KARBON ESASLI MALZEMELER 2 SORULAR v Karbon elementinin

KARBON ESASLI MALZEMELER

2 SORULAR v. Karbon elementinin özellikleri nelerdir? v. Karbondan yapılmış malzemeler nelerdir? v. Allatrop nedir? v. Karbon elementinin allatropları nelerdir? v. Grafitle, grafin aynı mıdır? v. Elmas nerelerde kullanılır?

3 Karbon(C), periyodik tablonun 4 A grubunda yer alan, ametal bir elementtir. Yerkabuğunun yaklaşık % 0, 2'sini oluşturur. Buna karşılık, bileşik oluşturan diğer elementlerden daha fazla bileşik oluşturur. Karbon, kömür ve organik bileşiklerin ana elementidir.

4 Karbon bileşiklerinin sayısı son derece fazladır. Bir milyonun üstünde Karbon bileşiği bilinmektedir. Bunlardan Karbondioksit, havada % 0, 03 ve çözünmüş olarak da suda bulunur. Karbonatlar, toprakta oldukça yaygındır. Karbonun, hidrojen, oksijen ve azotla oluşturduğu bileşikler, bitkisel ve hayvansal organizmaların yapısında önemli bir yer tutar.

5 Karbon, çeşitli allotropik biçimler gösteren bir katıdır. Karbonun 4 tane allotropu vardır. Bunlar: 1. Amorf 2. Grafit 3. Elmas 4. Fulleren *Allotrop: Bir elementin atomlarının uzayda farklı şekillerde dizilmesiyle oluşan yapıya allotropi denir. Kimyasal özellikler aynı fiziksel özellikleri farklıdır. Molekül geometrileri farklıdır.

6 1. AMORF KARBON Amorf katı atomların kararlı bir kristal yapıya sahip olmadığı katılar için kullanılan terimdir. Örnek ; mum, parafin, cam gibi maddeler, polystyrene gibi polimerler, pamuk helva gibi yiyecekler ve ruj gibi makyaj malzemeleri.

7 2. GRAFi. T Grafit C atomlarının, düzgün altıgen kafesler oluşturarak üste katmanlar biçiminde dizilir. Ve birbiri üzerinde kolayca kayan atom katmanlarından oluşur. Grafit, sıcaklığın yükseltilmesiyle, mekanik özelliklerinin geliştiği bilinen tek maddedir. Karbon, ısı ve elektr iği oldukça iyi iletir. Bu nedenle, elektrot yapımında kullanılır.

8 Grafitin Özellikleri Grafitte karbon atomları, üste yığılmış geniş, yassı levhalar oluşturacak biçimde, iki boyutlu düzlemde birbirlerine bağlanmıştır.

9 Bu levhalar birbirlerinin üzerinden kolayca kayar. Grafitin iyi bir yağlayıcı olma özelliği de bundan kaynaklanır.

10 Grafitin kağıt üzerinde iz bırakmasının nedeni de, bu ince atom levhalarının grafitten ayrılarak kağıdın üzerinde birikmesidir. Yumuşak, yağlı, kağıtta iz bırakan, siyah renkli bir katı maddedir.

11 Grafit yapay olarak da hazırlanabilir; bunun için kokkömürünün çok yüksek sıcaklıklarda işlenmesi gerekir. Grafitin erime sıcaklığı 3527°C olduğundan çok yüksek sıcaklıklara dayanabilir.

12 Grafit yapısında, aromatik hidrokarbonlarda olduğu gibi, iki tip elektron vardır. G (sigma) elektronları ikişer lokalize (sp²) çift bağlar meydana getirirler. π(pi) elektronları ise C 6 halkalarından meydana gelen düzlemler arasında serbestçe hareket ederler. Bunun bir sonucu olarak grafit elektriği iletir.

13 Grafitte karbon atomlarının meydana getirdikleri düzlem içerisinde bağlar kuvvetlidir. Düzlemler arasında ise bağlar zayıftır. Bunun sonucu olarak kaygan ve pul bir davranışı görülür.

14 GRAFİTİN BULUNDUĞU MADDELER Grafitin aktif karbon, is, kemik kömürü gibi mikro kristal yapıya sahip pek çok şekli mümkündür.

15 GRAFİN Grafitin düzlemsel yapısına grafin denir. Ø Grafin sp 2 bağlı karbon atomlarından oluşan bir yüzeydir. Ø Karbonun bir allotropu sayılmazlar çünkü bu yüzey sınırlı bir büyüklüğe sahiptir Ø Grafit yapısının tek katmanıdır.

