Uhlík a jeho alotropy

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Uhlík a jeho alotropy"

David Konečný
před 8 lety
Počet zobrazení:

1 Uhlík

2 Uhlík a jeho alotropy V přírodě se uhlík nachází zejména v karbonátových usazeninách, naftě, uhlí, a to jako směs grafitu a amorfní formy C. Rozeznáváme dvě základní krystalické formy uhlíku: a) Diamant b) Grafit - tuha

Diamant Ve struktuře jsou atomy vázány pevnými kovalentními vazbami do plošně centrované kubické mřížky diamant je nejtvrdší přírodní látkou. Je průzračný, lesklý, někdy zabarvený příměsemi.

3 Diamant Ve struktuře jsou atomy vázány pevnými kovalentními vazbami do plošně centrované kubické mřížky diamant je nejtvrdší přírodní látkou. Je průzračný, lesklý, někdy zabarvený příměsemi. Je nevodivý a do teploty 800 C stálý, poté začíná oxidovat na CO2. Při zahřátí (bez přístupu vzduchu) na 1500 C se mění na grafit. Diamant lze (obtížně) vyrobit z grafitu působením vysokých tlaků a teploty.

5 Grafit (tuha) Struktura grafitu je tvořena vrstvami uhlíkových atomů. Každý uhlíkový atom je spojen s dalšími třemi atomy uhlíku kovalentními vazbami a vytváří tak síť šestiúhelníků. Roviny jsou mezi sebou poutány slabými van der Waalsovými silami, což má za následek výbornou štěpnost a kluznost grafitu ve směru podél rovin. Čtvrtý, nadbytečný elektron má schopnost pohybovat se po uhlíkových vrstvách, takže se vytváří obdoba elektronového plynu u vodičů. Jednotlivé vrstvy jsou vzájemně posunuty o polovinu šestičlenného kruhu. Grafit krystalizuje v hexagonální struktuře. Dobře vede elektrický proud. Lze s ním psát, neboť při psaní se stírají vrstvy atomů uhlíku. Grafit je málo odolný chemicky i mechanicky.

6 Krystal grafitu

7 Amorfní uhlík Amorfní uhlík = saze Významná surovina pro řadu průmyslových odvětví, především pro výrobu technické pryže. Primární částice saze je tvořena jednou částicí saze, na jejíž povrchu jsou paralelně uspořádány C do amorfních šestičlenných cyklů, které jsou promíchány s krystalickými grafitickými strukturami. Průměr primární částice saze bývá zhruba mezi 10 až 100 nm.

8 Částice saze Schématicky znázorněná struktura sazí

Shluky molekul C50 i další (C70, C80) vytvářejí krystaly, tzv.

9 Fullereny a uhlíkové nanotrubičky Fullereny jsou látky složené ze sférických molekul uhlíku tvořených jakousi dutou klecí z mnoha atomů C. Shluky molekul C50 i další (C70, C80) vytvářejí krystaly, tzv. fullerity, které mají krychlovou symetrii. Různé typy stabilních fullerenů:a) C28, b)c32, c)c50, d)c60, e)c70 Fulleren C60

10 Nanotrubice jsou vlastně podobné struktury jako fullereny, s tím rozdílem, že tvar molekuly místo koule připomíná válec, který může být libovolně dlouhý a vnitřní objem nemusí být uzavřený, popř.může být mnohovrstvený. Pro nanotechnologii jsou fullereny a nanotrubice velmi zajímavé, neboť lze tyto látky připravit v různých modifikacích s odlišnými vlastnostmi. U sférických fullerenových molekul lze například ovlivňovat vlastnosti tím, že je uvnitř uvězněn jiný atom. Tak lze změnit třeba hustotu, tepelnou kapacitu, teplotu tání a varu a přitom je látka co do chemických vlastností.

11 Uhlíková nanopěna Mikrostruktura připomíná vzájemně pospojované sítě uhlíkových trubiček 5 nm dlouhých. Lze považovat za pátou formu uhlíku. Vznik: Uhlíkový terčík vystavený v argonové atmosféře působení pulzního laseru. Uhlíková pěna vykazuje za normálních teplot časově omezené feromagnetické vlastnosti (což je u látky z čistého uhlíku velmi překvapivé!!!). Kontrastní látka pro zviditelnění průtoku krve tkáněmi metodou jaderné magnetické rezonance. Pro léčbu rakoviny: po vstříknutí látky do nádoru je možné jej zničit lokálním zvýšením teploty po pohlcení infračerveného záření nanopěnou, zatímco okolní zdravá tkáň zůstává nepoškozena.

