась – грифель не имеет электрического заряда, при натирании шелком. Затем опыт повторили с другими материалами.
Вывод: мы электризовали грифель различными материалами, но грифель не электризуется, значит, графит – плохой проводник.
Опыт № 9 «Изготовление грифельной лампочки»
Мы захотели проверить, можно ли сделать грифельную лампочку?
К концам грифеля мы присоединили проводами источник питания. Когда замкнули цепь – грифель стал накаляться и вначале задымился, а потом раскалился докрасна и стал светиться. Мы закрыли банку крышкой для того, чтобы ограничить доступ кислорода (чтобы грифель не перегорел). С аккумулятором из машины у нас получилась грифельная лампа, а с гальваническим элементом «Трофи» грифель только нагревался, но не накалялся.
Вывод: лампочку из грифеля сделать можно. Чем короче мы используем грифель, тем быстрее он накаляется и ярче горит. Гореть такая лампочка может до 20 минут.
3.2. Социологический опрос
Я провёл социологический опрос и выяснил, что знают о простом карандаше и о его составной части – грифеле ученики моей школы. Было опрошено 45 учащихся 9 — 11 классов.
Результаты социологического опроса:
|
1. Пользуетесь ли вы простым карандашом? |
2. Может ли простой карандаш писать под водой? |
|
3. Пишет ли простой карандаш на морозе? |
4. Проводит ли грифель простого карандаша электрический ток? |
|
5. Используют графит в нанотехнологиях? |
6. Пишут ли простым карандашом в космосе? |
|
7. Знаете ли вы изобретателя простого карандаша? |
8. Будут ли в будущем пользоваться простым карандашом? |
Заключение
Целью моей работы было раскрыть свойства и возможности простого карандаша, исследовать физические и химические свойства грифелей простых карандашей.
Гипотеза: стержень простого карандаша обладает многими замечательными свойствами : можно рисовать под водой, на морозе, в космосе, которые имеют большое практическое значение в промышленности, повседневной жизни, нанотехнологиях.
В результате проведенных экспериментов я выяснил:
— в кристаллической решетке графита атомы углерода располагаются в виде параллельных плоских слоев, которые относительно далеко находятся друг от друга, при этом атомы углерода в каждой плоскости имеют прочные межатомные связи. Поэтому связь между слоями значительно слабее, чем внутри слоя. Но при низкой температуре, расстояние между атомами сокращается, межмолекулярное притяжение увеличивается, слои решетки становятся ближе друг к другу; поэтому слои не так легко отрываются друг от друга, и карандаш пишет при низкой температуре чуть светлее, чем при комнатной температуре,
— грифель не электризуется, значит, графит – проводник;
— диффузия между твёрдым и жидким веществами проходит с меньшей скоростью, поэтому молекулы воды не смогли разрушить кристаллическую решётку графита. Грифель простого карандаша пишет под водой;
— грифель простого карандаша оказался устойчив к воздействию кислотой;
— грифель простого карандаша проводит электрический ток;
— напряжение в цепи меняется в зависимости от длины и площади сечения грифеля. Грифель является сопротивлением;
— грифель обладает высокой теплопроводностью;
Моя гипотеза полностью подтвердилась: стержень простого карандаша обладает многими замечательными свойствами: можно рисовать под водой, на морозе, в космосе, а также графит, который входит в состав простого карандаша имеет большое значение в промышленности, повседневной жизни, нанотехнологиях.
Даже в современном мире, охваченном компьютеризацией, карандаш всегда под рукой у каждого человека любой профессии.
И мой социологический опрос (80%) подтверждает мою гипотезу об использовании простого карандаша в будущем.
Литература
1. История мировой культуры. Справочник школьника. – М., 1996 г., 608 с.
2. Осипенко В. История карандаша.// «Юный художник».
3. Толковый словарь Ожегова. — М., 1997 г.
4. Филонов М. Возьмите в руки карандаш.// Книжное обозрение. – 1998. –
5. Я познаю мир. История вещей. – М., «Издательство АСТ», 1998 г. – 512 с.
