Χημική δομή, ιδιότητες και χρήσεις του καρβιδίου του πυριτίου

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ένα ομοιοπολικό στερεό που σχηματίζεται από άνθρακα και πυρίτιο. Έχει μεγάλη σκληρότητα με τιμή 9,0 έως 10 στην κλίμακα Mohs και ο χημικός τύπος του είναι SiC, πράγμα που μπορεί να υποδηλώνει ότι ο άνθρακας συνδέεται με το πυρίτιο με έναν τριπλό ομοιοπολικό δεσμό, με θετικό φορτίο (+ ) στο Si και ένα αρνητικό φορτίο (-) στον άνθρακα (⁺Si = C^-).

Στην πραγματικότητα, οι σύνδεσμοι σε αυτή την ένωση είναι τελείως διαφορετικοί. Ανακαλύφθηκε το 1824 από τον Σουηδό χημικό Jön Jacob Berzelius, ενώ προσπάθησε να συνθέσει διαμάντια. Το 1893 ο Γάλλος επιστήμονας Henry Moissani ανακάλυψε ένα ορυκτό, του οποίου η σύνθεση περιείχε καρβίδιο του πυριτίου.

Αυτή η ανακάλυψη έγινε κατά την εξέταση δειγμάτων βράχου από έναν κρατήρα μετεωριτών στο Canyon Devil's, ΗΠΑ. UU Ονομάστηκε αυτό το ορυκτό ως moissanite. Από την άλλη πλευρά, ο Edward Goodrich Acheson (1894) δημιούργησε μια μέθοδο για τη σύνθεση καρβιδίου του πυριτίου, αντιδρώντας άμμους ή χαλαζία υψηλής καθαρότητας με τον οπτάνθρακα πετρελαίου.

Ο Goodrich ονόμασε carborundum (ή carborundium) στο προϊόν που ελήφθη και ίδρυσε μια εταιρεία για την παραγωγή λειαντικών.

Ευρετήριο

• 1 Χημική δομή
• 2 Ιδιότητες
  • 2.1 Γενικές ιδιότητες
  • 2.2 Θερμικές ιδιότητες
  • 2.3 Μηχανικές ιδιότητες
  • 2.4 Ηλεκτρικές ιδιότητες
• 3 Χρήσεις
  • 3.1 Ως λειαντικό
  • 3.2 Με τη μορφή δομημένης κεραμικής
  • 3.3 Άλλες χρήσεις
• 4 Αναφορές

Χημική δομή

Η επάνω εικόνα απεικονίζει την κυβική και κρυσταλλική δομή του καρβιδίου του πυριτίου. Αυτή η διάταξη είναι η ίδια με αυτή του διαμαντιού, παρά τις διαφορές των ατομικών ακτίνων μεταξύ του C και του Si.

Όλοι οι δεσμοί είναι έντονα ομοιοπολικοί και κατευθυντικοί, σε αντίθεση με τα ιοντικά στερεά και τις ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις τους.

Το SiC σχηματίζει μοριακό τετράεδρα. δηλαδή, όλα τα άτομα συνδέονται με τέσσερα άλλα. Αυτές οι τετραεδρικές μονάδες συνδέονται μεταξύ τους με ομοιοπολικούς δεσμούς, υιοθετώντας κρυσταλλικές δομές με στρώματα.

Επίσης, αυτά τα στρώματα έχουν τις δικές τους κρυστάλλινες ρυθμίσεις, οι οποίες είναι τριών τύπων: Α, Β και Γ.

Δηλαδή, το στρώμα Α είναι διαφορετικό από το Β και αυτό από το C. Έτσι, ο κρύσταλλος του SiC συνίσταται στην στοιβασία μιας ακολουθίας στρωμάτων, εμφανίζοντας το φαινόμενο που είναι γνωστό ως πολιτισμός.

Για παράδειγμα, ο κυβικός πολυτύπος (παρόμοιος με αυτόν του διαμαντιού) αποτελείται από μια στοίβα από στρώματα ABC και συνεπώς έχει κρυσταλλική δομή 3C.