12 Uhlíková nanopěna

13 Uhlíková nanopěna

14 Uhlík v železe Na vlastnosti technických slitin má nejvýznamnější vliv právě uhlík, neboť uhlík nejvýznamnějším způsobem ovlivňuje důležité vlastnosti slitin železa. Uhlík se železem tvoří intersticiální tuhé roztoky s omezenou rozpustností uhlíku. Po překročení rozpustnosti uhlíku v tuhém roztoku se uhlík vylučuje jako samostatná fáze. Při nízkých obsazích tvoří uhlík intersticiální sloučeninu Fe3C. Tato sloučenina není stabilní a může se rozkládat na grafit a železo. Soustava Fe-Fe3C se označuje jako soustava metastabilní a podle této soustavy tuhnou především oceli. Jestliže je uhlík vyloučen jako grafit, jedná se o soustavu stabilní, která má svůj význam zejména pro posuzování změn při tuhnutí litin a surových želez. cementit Fe3C mřížka ortorombická obsah uhlíku: 6,68% Uhlík v železe grafit intermediální fáze

16 Rozpustnost uhlíku v železe při pokojové teplotě je prakticky nulová. Fázové složení slitin železa s uhlíkem je proto tvořeno feritem a cementitem v případě metastabilní soustavy, případně feritem a grafitem v případě soustavy stabilní. CEMENTIT Cementit je křehká fáze s tvrdostí 700 až 800 HV. S přibývajícím obsahem uhlíku v soustavě přibývá také obsah cementitu tvrdosti a pevnosti, zároveň ale houževnatost a plastické vlastnosti. Houževnatost a plastické vlastnosti ale také kromě obsahu cementitu závisí na způsobu jeho vyloučení: cementit vyloučený po hranicích zrn (tj.sekundární a terciální) je pokles houževnatosti výrazný i při nižších obsazích uhlíku u perlitické struktury se dosahuje vyšší houževnatosti při malé mezilamelární vzdálenosti cementitu. Sferoidizace (sbalení) lamel cementitu v perlitické struktuře vede ke snížení pevnosti a tvrdosti a ke zvýšení houževnatosti.

17 GRAFIT (V ŽELEZE) Grafit je měkká a křehká fáze. U slitin zchladlých dle stabilní soustavy má při feriticko-grafitické struktuře obsah uhlíku malý vliv na tvrdost. Pevnost, houževnatost a plastické vlastnosti závisí více na způsobu vyloučení grafitu než na jeho množství: slitiny s grafitem vyloučeným ve formě lupínků jsou křehké k porušení dochází obvykle křehkým předčasným lomem grafit vyloučený ve formě kuliček pevnostní vlastnosti těchto slitin jsou úměrné pevnostním vlastnostem feritu; plastické vlastnosti a houževnatost jsou ale nižší než srovnatelné vlastnosti feritu

18 Změna struktury způsobená ohřevem

19 Ocel C10 90% feritu, 10% perlitu 0,10% C

20 Ocel % feritu, 15% perlitu 0,15% C

21 Ocel C15 80% feritu, 20% perlitu 0,12 0,18% C

22 Ocel C45E 40% feritu, 30% perlitu, 30% sorbitu 0,42 0,5% C

23 Ocel Cementitické síťoví 1,2 1,35% C

24 Ocel primární karbidy, ferit, globulární perlit 0,9% C žíhání na měkko, nekaleno

25 Prášková ocel Vanadis30 Drobné sekundární karbidy, sorbitická struktura 1,28% C Zakaleno, popuštěno

26 Vysokolegovaná ocel popuštěný martenzit, primární a sekundární karbidy chromu 1,5% C, 12,5% Cr kaleno, popuštěno

27 LITINY

28 Šedá litina 0,6515 Lupínkový grafit 3,4 3,7% C

29 Tvárná litina 0,7040 Zrnitý grafit 3,5 3,8% C

30 Litina GJV-SiMo 30% kuličkový grafit, 70% vermikulární (červíkovitý) grafit 3,0 3,5% C

31 Litina GJS-SiMo % feritu, 15-20% perlitu/sorbitu, kuličkový grafit 3,2-3,6% C

32 OCEL ČSN

33 TZ: Ohřev: 1200 C Chlazeno: voda

34 TZ: Ohřev: 1000 C Chlazeno: voda TZ: Ohřev: 800 C Chlazeno: voda TZ: Ohřev: 900 C Chlazeno: voda

35 TZ: Ohřev: 1200 C Chlazeno: olej

36 TZ: ohřev:1000 C, chlazeno:olej TZ: ohřev:900 C, chlazeno:olej TZ:ohřev:800 C, chlazeno:olej

37 TZ: Ohřev: 1200 C Chlazeno: vzduch TZ: Ohřev: 1200 C Chlazeno: pec

38 TZ:ohřev:1000 C, chlazeno:pec TZ:ohřev:900 C, chlazeno:pec

39 TZ: Ohřev: 800 C Chlazeno: pec TZ: Ohřev: 750 C Chlazeno: pec

40 TZ:ohřev:800 C, chlazeno:vzduch TZ:ohřev:900 C, chlazeno:vzduch TZ:ohřev:750 C, chlazeno:vzduch

Podobné dokumenty

METALOGRAFIE II. Oceli a litiny

METALOGRAFIE II. Oceli a litiny METALOGRAFIE II Oceli a litiny Slitiny železa, uhlíku a popřípadě dalších prvků se nazývají oceli a litiny. Oceli jsou slitiny železa obsahující do 2,14 hm. % uhlíku, litiny s obsahem uhlíku nad 2,14 hm.