なぜ炭素が最も硬い物質であるダイヤモンドを構成できるのでしょうか?そして柔らかい素材 - グラファイト?

余分な核電子が原子核の周りを定期的に回転します。それらは核核から異なる距離の軌道上を移動します

レウス。 太陽には 8 つの惑星 (冥王星は追放されています) があるのと同じように、惑星は環境に応じて異なる軌道を持っています。

彼らがそこからどのくらい離れているかについて 太陽。でもあなたは太陽系の惑星軌道とは似ていないtem、原子核の外側の軌道では、最も近い軌道には 2 つの電子が存在し、fa には 8 つの電子が存在する可能性があります。私たちは炭素だけを気にしているので、それ以外の軌道については言いません。 したがって、炭素がoms は炭素核と 6 つの余分な核で構成されていますr 電子であり、炭素原子の最内層には 2 つの電子があり、外側の層には 4 つの電子があります。図を参照してください。

しかし、それは 手段 あなたはnはそこに8個の電子を入れます。満タンでないと不安定になります。どうすればいいでしょうか？周囲の原子と電子を共有することで安定化します。共有結合と呼ばれる結合です。 2つの電子を引き離すために共有結合を切るには多大なエネルギーが必要です。 1 つの炭素原子は、その周りの 4 つの炭素原子と共有結合を形成します。 4 つの共有結合は互いに反発し、空間内で最大の角度を形成します。 2 つの共有結合間の角度は 109 度です。したがって、dia の原子構造がよく見られます。図 2 に示すように、モンドが生成されます。炭素原子が小さなボールとして見えます。共有結合はボールを接続する硬い棒です。ボールを移動させたい場合は、周囲のボールの移動も伴います。したがって、ボールとボールを接続している硬い棒を壊さない限り、簡単に移動することはできません。ボール、だからダイヤモンドはとても硬いのです。ご存知のとおり、材料科学における材料の特性は本質的に関連しています。さらに、炭素原子の外部電子は周囲の炭素原子と共有結合を形成します。電子は2つの原子核の間に固定されており、自由に動くことができません。印加電圧が十分でなくても、電流は形成されません。つまり、ダイヤモンドは電気を通しません。

では、なぜ黒鉛のような六角形の平面構造があるのでしょうか？まずは黒鉛の六方晶系構造の写真を見てみましょう。

これが最小エネルギーの原理です。なぜ山では石が転がったり、テーブルの上の物が落ちたりするのでしょうか。それは、あらゆるものが自然に高いエネルギーから低いエネルギーに変化し、残ったエネルギーを放出するからです。山の石の川のテーブルの上にある物体は高いエネルギーを持っているため、自然に落下し、残ったエネルギーは地面の穴に変わります。グラファイト構造では隣接する 2 つの炭素原子が近接しているため、エネルギーが低くなります。理由は聞かないでください。炭素原子であるグラファイトは、平面内の他の 3 つの炭素原子と共有結合を形成することを覚えておく必要があります。 2 つの共有結合間の角度は 120 度であるため、構造のエネルギーは最も低くなります。ダイヤモンド構造の炭素原子も距離を近づけることができる、ああ、それはできない、なぜなら近くにある 2 つの炭素原子は他の原子によって反発されるから、と言う人もいます。すごく絡み合ってるのかな？なぜグラファイト構造の炭素原子は接近できるのでしょうか？紙に2種類の構造図を描くことをお勧めします。グラファイトの炭素原子の共有結合角は 120 度です。近づくには十分なスペースがあります。ダイヤモンドの共有結合角は109度です。スペースは残っていない。空間感覚の弱い子どもは壁にぶつかります。心配しないで。グラファイトが最も安定した構造であることを覚えておく必要があります。それはまた別の問題です。ダイヤモンドは高いエネルギーを持っているため、自発的にグラファイト構造に変化する可能性があります。自宅で集めたダイヤモンドを販売します。いつかグラファイトとして出てくると、費用対効果がありません。この心配は余計です。ポケットの中の小銭が床に落ちないのはなぜですか?地上のポケットにあるコインはエネルギーが低いわけではありません。それは、ポケットの底からポケットに飛び移らなければ落ちないからです。飛び跳ねてエネルギーを与えると抜けてしまうかも知れません。ダイヤモンドも同様に不安定ではありますが、長時間存在する状態を準安定状態といいます。エネルギーを与えることによってのみ、ダイヤモンド構造からグラファイト構造に自発的に変化することができます。ダイヤモンドを高温に置くと、徐々にグラファイトに変化します。信じられないなら試してみてください。ただし、私にお金を払えとは言わないでください。

グラファイトの構造を見てみましょう。 1 つの炭素原子は、その周りの 3 つの炭素原子と共有結合を形成します。残りの電子は平面の上または下に自由にあります。各炭素原子には余分な自由電子があり、これがグラフェン構造です。炭素原子が安定している場合、自由電子との結合は小さく、電圧自由電子は非常に速い方向に移動します。そのため、グラフェンは非常に優れた導電率を持ち、抵抗がほとんどない超伝導材料に属します。グラフェンが電気を通すのはこのためです。さらに、炭素の六角形面上の電子の層は可視光を吸収する可能性があり、これがグラファイトが黒い理由を説明できます。グラファイトに光が当たると吸収され、黒くなります。

