POURQUOI LE CARBONE PEUT-IL CONSTITUER LE MATÉRIAU LE PLUS DUR – LE DIAMANT ?ET LE MATÉRIAU DOUX - LE GRAPHITE ?

Les électrons nucléaires supplémentaires tournent régulièrement autour du noyau.Ils se déplacent sur des orbites à différentes distances du noyau

leus. Tout comme le Soleil compte huit planètes (Pluton a été expulsé), les planètes ont des orbites différentes selon

sur la distance qui les sépare du soleil.Mais toicomme les orbites planétaires du système solaireSelon ce système, les orbites à l'extérieur du noyau peuvent avoir deux électrons dans l'orbite la plus proche et huit électrons dans la faune autre orbite, ce que nous ne dirons pas, car nous ne nous soucions que du carbone. Nous savons donc que le carbone àles oms sont composés de noyaux de carbone et de six noyaux supplémentairesr électrons, et il y a deux électrons dans la couche la plus interne des atomes de carbone et quatre électrons dans la couche sous-externe.Voir le schéma.

Mais ça moyens tu peuxn y mettez huit électrons.S’il n’est pas plein, il sera instable.Comment devrions-nous faire?Le partage d'électrons avec les atomes environnants stabilise lee liaison, appelée liaison covalente.Il faut beaucoup d’énergie pour rompre la liaison covalente afin de séparer les deux électrons.Un atome de carbone forme une liaison covalente entouré de quatre atomes de carbone.Les quatre liaisons covalentes se repoussent et forment le plus grand angle de l’espace.L'angle entre les deux liaisons covalentes est de 109 degrés.On voit donc souvent la structure atomique du diamond comme le montre la figure 2. Vous pouvez voir les atomes de carbone sous forme de petites boules.Les liaisons covalentes sont des tiges rigides reliant les billes.Si vous souhaitez déplacer l’une des boules, cela impliquera le mouvement des boules environnantes.Donc à moins de casser les tiges rigides reliant les boules, vous ne pourrez pas vous déplacer facilement.Balle, c'est pour ça que les diamants sont si durs.Vous voyez, les propriétés de tout matériau en science des matériaux sont intrinsèquement liées.De plus, les électrons externes des atomes de carbone forment des liaisons covalentes avec les atomes de carbone environnants.Les électrons sont fixés entre les deux noyaux et ne peuvent pas se déplacer librement, même si la tension appliquée n'est pas suffisante, aucun courant ne peut alors se former, c'est-à-dire que le diamant ne conduit pas l'électricité.

Alors pourquoi existe-t-il une structure plane hexagonale comme le graphite ?Regardons d'abord l'image de la structure hexagonale du graphite.

