Cacbua silic: Cấu trúc hóa học, tính chất và công dụng

Cacbua silic là chất rắn cộng hóa trị được hình thành bởi carbon và silicon. Nó có độ cứng lớn với giá trị từ 9.0 đến 10 trên thang Mohs và công thức hóa học của nó là SiC, có thể gợi ý rằng carbon được liên kết với silicon bằng liên kết cộng hóa trị ba, với điện tích dương (+ ) trong Si và điện tích âm (-) trong carbon (+ Si≡C-).

Trên thực tế, các liên kết trong hợp chất này là hoàn toàn khác nhau. Nó được phát hiện vào năm 1824 bởi nhà hóa học người Thụy Điển Jön Jacob Berzelius, trong khi cố gắng tổng hợp kim cương. Năm 1893, nhà khoa học người Pháp Henry Moissani đã phát hiện ra một loại khoáng chất có thành phần chứa silicon carbide.

Phát hiện này được thực hiện trong khi kiểm tra các mẫu đá từ miệng núi lửa thiên thạch ở Devil 'Canyon, Hoa Kỳ. UU Ông đặt tên khoáng sản này là moissanite. Mặt khác, Edward Goodrich Acheson (1894) đã tạo ra một phương pháp tổng hợp silicon carbide, bằng cách phản ứng cát hoặc thạch anh có độ tinh khiết cao với than cốc dầu mỏ.

Goodrich đặt tên carborundum (hay carborundium) cho sản phẩm thu được và thành lập một công ty để sản xuất chất mài mòn.

Cấu trúc hóa học

Hình trên minh họa cấu trúc hình khối và tinh thể của silicon carbide. Sự sắp xếp này giống như của kim cương, bất chấp sự khác biệt của bán kính nguyên tử giữa C và Si.

Tất cả các liên kết là cộng hóa trị mạnh và định hướng, không giống như các chất rắn ion và tương tác tĩnh điện của chúng.

SiC hình thành tứ diện phân tử; nghĩa là, tất cả các nguyên tử được liên kết với bốn người khác. Các đơn vị tứ diện này được nối với nhau bằng liên kết cộng hóa trị, áp dụng các cấu trúc tinh thể trong các lớp.

Ngoài ra, các lớp này có sự sắp xếp tinh thể riêng của chúng, có ba loại: A, B và C.

Điều đó có nghĩa là, một lớp A khác với B, và lớp sau ở C. Do đó, tinh thể của SiC bao gồm việc sắp xếp một chuỗi các lớp, xảy ra hiện tượng được gọi là chính trị.

Ví dụ, polytype hình khối (tương tự như kim cương) bao gồm một lớp các lớp ABC và do đó, có cấu trúc tinh thể 3C.

Các ngăn xếp khác của các lớp này cũng tạo ra các cấu trúc khác, trong số các đa giác hình thoi và lục giác. Trên thực tế, cấu trúc tinh thể của SiC cuối cùng là một "rối loạn tinh thể".

Cấu trúc hình lục giác đơn giản nhất cho SiC, 2H (hình trên), được hình thành do kết quả của việc xếp chồng các lớp với trình tự ABABA ... Sau mỗi hai lớp, chuỗi được lặp lại và đó là số 2 xuất phát .

Thuộc tính

Tài sản chung

Khối lượng mol

40, 11 g / mol

Ngoại hình

Khác nhau với phương pháp lấy và các vật liệu được sử dụng. Nó có thể là: tinh thể màu vàng, xanh lá cây, xanh đen hoặc ánh kim.

Mật độ

3, 16 g / cm3

Điểm nóng chảy

2830 CC.

Chỉ số khúc xạ

2.55.

Pha lê

Có tính đa hình: tinh thể lục giác αSiC và tinh thể khối βSiC.

Độ cứng

9 đến 10 trên thang Mohs.

Kháng các tác nhân hóa học

Nó chống lại tác động của axit mạnh và kiềm. Ngoài ra, silicon carbide là trơ về mặt hóa học .

