WĘGLIK KRZEMU: BUDOWA CHEMICZNA, WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2026

Węglik krzemu jest stały kowalencyjne składający się z atomów węgla i krzemu. Jest bardzo twardy o wartości od 9,0 do 10 w skali Mohsa, a jego wzór chemiczny to SiC, co może sugerować, że węgiel jest związany z krzemem wiązaniem kowalencyjnym potrójnym, o ładunku dodatnim (+ ) na Si i ładunek ujemny (-) na węglu ( ⁺ Si≡C ^- ).

W rzeczywistości wiązania w tym związku są zupełnie inne. Został odkryty w 1824 roku przez szwedzkiego chemika Jön Jacoba Berzeliusa podczas próby syntezy diamentów. W 1893 roku francuski naukowiec Henry Moissani odkrył minerał, którego skład zawierał węglik krzemu.

Odkrycia dokonano podczas badania próbek skał z krateru meteorytu w Devil's Canyon, USA. Nazwał ten minerał moissanitem. Z kolei Edward Goodrich Acheson (1894) stworzył metodę syntezy węglika krzemu, polegającą na reakcji piasku lub kwarcu o wysokiej czystości z koksem naftowym.

Goodrich nazwał otrzymany produkt karborundem (lub karborundem) i założył firmę zajmującą się produkcją materiałów ściernych.

Struktura chemiczna

Górne zdjęcie przedstawia sześcienną i krystaliczną strukturę węglika krzemu. Ten układ jest taki sam jak diamentu, pomimo różnic w promieniu atomów między C i Si.

Wszystkie wiązania są silnie kowalencyjne i kierunkowe, w przeciwieństwie do jonowych ciał stałych i ich oddziaływań elektrostatycznych.

SiC tworzy czworościany molekularne; to znaczy, wszystkie atomy są połączone z czterema innymi. Te czworościenne jednostki są połączone ze sobą wiązaniami kowalencyjnymi, przyjmując warstwowe struktury krystaliczne.

Ponadto warstwy te mają własne układy kryształów, które są trzech typów: A, B i C.

Innymi słowy, warstwa A różni się od warstwy B, a ta druga od C. Tak więc kryształ SiC składa się z ułożenia szeregu warstw, zjawiska znanego jako politypizm.

Na przykład poltyp sześcienny (podobny do diamentu) składa się ze stosu warstw ABC i dlatego ma strukturę krystaliczną 3C.

Inne stosy tych warstw również generują inne struktury, między tymi politypami romboedrycznymi i sześciokątnymi. W rzeczywistości krystaliczne struktury SiC stają się „krystalicznym zaburzeniem”.

Najprostsza struktura heksagonalna SiC, 2H (górne zdjęcie), powstaje w wyniku ułożenia warstw z sekwencją ABABA … Po każdych dwóch warstwach sekwencja się powtarza i stąd pochodzi liczba 2 .

Nieruchomości

Właściwości ogólne

Masa cząsteczkowa

40,11 g / mol

Wygląd

Zależy to od metody otrzymywania i użytych materiałów. Mogą to być kryształy: żółte, zielone, czarno-niebieskie lub opalizujące.

Gęstość

3,16 g / cm3

Temperatura topnienia

2830 ° C

Współczynnik załamania światła

2.55.

Kryształy

Istnieją polimorfizmy: sześciokątne kryształy αSiC i sześcienne kryształy βSiC.

Twardość

9 do 10 w skali Mohsa.

Odporność na czynniki chemiczne

Jest odporny na działanie silnych kwasów i zasad. Ponadto węglik krzemu jest chemicznie obojętny .

Właściwości termiczne

- Wysoka przewodność cieplna.

- Wytrzymuje wysokie temperatury.

- Wysoka przewodność cieplna.

- Niski liniowy współczynnik rozszerzalności cieplnej, dzięki czemu wytrzymuje wysokie temperatury przy małej rozszerzalności.

- Odporny na szok termiczny.

Właściwości mechaniczne

- Wysoka odporność na ściskanie.

- Odporny na ścieranie i korozję.

- Jest to lekki materiał o dużej wytrzymałości i odporności.

- Zachowuje elastyczność w wysokich temperaturach.