C'est le principe de l'énergie minimale.Pourquoi les pierres roulent-elles sur les montagnes et les objets sur les tables tombent-ils ?C’est parce que tout se transformera spontanément d’une énergie élevée à une énergie faible, puis libérera l’énergie restante.L'objet sur la table de pierre de la rivière sur la montagne a une énergie élevée, il tombe donc spontanément et l'énergie restante sera transformée en une fosse au sol.Les deux atomes de carbone adjacents dans la structure du graphite sont proches, l'énergie est donc faible.Ne me demandez pas pourquoi.Il faut juste se rappeler que le graphite, un atome de carbone, forme des liaisons covalentes avec trois autres atomes de carbone dans un plan.L'angle entre chacune de deux liaisons covalentes est de 120 degrés, l'énergie de la structure est donc la plus faible.Certaines personnes ont dit que les atomes de carbone dans la structure du diamant peuvent également être proches, ah, nous ne pouvons pas le faire, car deux atomes de carbone proches seront repoussés par d'autres atomes.Est-ce très lié ?Pourquoi les atomes de carbone de la structure du graphite peuvent-ils se rapprocher ?Je vous suggère de dessiner deux types de diagrammes de structure sur papier.L'angle de liaison covalente des atomes de carbone du graphite est de 120 degrés.Il y a suffisamment d'espace pour s'approcher.L'angle de liaison covalente du diamant est de 109 degrés.Il n'y a plus d'espace.Les enfants ayant un mauvais sens spatial vont se heurter au mur.Ne t'inquiète pas.Il faut juste se rappeler que le graphite est la structure la plus stable.C'est un autre problème.Le diamant a donc une énergie élevée, il peut spontanément se transformer en structure graphite.Vendez les diamants collectés chez vous.Au cas où il sortirait un jour sous forme de graphite, ce ne serait pas rentable.Cette inquiétude est superflue.Pourquoi les pièces dans ma poche ne tombent-elles pas par terre ?Les pièces de monnaie ne consomment pas beaucoup d'énergie dans ma poche au sol.C'est parce qu'ils doivent sauter du fond de ma poche à la poche pour tomber.Si je saute de haut en bas et leur donne de l'énergie, peut-être qu'ils tomberont.De même, bien que le diamant soit instable, il existe depuis longtemps, ce qu’on appelle un état métastable.Ce n'est qu'en donnant de l'énergie qu'il peut se transformer spontanément de la structure du diamant à la structure du graphite.Si vous mettez le diamant à haute température, il se transformera progressivement en graphite.Si vous n'y croyez pas, essayez-le, mais ne me demandez pas de payer.

Regardons la structure du graphite.Un atome de carbone forme des liaisons covalentes avec trois atomes de carbone qui l'entourent.Les électrons restants sont libres au-dessus ou en dessous du plan.Chaque atome de carbone possède un électron libre supplémentaire, qui constitue la structure du graphène.Lorsque les atomes de carbone sont stables, la liaison aux électrons libres est faible et les électrons libres de tension se déplacent dans une direction très rapide.C'est pourquoi le graphène fait partie des matériaux supraconducteurs ayant une très bonne conductivité et presque aucune résistance.C'est pourquoi le graphène conduit l'électricité.De plus, une couche d’électrons sur le plan hexagonal du carbone peut absorber la lumière visible, ce qui peut expliquer pourquoi le graphite est noir.Lorsque la lumière brille sur le graphite, elle est absorbée, c'est-à-dire noire.

Après l’échelle atomique, regardons l’échelle cristalline.Qu'est-ce que le cristal ?En science des matériaux, la disposition périodique des atomes selon certaines règles constitue la structure cristalline.Regardez la structure du diamant, c'est un atome de carbone et quatre atomes de carbone autour de la structure d'un arrangement périodique de cube régulier, regardez la structure du graphite, il y a des atomes de carbone et trois atomes de carbone autour de la grille hexagonale, puis une répétition périodique, c'est cristal de graphite.Les matériaux en graphite ont de tels plans de maillage à six éléments empilés un par un, et les deux plans de maillage à six éléments sont empilés par l'attraction mutuelle des électrons libres.Cette force de liaison est très faible, il est donc très facile de glisser sous l'effet d'une force extérieure.C'est pourquoi le graphite peut être utilisé comme additif à l'huile lubrifiante, car deux plans peuvent glisser librement et lubrifier.C’est aussi pourquoi les crayons utilisent du graphite.Lorsque les crayons sont grattés sur du papier, certains des plans du filet sont frottés.Descendez et collez-vous au papier.

