Transcript Carbonul - Facultatea de Fizică şi Inginerie

Universitatea de Stat din Moldova
Facultatea de fizică
Catedra: Meteorologie ,Metrologie si Fizică experimentală
TEMA:Studiul particularităților
de obținere a clusterilor de
carbon
Cordonator stiințific:
Dr. conf. universitar
Lozovanu Petru
Au efectuat studenții:
Popa Tudor
Secrieru Vadim
Chișinau 2012
 Scopul lucrării:
Studiul condițiilor de obținere a clusterilor de carbon de
ordin inferior.
 Actualitatea temei
Odată cu descoperirea formei a 4-a alotropice a
carbonului, intensiv se studiază posibilitatea de utilizare
a formelor alotropice a carbonului în diferite domenii:
medicină, nanotehnologii, tehnică și construcții.
 Carbonul
Dintre toate elementele din tabelul
periodic, carbonul este cel mai remarcabil
și este uneori numit baza vieții pe Pamînt.
În tabelul periodic carbonul este situat în
perioada a 2-a, grupa a 4-a. El poate forma
o varietate de legături covalente cu alte
elemente-pînă la patru legături simple, una
sau două legături duble, sau o legătura
triplă.
De exemplu, carbonul formează cu
ușurință legături cu hidrogenul, oxigenul,
azotul, sulful și fosforul, precum și alte
elemente cunoscute sub numele de
halogeni, cum sunt clorul, bromul, fluorul.
Însă propriețile sale unice sunt datorate
capacitații sale de a forma legături cu o
catenă aproape nelimitată de alți atomi de
carbon.
Informații generale
Nume, Simbol,
Număr
Carbon, C, 6
Serie chimică
nemetale
Grupă, Perioadă
IV, 2, p
, Bloc
Densitate
2267 kg/m³
Culoare
negru
Număr CAS
7440-44-0
 Formele alotropice ale carbonului
 Diamantul este un mineral nativ și în
același timp o piatră prețioasă. Din punct
de vedere chimic este una din formele de
existență ale carbonului pur. Diamantele
s-au născut în straturile mai adînci ale
scoarței terestre.
Grafitul este un mineral răspîndit în
natură ce face parte din categoria
nemetalelor, fiind după diamant un
element stabil .
 Grafenul este varianta bidimensională a
grafitului; este format dintr-un aranjament
planar (bidimensional) de atomi de carbon
dispuși într-o rețea hexagonală. Grafenul este
cel mai bun conductor de electricitate și
căldură cunoscut.Grafenul este elementul
structural de bază al altor alotropi ai
carbonului incluzînd grafitul, nanotuburile de
carbon și fulerenele.
 Fulerenele sau "C60" reprezintă o clasă de compuși de
atomi de carbon, care prezintă ansamblul structurii fie
forme sferice de tip dom geodezic (C60) o alta varietate
sunt nanotuburile. Această clasă de substanțe este
considerată, alături de carbonul amorf, grafitul și
diamantul o formă alotropică distinctă a carbonului.
Nanotub având o
Principalul reprezentant al clasei este fulerena C60, care
structură de fulerenă aflat
are 60 de atomi de carbon aranjați într-o structură
într-o rotație simulată
icosaedrică ( icosaedrul este un poliedru format din 12
înfățișând structura sa
tridimensională.
fețe pentagonale și 20 de fețe hexagonale.
Structura formelor alotropice ale carbonului
a) diamant), b), grafit; c) lonsdaleite (diamante hexagonale); d-f) fulerene (C60,
C540, C70), g) carbon amorf; h) nanotub de carbon
Clusterii de carbon
Odată cu descoperirea moleculelor de carbon C60 una
din problemele principale a devenit tehnologia de
preparare a clusterilor de carbon, care şi pînă în prezent
este actuală. Sunt cunoscute mai multe metode în care la
descompunerea diferitor substanţe apar clasteri de
carbon. În cele mai multe cazuri sinteza se realizează
prin vaporizarea electrozilor de grafit încălziţi cu curent
de intensitate mare la tensiuni mici şi presiuni joase în
gaz inert .
În lucrare clasterii de carbon au fost obţinuţi prin
metoda de descompunere în arc voltaic a electrozilor de
grafit spectral pur în atmosferă de heliu. Pentru
determinarea condiţiilor tehnologice a fost folosită
instalaţia schema căreia este prezentată în fig.1.
Fig.1. Schema instalaţiei pentru sinteza fullerenilor
1 – capac al incintei de lucru; 2 – garnitură; 3 – dispozitiv mecanic de dirijare a electrodului de
grafit; 4 – garnitură; 5 – bară cu filet; 6 – redresor; 7 – transformator de coborâre; 8 – dispozitiv de
fixare a electrodului de grafit; 9 – directoare; 10,11 – electrozi de grafit; 12- colector de fullereni; 13
– lichid de răcire; 14 – manometru; 15 – robinete; 16 - instalaţie de vid; 17 –termocuplu; 18termoregulator; 19 – pompă de apă;20 – rezervor cu lichid de răcire; 21 – incinta de lucru.