Nieruchomości

Jest to półprzewodnik, który może spełniać swoje funkcje w wysokich temperaturach i ekstremalnych napięciach, przy niewielkim rozpraszaniu swojej mocy na pole elektryczne.

Aplikacje

Jako materiał ścierny

- Węglik krzemu jest półprzewodnikiem zdolnym do wytrzymania wysokich temperatur, wysokiego napięcia lub gradientów pola elektrycznego 8 razy bardziej niż krzem. Z tego powodu znajduje zastosowanie w budowie diod, tranzystorów, tłumików oraz wysokoenergetycznych urządzeń mikrofalowych.

- Z tego związku produkowane są diody elektroluminescencyjne (LED) i detektory pierwszych radiotelefonów (1907). Obecnie w produkcji żarówek LED węglik krzemu został zastąpiony azotkiem galu, który emituje od 10 do 100 razy jaśniejsze światło.

- W układach elektrycznych węglik krzemu jest stosowany jako piorunochron w systemach elektroenergetycznych, ponieważ może regulować jego rezystancję poprzez regulację napięcia na nim.

W postaci strukturalnej ceramiki

- W procesie znanym jako spiekanie, cząstki węglika krzemu - a także cząstki towarzyszące - są podgrzewane do temperatury niższej niż temperatura topnienia tej mieszaniny. W ten sposób zwiększa odporność i wytrzymałość przedmiotu ceramicznego, tworząc silne wiązania między cząstkami.

- Ceramika strukturalna z węglika krzemu ma szeroki zakres zastosowań. Stosowane są w hamulcach tarczowych i sprzęgłach pojazdów mechanicznych, w filtrach cząstek stałych oraz jako dodatek do olejów zmniejszający tarcie.

- Zastosowania ceramiki strukturalnej z węglika krzemu stały się powszechne w częściach wystawionych na działanie wysokich temperatur. Na przykład tak jest w przypadku gardzieli wtryskiwaczy rakietowych i rolek pieca.

- Połączenie wysokiej przewodności cieplnej, twardości i wysokiej stabilności temperaturowej sprawia, że ​​elementy rur wymienników ciepła są wykonane z węglika krzemu.

- Ceramika strukturalna jest stosowana w wtryskiwaczach do piaskowania, uszczelnieniach samochodowych pomp wodnych, łożyskach i matrycach do wytłaczania. Jest to również materiał na tygle, używany do wytapiania metali.

- Wchodzi w skład elementów grzejnych stosowanych przy wytopie szkła i metali nieżelaznych oraz przy obróbce cieplnej metali.

Inne zastosowania

- Może być stosowany do pomiaru temperatury gazów. W technice znanej jako pirometria, włókno z węglika krzemu jest podgrzewane i emituje promieniowanie, które jest skorelowane z temperaturą w zakresie 800-2500ºK.

- Jest stosowany w elektrowniach jądrowych, aby zapobiec wyciekowi materiału powstającego w wyniku rozszczepienia.

- Przy produkcji stali służy jako paliwo.

Bibliografia

1. Nicholas G. Wright, Alton B. Horsfall. Węglik krzemu: powrót starego przyjaciela. Material Matters Volume 4 Article 2. Pobrane 5 maja 2018 r. Z: sigmaaldrich.com
2. John Faithfull. (Luty 2010). Kryształy karborundu. Pobrane 5 maja 2018 z: commons.wikimedia.org
3. Charles & Colvard. Polytypizm i Moissanit. Pobrane 5 maja 2018 r. Z: moissaniteitalia.com
4. Materiałoznawca. (2014). SiC2HstructureA. . Pobrane 5 maja 2018 z: commons.wikimedia.org
5. Wikipedia. (2018). Węglik krzemu. Pobrane 5 maja 2018 r. Z: en.wikipedia.org
6. Navarro SiC. (2018). Węglik krzemu. Pobrane 5 maja 2018 r.Z: navarrosic.com
7. Uniwersytet Barceloński. Węglik krzemu, SiC. Pobrane 5 maja 2018 z: ub.edu
8. CarboSystem. (2018). Węglik krzemu. Pobrane 5 maja 2018 r. Z: carbosystem.com