Интернет – источники:
http://t3.deti.spb.ru
http://kultura.kubangov.ru
www.katod.com.ru
http://www.leadholder.com
http://www.chat.ru/~divlor/2c2a.htmlhttp://www.chat.ru/~divlor/2c2b.html
http://www.chat.ru/~divlor/2c2b.htmlhttp://www.chat.ru/~divlor/2c2c.html
http://www.chat.ru/~divlor/2c2b.htmlhttp://www.chat.ru/~divlor/2c2c.html
http://www.chat.ru/~divlor/2c2c.html
17
Просмотров работы: 3326
Графит. Описание, свойства, происхождение и применение минерала
Графит — минерал из класса самородных элементов, одна из аллотропных модификаций углерода. Распространенный в природе минерал. Встречается обычно в виде отдельных чешуек, пластинок и скоплений, разных по величине и содержанию графита. Различают месторождения кристаллического графита, связанного с магматическими горными породами или кристаллическими сланцами, и скрытокристаллического графита, образовавшегося при метаморфизме углей.
СТРУКТУРА
Гексагональная кристаллическая полиморфная (аллотропная) модификация чистого углерода, наиболее устойчивая в условиях земной коры. Слои кристаллической решетки могут по-разному располагаться относительно друг друга, образуя целый ряд политипов, с симметрией от гексагональной сингонии (дигексагонально-дипирамидальный вид симметрии), до тригональной (дитригонально-скаленоэдрический в.с.). Кристаллическая решетка графита — слоистого типа. В слоях атомы С расположены в узлах гексагональных ячеек слоя. Каждый атом С окружен тремя соседними с расстоянием 1,42Α
Различают две модификации графита: α-графит (гексагональный P63/mmc) и β-графит (ромбоэдрический R(-3)m). Различаются упаковкой слоёв. У α-графита половина атомов каждого слоя располагается над и под центрами шестиугольника (укладка …АВАВАВА…), а у β-графита каждый четвёртый слой повторяет первый. Ромбоэдрический графит удобно представлять в гексагональных осях, чтобы показать его слоистую структуру.
β-графит в чистом виде не наблюдается, так как является метастабильной фазой. Однако, в природных графитах содержание ромбоэдрической фазы может достигать 30 %. При температуре 2500-3300 К ромбоэдрический графит полностью переходит в гексагональный.
СВОЙСТВА
Хорошо проводит электрический ток. В отличие от алмаза обладает низкой твёрдостью (1 по шкале Мооса). Относительно мягкий. После воздействия высоких температур становится немного твёрже, и становится очень хрупким. Плотность 2,08—2,23 г/см³. Цвет тёмно-серый, блеск металлический. Неплавкий, устойчив при нагревании в отсутствие воздуха. Жирный (скользкий) на ощупь. Природный графит содержит 10—12 % примесей глин и окислов железа. При трении расслаивается на отдельные чешуйки (это свойство используется в карандашах).
Теплопроводность графита от 278,4 до 2435 Вт/(м*К), зависит от марки графита, от направления относительно базисных плоскостей и от температуры.
Электрическая проводимость монокристаллов графита анизотропна, в направлении, параллельном базисной плоскости, близка к металлической, в перпендикулярном — в сотни раз меньше. Минимальное значение проводимости наблюдается в интервале 300—1300 К, причём положение минимума смещается в область низких температур для совершенных кристаллических структур. Наивысшую электрическую проводимость имеет рекристаллизованный графит.
Коэффициент теплового расширения графита до 700 К отрицателен в направлении базисных плоскостей (графит сжимается при нагревании), его абсолютное значение с повышением температуры уменьшается. Выше 700 К коэффициент теплового расширения становится положительным. В направлении, перпендикулярном базисным плоскостям, коэффициент теплового расширения положителен, практически не зависит от температуры и более чем в 20 раз выше среднего абсолютного значения для базисных плоскостей.
Монокристаллы графита диамагнитны, магнитная восприимчивость незначительна в базисной плоскости и велика в ортогональных базисным плоскостях. Коэффициента Холла меняется с положительного на отрицательный при 2400 К.