Caracteristicile de bază ale arderii electrozilor de grafit
în arc voltaic
Pentru optimizarea condiţiilor de obţinere clasterilor de
carbon în arc voltaic şi elaborarea unei noi concepţii în
problema preparării a fost studiat mecanismul arderii
electrozilor şi influenţa factorilor externi (atmosfera
gazului de amortizare, presiunea, intensitatea curentului
ş.a.). Parametrii tehnologici principali de care depinde
randamentul procesului de preparare a clasterilor de
carbon prin metoda descompunerii grafitului în arc
voltaic sunt: curentul, distanţa dintre electrozi, natura
gazului de amortizare şi presiunea lui, materialul, forma
geometrică şi dimensiunile electrozilor, diametrul şi
temperatura colectorului de funingine ş.a.
În fig. 2 este prezentată caracteristica curent-tensiune a arcului
voltaic la presiunea heliului de 100 Torr pentru distanţele dintre
electrozi d=1mm şi d=4 mm. Dependenţa ne demonstrează că
indiferent de distanţa dintre electrozi puterea arcului atinge o
valoare minimă la curenţi de 90÷150 A, după care se evidenţiază o
tendinţă de creştere.
30
d=1 mm
d=4mm
U, V
25
20
15
30
60
90
I, A
120
150
180
Fig. 2. Caracteristica curent-tensiune a arcului voltaic
Micşorarea puterii arcului la curenţi 30÷90 A probabil este condiţionată de mărirea
concentraţiei fragmentelor carbonului neionizat în plasmă la creşterea iniţială a
curentului, iar la intensităţi mari de curent, după ce se stabilizează compoziţia plasmei în
arc, creşterea puterii arcului poate fi explicată prin mărirea gradului de ionizare a
fragmentelor din arc datorită emisiei termoelectronice. Odată cu creşterea distanţei d
dintre electrozi forma caracteristicii I-U practic nu se schimbă, dar are loc deplasarea ei
în direcţia tensiunilor mai mari. Această deplasare U este cauzată de creşterea
dimensiunilor arcului voltaic. Intensitatea câmpului electric E este de ˜ 10 V/cm .
30
d=1 mm
d=4mm
U, V
25
20
15
30
60
90
I, A
120
150
180
Fig. 2. Caracteristica curent-tensiune a arcului voltaic
În fig.3 este prezentată dependenţa vitezei de ardere a electrodului ma/, mf/ şi
mp/ de intensitatea curentului în arcul voltaic de He la presiunea de 100 Torr la
distanţa dintre electrozi d = 4 mm, aici prin ma se notează masa de eroziune a
anodului, mf – masa funinginii formate şi mp – masa precipitatului depus pe
catod. Din dependenţa mărimilor ma/, mf/ şi mp/ se vede că valorile acestor
mărimi cresc odată cu creşterea curentului în arc şi mf/ şi mp/ ating valorile
maxime la 130 A. Analiza rezultatelor arată ca cantitatea maximă de funingină se
obține in limitele pentru curenţi cu intensitatea din intervalul 120-150 A.
Influenţa vaporilor de apă şi a gazului remanent în incintă asupra procesului
tehnologic a fost micşorată prin prelucrarea termică a reactorului. S-a observat
că la încălzirea incintei până la temperatura de 70 C şi la o evacuare a aerului
din incintă timp de 30 minute, cantitatea de funingine a crescut cu 2,5–3 % în
condiţiile optimale de sinteză.
12
anod
funingine
precipitat
m/, 10-3 g/s
10
8
6
4
2
0
50
75
100
I, A
125
Fig. 3. Dependenţa vitezei de eroziune a anodului, funinginii şi
a precipitatului de curentul în arcul voltaic
150
Concluzie
 În rezultatul studiului literaturii a fost evidențiate metodele de
obținere a clusterilor de carbon, pentru cercetare a fost
selectată metoda descompunerii grafitului in arc voltaic la
presiune joasă a atmosferii din incinta.
 Experimental au fost determinate condițiile optimale (curent,
presiune și viteză) pentru obținerea clusterilor de carbon de
ordin inferior. Aceasta are loc la presiune de 120 Torr ,
curentul 110 A , la distanța dintre electrozi de 4mm.
 Pentru aprecierea calității funinginii a fost utilizată metoda
dizolvanților, aceasta a fost realizată prin metoda soluțiilor de
toluen. În cazul în care se formează clusterii de fulereni de
ordin superior ( C60, C70 și altele) ele se dezolvă in toluen și
se formează o soluție cafenie.
Vă mulțumim !!!