16 Grafinin Özellikleri • İki boyutlu bu yapı iletkendir. • Kusursuz grafinler tamamıyla altıgen hücrelerden oluşurlar; beşgen ve yedigen hücreler yüzey üzerindeki hatalar olarak varsayılır. • Belli düzenlerle kesilip yuvarlanırsa karbon nanotüpler elde edilebilir. • Grafinin çözünebilir parçaları laboratuar koşullarında grafite bazı kimyasal işlemler uygulanarak elde edilebilir.

17 Grafinin Kullanım Alanları Grafin son zamanlarda teknoloji geliştiricilerinin dikkatini çekmiştir. Georgia Tech araştırmacıları Mart 2006'da grafinlerden oluşan alan-efekti transistörleri ve kuantum girişim aygıtları üretmeyi başarmıştır.

18 Teknolojide Grafin, sağlam olduğu kadar iyi de elektrik tutuyor ve bu özelliğinin pil teknolojisinde devrim yaratması bekleniyor. Elmas keskilerine dayanacak kadar güçlü bir karbon tabakası olan grafinin, yongaların bileşiminde silikonun yerini alabilecek olmanın yanı sıra şarj ömrünü de inanılmaz uzatabileceği düşünülüyor.

19 Amerika'da bulunan Teksas Üniversitesi'nin araştırmacıları, normal pillerden daha güçlü elektrik depoları olan ultrakapasitörleri grafin tabanlı olarak imal etmeyi başardılar. Bu gelişme hayata geçirilirse, şarjlı pille çalışan cihazlar yanında, rüzgarsız veya güneşsiz günler için büyük miktarda enerji depolama yöntemleri arayan yenilenebilir enerji endüstrisi için de çok faydalı olacak.

20 California Üniversitesi'ndeki araştırmacılar grafinin karbon nanotüpten daha iyi termal iletkenliği olduğunu buldular. Grafin tek atom kalınlığındaki karbon yüzeyi, termal iletkenlik ise bir maddenin ısıyı iletebilme kapasitesidir. Araştırma 20 şubat 2008 Nano Letters dergisinin internet dergisinde yayımlandı.

21 Grafitin Kullanım Alanları Grafit, yağ haline getirilip makinelerde, çalışan parçaların birbirine sürtünürken aşınmasını azaltmak ya da engellemek amacıyla yağlayıcı olarak kullanılır.

22 Grafit katmanları sürüldükleri yüzeyden silinebilirler. Bu münasebetle değişik oranlarda kil ile karıştırılarak çeşitli sertlikte “kurşun” kalem yapımında kullanılır.

23 Grafit çok yüksek sıcaklıklara dayanabilir, ayrıca çok iyi bir elektrik iletkenidir. Bu nedenle, çamaşır makinesi ve elektrikli süpürge gibi aygıtlardaki elektrik motorlarının fırçaları grafitten yapılır.

24 Ø Son dönemlerde, uzay kapsüllerinin ısı kalkanlarının yapımında da grafitten yararlanılmaya başlanmıştır.

25 Elektriği iletmesinden ve yüksek sıcaklığa dayanıklılığından istifade edilerek elektrik fırınlarında elektrot olarak kullanılır.

26 Ø Grafitin erime sıcaklığı 3527°C olduğundan, ateşe dayanıklı refrakter malzeme yapımında kullanılır. Kırılganlığını azaltmak için içerisine kil ve diğer silikatler bağlayıcı olarak katılır. Örneğin; çok yüksek sıcaklıklarda kullanılan potalar

27 Grafitin Elde Edilmesi Edward Acheson, tabiatta bulunandan daha kaliteli grafitin, granüle antrasit kömürüne, az miktarda kum veya demir oksit katılarak hazırlanan karışımın, direnç tipi bir elektrik fırınında ısıtılması yoluyla elde edilebildiğini buldu.

28 Suni grafit; kömürün silika (Si. O 2) ile reaksiyonu sonucunda elde edilir. Si. O 2 + 3 C (2500°C) Si. C Si (g) + C(grafit)

29 Grafitin Elde Edildiği Yerler Sri Lanka Sibirya Kuzey Amerika Meksika

30 3. ELMAS İki tane kare tabanlı piramidin tabana gelmiş şekli görünümündedir. 12 yüzlü ve kübik kristal yapıları da vardır.

31 Elmasın saf karbon olduğu ilk olarak Fransız kimyacı Lavoisier tarafından keşfedilmiştir. Lavoisier, elması yakmış ve yanma gazının sadece karbondioksit olduğunu görünce elmasın karbon olduğu hükmüne varmıştır.