Άλλες στοίβες αυτών των στρωμάτων δημιουργούν επίσης άλλες δομές, μεταξύ αυτών των ρομβοεδρικών και εξαγωνικών πολυτύπων. Στην πραγματικότητα, οι κρυσταλλικές δομές του SiC καταλήγουν να είναι μια "κρυσταλλική διαταραχή".

Η απλούστερη εξαγωνική δομή για το SiC, η 2Η (άνω εικόνα), σχηματίζεται ως αποτέλεσμα της στοίβαξης των στρωμάτων με την ακολουθία ABABA ... Μετά από κάθε δύο στρώματα επαναλαμβάνεται η ακολουθία και από εκεί προέρχεται ο αριθμός 2.

Ιδιότητες

Γενικές ιδιότητες

Μοριακή μάζα

40,11 g / mol

Εμφάνιση

Διαφέρει ανάλογα με τη μέθοδο απόκτησης και τα χρησιμοποιούμενα υλικά. Μπορεί να είναι: κίτρινο, πράσινο, μαύρο μπλε ή ιριδίζοντες κρύσταλλοι.

Πυκνότητα

3,16 g / cm3

Σημείο τήξης

2830 ºC.

Δείκτης διάθλασης

2.55.

Κρύσταλλα

Υπάρχει πολυμορφισμός: αSiC εξαγωνικοί κρύσταλλοι και βSiC κυβικοί κρύσταλλοι.

Σκληρότητα

9 έως 10 στην κλίμακα Mohs.

Αντοχή σε χημικούς παράγοντες

Είναι ανθεκτικό στη δράση ισχυρών οξέων και αλκαλίων. Επιπλέον, το καρβίδιο του πυριτίου είναι χημικώς αδρανές.

Θερμικές ιδιότητες

- Υψηλή θερμική αγωγιμότητα.

- Αντέχει σε μεγάλες θερμοκρασίες.

- Υψηλή θερμική αγωγιμότητα.

- Συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής χαμηλός, ο οποίος υποστηρίζει υψηλές θερμοκρασίες με χαμηλή διόγκωση.

- Ανθεκτικό σε θερμικό σοκ.

Μηχανικές ιδιότητες

- Υψηλή αντοχή σε θλίψη.

- Ανθεκτικό στην τριβή και στη διάβρωση.

- Είναι ένα ελαφρύ υλικό μεγάλης αντοχής και αντοχής.

- Διατηρεί την ελαστική αντοχή του σε υψηλές θερμοκρασίες.

Ιδιότητες ηλεκτρικό

Είναι ένας ημιαγωγός που μπορεί να εκπληρώσει τις λειτουργίες του σε υψηλές θερμοκρασίες και ακραίες τάσεις, με μικρή διαρροή της ισχύος του στο ηλεκτρικό πεδίο.

Χρησιμοποιεί

Ως λειαντικό

- Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ημιαγωγός ικανός να αντέχει σε υψηλές θερμοκρασίες, βαθμίδες υψηλής τάσης ή ηλεκτρικού πεδίου 8 φορές περισσότερο από ό, τι μπορεί να αντέξει το πυρίτιο. Αυτός είναι ο λόγος που είναι χρήσιμος στην κατασκευή διόδων, μετατροπέων, καταστολέων και συσκευών μικροκυμάτων υψηλής ενέργειας.

- Οι δίοδοι εκπομπής φωτός (LED) και οι ανιχνευτές των πρώτων ραδιοφώνων (1907) κατασκευάζονται με την ένωση. Επί του παρόντος, το καρβίδιο του πυριτίου έχει αντικατασταθεί στην κατασκευή λαμπτήρων LED με νιτρίδιο του γαλλίου που εκπέμπει φως από 10 έως 100 φορές φωτεινότερο.

- Στα ηλεκτρικά συστήματα, το καρβίδιο του πυριτίου χρησιμοποιείται ως κεραυνός σε συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς μπορεί να ρυθμίζει την αντίστασή τους ρυθμίζοντας την τάση μέσω αυτού.