原子スケールの次は結晶スケールを見てみましょう。クリスタルとは何ですか？材料科学では、特定の規則に従って原子が周期的に配置されたものが結晶構造です。ダイヤモンドの構造を見ると、炭素原子と 4 つの炭素原子が規則的な立方体の周期配列の構造の周りにあり、グラファイト構造を見ると、炭素原子と 3 つの炭素原子が六角形の格子の周りにあり、それが周期的に繰り返されます。グラファイトの結晶。黒鉛材料はこのような6元網目面が1枚ずつ積層されており、2枚の6元網目面は自由電子の相互引力により積層されています。この拘束力は非常に弱いため、外力が加わると非常に滑りやすくなります。 2つの平面が自由に滑って潤滑できるため、グラファイトが潤滑油の添加剤として使用できるのです。鉛筆に黒鉛が使用されるのもこのためです。鉛筆で紙を引っ掻くと、網面の一部がこすられます。下がって紙にくっついてください。

なぜ炭素材料は腐食に強いのでしょうか?石炭は何億年も地下で販売されており、このような複雑な環境でも土壌が腐食していないことがわかります。古い木の棒の表面が黒く焼けて地面に埋められているのを見てください。これは、木の棒が土の中で腐るのを防ぐために表面の木が炭を燃やしたためです。これらはすべてカーボン素材の耐食性によるものです。炭素は他の元素との結合力が高い、つまり常温では反応しにくいため、腐食しにくいのです。では、なぜ炭素は酸素とこれほど強く反応するのでしょうか?石炭は燃えやすく、黒鉛は酸化しやすい。燃焼の原理によれば、炭素原子と酸素原子が結合する際には、元の炭素原子と炭素原子の結合を中断し、酸素原子と結合を形成する必要があります。なぜなら、炭素原子と炭素原子の間の結合を切断するのに必要なエネルギーは、炭素原子と酸素原子の間の結合よりも少ないからです。つまり、炭素原子が酸素原子と結合するとき、放出されたエネルギーは炭素原子とその周囲の炭素原子の結合を妨害し、炭素原子と酸素原子の結合は継続し、炭素原子の結合は継続します。そして炭素原子は中断され続けます、これが燃焼です。

結晶構造に関して言えば、原子が不規則に配置されている必要があります。これは非晶質です。アモルファスカーボンと同様に非晶質です。実際、これらは相対的な概念です。この世に完璧なクリスタルは存在しません。単結晶の中にも原子が不規則に並んでいます。アモルファス炭素とは、炭素原子の配列が無秩序で不規則に近く、炭素原子中に不飽和電子が残った状態、つまり安定な結合が形成されていない状態を指します。このように、アモルファスカーボンは、まず結合構造をとらない炭素原子と酸素原子が結合し、その下の燃焼が自然に進行するため、酸素と反応しやすい性質を持っています。

ミクロレベルで見てみましょう。前述したように、単結晶の原子は規則的に配列しています。全体が規則正しく並んでいると単結晶です。しかし、そのようなオブジェクトはまれです。そのほとんどは原子から構成される単結晶の小さな粒子です。小さな粒子は再度合成することができます。粒子間には必ずしも明確な境界があるわけではありません。粒子間の粒界が少し乱れているだけで、粒子間の炭素原子が共有結合しているのかもしれません。黒鉛の組成は、炭素原子が六元素の網目を形成し、その六元網目が重なって黒鉛粒子が形成されます。グラファイト粒子は、隣接するグラファイト粒子と互い違いに配置されてもよく、または格子方向が互い違いに配置されてグラファイト物体を形成してもよい。炭素原子と炭素原子の間の共有結合は非常に強いため、外力を加えて 6 要素のメッシュを引き離すことは非常に困難です。しかし、どこかに炭素原子の配置が不規則であったり、欠けていたりすると、その部分の結合力は比較的弱く、そこに沿って亀裂が進展していきます。顕微鏡で観察すると、黒鉛の破壊されたポートは基本的に粒子間の粒界に沿って伝播します。

最後に、炭素繊維が完全な炭素六方晶系単結晶である場合、引張強度は 800 GPa に達します。コンセプトは何ですか? T700 炭素繊維の強度は 4900 MPa、つまり 4.9 GPa ですが、これは理論強度の約 200 分の 1 にすぎません。炭素繊維の内部は不規則な黒鉛構造に属しているため、つまり黒鉛 6 要素の格子構造が存在しますが、格子面は比較的無秩序であるため、欠陥があり、炭素繊維の強度が著しく制限されます。さらに、6 要素メッシュの方向が繊維の長さ方向と完全に平行ではないため、これもカーボン繊維の強度を制限します。