32 ELMASIN ÖZELLİKLERİ ü Arı elmas, bilinen en sert doğal maddedir. ü Elmas karbon elementinin bir modifikasyonudur. ü Renksiz ve saydam olmasına karşın, başka minerallerle arılığı bozulduğu zaman, pastel renklerden mat siyaha kadar uzanan çeşitli renklerde bulunabilir. ü Elmas, kimyasal bakımdan eylemsizdir; ama yüksek sıcaklıklarda havada yanması sağlanabilir. ( Havada 850°C’de yanar. Havasız ortamda 1500°C’de grafite dönüşür. )

33 özeliği ametalik elektrik iletkenliği yalıtkandır yapıyı oluşturan atom erime noktası molekül dizilim şekli sertlik yoğunluğu karbon 3500 0 C düzgün dörtyüzlü sert 3, 5 gr/cm 3 ışık geçirgenliği geçirgen ışığı kırma indisi 2, 417 ısı iletkenliği iyi iletmez

34 ü Elmas, grafit, fulleren birbirinin allotropudur. Her ikisi de C atomunun değişik dizilişinden oluşmuştur Grafit elmas fulleren

35 ü İki elmas asla birbirinin aynısı değildir, çünkü her bir elmasın kendine has çoğaltılamaz bir karakteristiği vardır.

36 ü Elmas'ta karbon atomları, sp 3 hibritleşmesi yaparak tetrahedral bir düzendedir. ü Her karbon atomu kendisini çevreleyen dört karbon atomuyla düzgün dörtyüzlü meydana getirecek şekilde bağlanmıştır.

37 Elmas kristal yapısı Elmasın üç boyutlu yapısı Elmas Altıgen elmas

38 Elmasın Kullanım Alanları ü Elmas ziynet eşyası olarak ve yüzük taşı olarak çok yaygın bir şekilde kullanılır. ü Elmasın güzelliği eskilerin de çok dikkatini çekmiş ve hatta hastalık ve zehirlenmeyi önlediği sanılmıştır. ü Elmasın esas kıymeti kesme tekniğinin gelişmesinden sonra başlamıştır. Elmasın kesilmesi yine elmasla yapılmaktadır.

39 ü Ziynet eşyalarından başka endüstriyel âletlerde de elmas kıymetini devam ettirmektedir. Endüstride kullanılan miktarı % 75 -80 kadardır. ü Endüstride cam kesici, taş yontucu ve delici âletlerde kullanılır.

40 ü Metal ya da seramikle karıştırıldığında, şerit testerelerin, matkap uçlarının, testere bıçaklarının ve camdan çok sert metallere, taş ve betona kadar her şeyi kesip işleyebilen araçların yüzey kesim parçası olarak kullanılır. ü Cilalama tozu olarak da olağanüstü yüzey düzgünlüğü sağlar.

41 Elmaslar üç çeşittir: Ø Asil Elmas Ø Karbonado Ø Bort

42 Asil elmas: Asıl ve kıymetli olan elmastır. Ölçü birimi kırat (karat) tır. 1 kırat 0, 205 gramdır. Mücevher olarak kullanılır. Karbonado: Şekilsiz ve siyah renkli bir elmas çeşididir. Bunun da sertliği asıl elmastan fazladır. Sondaj ekipmanları imalatında kullanılır

43 Bort: Yarı saydam yapılı bir elmastır. Asıl elmastan daha sert olduğu için, iyi cins elmasları traş etmede kullanılır. Ayrıca sondaj sanayisinde elmas kron yapımında kullanılır.

44 4. FULLEREN Karbonun yapay allotroplarındandır. Grafit benzeri yapılara sahiptir fakat grafit gibi saf altıgen değil, aynı zamanda beşgen ve hatta bazen yedigen kristaller de içerir.

45 • Genellikle 6 karbon atomunun düzlemsel olarak birbiri ile bağlanarak oluşturduğu içi boş küresel, silindirik ve halkasal yapılardır. • 5’li veya 7’li halkalar şeklinde birleştiği zaman yapı düzlemsellikten uzaklaşır.

46 • En küçük boyutu 60 karbonludur ve yapısı futbol topuna benzemektedir. • Fullerenin, bağ kararlılığı nedeniyle reaktif bir madde değildir ve birçok çözücü içerisinde çözünmez.

47 Fulleren veya nanotüp denen silindir biçimli molekülleri de, son yıllarda özellikle elektronik ve nanoteknoloji alanlarında devrimsel ilerlemeler sağlamaktadır.

48 5. GRUP • MELTEM DERİN • HAVVA HANIM BOZKURT • PERVİN ELMAS • BELMA KAYA • GAMZE KAYMAZ • A. GÜL GÖK