Tính chất nhiệt

- Độ dẫn nhiệt cao.

- Nó hỗ trợ nhiệt độ tuyệt vời.

- Độ dẫn nhiệt cao.

- Hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính thấp, vì vậy nó hỗ trợ nhiệt độ cao với độ giãn nở thấp.

- Chịu được sốc nhiệt.

Tính chất cơ học

- Khả năng chịu nén cao.

- Chống mài mòn và ăn mòn.

- Nó là một vật liệu nhẹ có sức mạnh và sức đề kháng lớn.

- Duy trì sức đề kháng đàn hồi của nó ở nhiệt độ cao.

Tính chất điện

Nó là một chất bán dẫn có thể thực hiện các chức năng của nó ở nhiệt độ cao và điện áp cực cao, ít tiêu hao năng lượng của nó cho điện trường.

Công dụng

Như một sự mài mòn

- Silicon carbide là một chất bán dẫn có khả năng chịu được nhiệt độ cao, điện áp cao hoặc độ dốc điện trường gấp 8 lần so với silicon có thể chịu được. Đây là lý do tại sao nó hữu ích trong việc xây dựng điốt, quá độ, bộ triệt và các thiết bị vi sóng năng lượng cao.

- Điốt phát sáng (LED) và máy dò của bộ đàm đầu tiên (1907) được sản xuất cùng với hợp chất. Hiện nay, silicon carbide đã được thay thế trong sản xuất bóng đèn LED bằng nitrat gallium phát ra ánh sáng mạnh hơn từ 10 đến 100 lần.

- Trong các hệ thống điện, cacbua silic được sử dụng làm chất dẫn sét trong hệ thống điện, vì chúng có thể điều chỉnh điện trở của chúng bằng cách điều chỉnh điện áp qua nó.

Ở dạng gốm có cấu trúc

- Trong một quá trình được gọi là thiêu kết, các hạt silicon carbide - cũng như các chất đồng hành - được nung nóng đến nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp này. Do đó, sức mạnh và sức mạnh của vật thể gốm tăng lên, thông qua sự hình thành các liên kết mạnh giữa các hạt.

- Gốm cấu trúc của silicon carbide đã có một loạt các ứng dụng. Chúng được sử dụng trong phanh đĩa và trong bộ ly hợp của xe cơ giới, trong các bộ lọc hạt có trong dầu diesel và như một chất phụ gia trong dầu để giảm ma sát.

- Việc sử dụng gốm silicon cấu trúc silicon đã trở nên phổ biến trong các bộ phận tiếp xúc với nhiệt độ cao. Ví dụ, đây là trường hợp cổ họng của kim phun tên lửa và các con lăn của lò nung.

- Sự kết hợp giữa độ dẫn nhiệt cao, độ cứng và độ ổn định ở nhiệt độ cao làm cho các thành phần của ống trao đổi nhiệt với silicon carbide.

- Kết cấu gốm được sử dụng trong kim phun cát, phớt ô tô của máy bơm nước, vòng bi và khuôn đùn. Nó cũng tạo thành vật liệu của chén nung, được sử dụng trong quá trình nấu chảy kim loại.

- Nó là một phần của các yếu tố làm nóng được sử dụng trong quá trình nấu chảy kim loại thủy tinh và kim loại màu, cũng như trong xử lý nhiệt của kim loại.

Công dụng khác

- Có thể được sử dụng trong đo nhiệt độ khí. Trong một kỹ thuật được gọi là pyrometry, một sợi silicon carbide được nung nóng và phát ra bức xạ tương quan với nhiệt độ trong khoảng 800-2500 ºK.

- Nó được sử dụng trong các nhà máy hạt nhân để ngăn chặn rò rỉ vật liệu được tạo ra bởi quá trình phân hạch.

- Trong sản xuất thép nó được sử dụng làm nhiên liệu.