Pourquoi les matériaux carbonés peuvent-ils résister à la corrosion ?Vous pouvez voir que le charbon est vendu sous terre depuis des centaines de millions d’années et que le sol n’est pas corrodé dans un environnement aussi complexe.Regardez la surface du vieux poteau en bois brûlé en noir enfoui dans le sol, car le bois de surface brûlait du charbon de bois pour empêcher le poteau en bois de pourrir dans le sol.Tout cela est dû à la résistance à la corrosion des matériaux carbonés.Parce que le carbone a une activité de liaison élevée avec d’autres éléments, c’est-à-dire qu’il est difficile de réagir à température ambiante et peut donc résister à la corrosion.Alors pourquoi le carbone réagit-il si fortement avec l’oxygène ?Le charbon brûle facilement et le graphite s'oxyde facilement.Selon le principe de la combustion, lorsque les atomes de carbone se combinent avec des atomes d'oxygène, il est nécessaire d'interrompre la combinaison originale d'atomes de carbone et d'atomes de carbone, puis de former une liaison avec les atomes d'oxygène.Parce que rompre la liaison entre atomes de carbone et atomes de carbone nécessite moins d’énergie que la liaison entre atomes de carbone et atomes d’oxygène.C'est-à-dire que lorsque les atomes de carbone se combinent avec des atomes d'oxygène, l'énergie libérée interrompra la combinaison des atomes de carbone et des atomes de carbone qui les entourent, de sorte que la combinaison des atomes de carbone et des atomes d'oxygène continuera à se combiner, et la combinaison des atomes de carbone et les atomes de carbone continueront à être interrompus, ce qui constitue une combustion.

En ce qui concerne la structure cristalline, il doit y avoir une disposition irrégulière des atomes.C'est amorphe.Comme le carbone amorphe, il est amorphe.En fait, ce sont des concepts relatifs.Il n’existe pas de cristal parfait au monde.Même dans un monocristal, il y aura des atomes disposés de manière irrégulière.Le carbone amorphe signifie que la disposition des atomes de carbone est désordonnée et presque irrégulière, et qu'il reste encore des électrons insaturés dans les atomes de carbone, c'est-à-dire qu'aucune combinaison stable n'est formée.De cette façon, le carbone amorphe peut facilement réagir avec l'oxygène, car les atomes d'oxygène se combinent d'abord avec des atomes de carbone qui ne forment pas une structure combinée, puis la combustion en dessous se déroule spontanément.

Regardons le niveau micro.Comme mentionné ci-dessus, les atomes d’un monocristal sont disposés régulièrement.Si l’ensemble de l’objet est disposé régulièrement, il s’agit d’un monocristal.Mais de tels objets sont rares.La plupart d’entre eux sont de petits grains de monocristal composés d’atomes.Les petits grains peuvent à nouveau être synthétisés.Il n’y a pas nécessairement de frontière claire entre les grains.Il se peut que les limites des grains entre les grains soient juste un peu désordonnées et que les atomes de carbone entre eux soient liés de manière covalente.En termes de composition du graphite, les atomes de carbone forment un maillage à six éléments, puis le maillage à six éléments est superposé pour former des grains de graphite.Les grains de graphite peuvent être décalés par rapport aux grains de graphite adjacents, ou la direction du réseau peut être décalée pour former des objets en graphite.Il est très difficile de séparer le maillage à six éléments en appliquant des forces externes, car les liaisons covalentes entre les atomes de carbone et les atomes de carbone sont très fortes.Mais s’il y a une disposition irrégulière ou un manque d’atomes de carbone quelque part, la force de liaison à ces endroits est relativement faible et les fissures se propageront le long de ces endroits.Si elles sont observées au microscope, les ports brisés du graphite se propagent essentiellement le long des joints de grains entre les grains.

Enfin, si la fibre de carbone est un monocristal plan hexagonal de carbone parfait, alors la résistance à la traction atteindra 800 GPa.Quelle est la notion ?La résistance des fibres de carbone T700 est de 4 900 MPa, soit 4,9 GPa, ce qui ne représente qu'environ 1 200 de la résistance théorique.Étant donné que l'intérieur des fibres de carbone appartient à une structure de graphite désordonnée, c'est-à-dire qu'il existe une structure de grille en graphite à six éléments, mais que le plan de la grille est relativement désordonné, il existe des défauts qui limitent sérieusement la résistance des fibres de carbone.De plus, l’orientation du maillage à six éléments n’est pas complètement parallèle à la direction de la longueur de la fibre, ce qui limite également la résistance des fibres de carbone.