Με τη μορφή δομημένης κεραμικής

- Σε μια διαδικασία γνωστή ως σύντηξη, τα σωματίδια καρβιδίου του πυριτίου - καθώς και αυτά των συνοδών - θερμαίνονται σε θερμοκρασία χαμηλότερη από τη θερμοκρασία τήξης αυτού του μίγματος. Έτσι, αυξάνει την αντοχή και την αντοχή του κεραμικού αντικειμένου, σχηματίζοντας ισχυρούς δεσμούς μεταξύ των σωματιδίων.

- Τα δομικά κεραμικά του καρβιδίου του πυριτίου έχουν ένα ευρύ φάσμα χρήσεων. Χρησιμοποιούνται σε δισκόφρενα και στα συμπλέγματα οχημάτων με κινητήρα, σε φίλτρα σωματιδίων που υπάρχουν στο ντίζελ και ως πρόσθετο στα έλαια για τη μείωση της τριβής.

- Οι χρήσεις των δομικών κεραμικών καρβιδίου του πυριτίου έχουν γίνει ευρέως διαδεδομένες στα μέρη που εκτίθενται σε υψηλές θερμοκρασίες. Για παράδειγμα, αυτό συμβαίνει με το λαιμό των εγχυτήρων πυραύλων και τους κυλίνδρους των κλιβάνων.

- Ο συνδυασμός υψηλής θερμικής αγωγιμότητας, σκληρότητας και σταθερότητας σε υψηλή θερμοκρασία καθιστά τα εξαρτήματα των σωλήνων εναλλάκτη θερμότητας με καρβίδιο του πυριτίου.

- Τα δομικά κεραμικά χρησιμοποιούνται σε εγχυτήρες αμμοβολής, αυτοκινούμενες σφραγίδες αντλιών νερού, έδρανα και μήτρες εξώθησης. Αποτελεί επίσης το υλικό των χωνευτηρίων, που χρησιμοποιούνται στη χύτευση μετάλλων.

- Είναι μέρος των στοιχείων θέρμανσης που χρησιμοποιούνται στην τήξη γυαλιού και μη σιδηρούχων μετάλλων, καθώς και στη θερμική επεξεργασία των μετάλλων.

Άλλες χρήσεις

- Μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη μέτρηση θερμοκρασίας αερίου. Σε μια τεχνική γνωστή ως πυρομετρία, ένα νήμα καρβιδίου του πυριτίου θερμαίνεται και εκπέμπει ακτινοβολία που συσχετίζεται με τη θερμοκρασία σε μια κλίμακα 800-2500k.

- Χρησιμοποιείται σε πυρηνικές εγκαταστάσεις για την αποφυγή διαρροής υλικού που παράγεται από σχάση.

- Στην παραγωγή χάλυβα χρησιμοποιείται ως καύσιμο.

Αναφορές

1. Νικολάου Γ. Ράιτ, Αλτον Β. Χόρσφαλ. Καρβίδιο πυριτίου: Η επιστροφή ενός παλαιού φίλου. Υλικό Θέματα Τόμος 4 Άρθρο 2. Ανακτήθηκε στις 05 Μαΐου 2018, από: sigmaaldrich.com
2. John Faithfull (Φεβρουάριος 2010). Κρύσταλλοι Carborundum. Ανακτήθηκε στις 5 Μαΐου 2018 από: commons.wikimedia.org
3. Charles & Colvard. Πολυτυπία και Μοισανίτης. Ανακτήθηκε στις 05 Μαΐου 2018, από: moissaniteitalia.com
4. Materialscientist. (2014). SiC2HstructureA. [Εικόνα] Ανακτήθηκε στις 5 Μαΐου 2018 από: commons.wikimedia.org
5. Wikipedia. (2018). Καρβίδιο του πυριτίου. Ανακτήθηκε στις 5 Μαΐου 2018, από: en.wikipedia.org
6. Navarro SiC. (2018). Το καρβίδιο του πυριτίου. Ανακτήθηκε στις 05 Μαΐου 2018, από: navarrosic.com
7. Πανεπιστήμιο Βαρκελώνης. Καρβίδιο πυριτίου, SiC. Ανακτήθηκε στις 05 Μαΐου 2018, από: ub.edu
8. CarboSystem. (2018). Καρβίδιο του πυριτίου. Ανακτήθηκε στις 05 Μαΐου 2018, από: carbosystem.com