МОРФОЛОГИЯ
Хорошо образованные кристаллы редки. Кристаллы пластинчатые, чешуйчатые, кривогранные, обычно имеют пластинчатую несовершенную форму. Чаще бывает представлен листочками без кристаллографических очертаний и их агрегатами. Образует сплошные скрытокристаллические, листоватые или округлые радиально-лучистые агрегаты, реже — сферолитовые агрегаты концентрически-зонального строения. У крупнокристаллических выделений часто наблюдается треугольная штриховка на плоскостях (0001).
ПРОИСХОЖДЕНИЕ
Образуется при высокой температуре в вулканических и магматических горных породах, в пегматитах и скарнах. Встречается в кварцевых жилах с вольфрамитом и др. минералами в среднетемпературных гидротермальных полиметаллических месторождениях. Широко распространён в метаморфических породах — кристаллических сланцах, гнейсах, мраморах. Крупные залежи образуются в результате пиролиза каменного угля под воздействием траппов на каменноугольные отложения (Тунгусский бассейн). Акцессорный минерал метеоритов.
Сопутствующие минералы: кварц, пирит, гранаты, шпинель.
ПРИМЕНЕНИЕ
Для изготовления плавильных тиглей, футеровочных плит — применение основано на высокой температурной стойкости графита (в отсутствие кислорода), на его химической стойкости к целому ряду расплавленных металлов.
Применяется в электродах, нагревательных элементах — благодаря высокой электропроводности и химической стойкости к практически любым агрессивным водным растворам (намного выше, чем у благородных металлов).
Для получения химически активных металлов методом электролиза расплавленных соединений, твёрдых смазочных материалов, в комбинированных жидких и пастообразных смазках, наполнитель пластмасс.
Является замедлителем нейтронов в ядерных реакторах, компонентом состава для изготовления стержней для чёрных графитовых карандашей (в смеси с каолином).
Используется для получения синтетических алмазов, в качестве эталона длины нанометрового диапазона для калибровки сканеров сканирующего туннельного микроскопа и атомно-силового микроскопа, для изготовления контактных щёток и токосъёмников для разнообразных электрических машин, электротранспорта и мостовых подъёмных кранов с троллейным питанием, мощных реостатов, а также прочих устройств, где требуется надёжный подвижный электрический контакт, для изготовления тепловой защиты носовой части боеголовок баллистических ракет и возвращаемых космических аппаратов.
Графит (англ. Graphite) — C
| Молекулярный вес | 12.01 г/моль |
| Происхождение названия | от др.-греч. γράφω — записывать, писать |
| IMA статус | действителен, описан впервые до 1959 (до IMA) |
КЛАССИФИКАЦИЯ
| Strunz (8-ое издание) | 1/B.02-10 |
| Nickel-Strunz (10-ое издание) | 1.CB.05a |
| Dana (7-ое издание) | 1.3.5.2 |
| Dana (8-ое издание) | 1.3.6.2 |
| Hey’s CIM Ref. | 1.25 |
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
| Цвет минерала | железно-чёрный переходящий в стально-серый |
| Цвет черты | чёрный переходящий в стально-серый |
| Прозрачность | непрозрачный |
| Блеск | полуметаллический |
| Спайность | весьма совершенная по {0001} |
| Твердость (шкала Мооса) | 1-2 |
| Излом | слюдоподобный |
| Прочность | гибкий |
| Плотность (измеренная) | 2.09 — 2.23 г/см3 |
| Радиоактивность (GRapi) | 0 |
ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
| Тип | одноосный (-) |
| Показатели преломления | nω = 1.93-2.07 |
| Анизотропия | чрезмерная |
| Цвет в отраженном свете | железно-чёрный переходящий в стально-серый |
| Плеохроизм | сильный, цвет красный |
| Люминесценция в ультрафиолетовом излучении | не флюоресцентный |
КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
| Точечная группа | 6mm — дигексагонально-пирамидальный |
| Пространственная группа | P63mc |
| Сингония | гексагональная |
| Параметры ячейки | a = 2.461Å, c = 6.708Å |
| Двойникование | по {1121} |