Известно, что наноалмазы могут образовываться при взрыве некоторых взрывчатых веществ (ВВ). Какие из следующих ВВ годятся для получения наноалмазов: дымный порох, ТНТ, БТФ, гексоген, нитроглицерин, пироксилин? Ответ обоснуйте (3 балла), приведите химические формулы данных ВВ (1 балл).
Ответ: (Рис.1.)
Дымный порох - > KNO3, S, C
ТНТ (тринитротолуол) - > C7H5N3O6
БТФ (бензотрифуроксан) - > С6N6O6
Гексоген (циклотриметилентринитрамин) - > C3H6N6O6
Нитроглицерин - > C3H5N3O9
Пироксилин (тринитрат целлюлозы) - > C6H7(NO2)3O5
Необходимым условием получения наноалмазов является выделение при взрыве существенных количеств углерода. Запишем уравнения реакций:
а) Дымный порох
2 KNO3 + S + 3 C = K2S + N2 + 3 CO2
(или 10 KNO3 + 3 S + 8 C = 2 K2CO3 + 3 K2SO4 + 6 CO2 + 5 N2)
б) ТНТ (тринитротолуол) C7H5N3O6 = 1,5N2 + 2,5H2O + 3,5CO + 3,5C
в) БТФ (бензотрифуроксан) С6N6O6 = 3N2 + 6CO
г) Гексоген (циклотриметилентринитрамин) C3H6N6O6 = 3H2O + 3N2 + 3CO
д) Нитроглицерин C3H5N3O9 = 1.5N2 + 2.5H2O + 3CO2 + 1.5O2
е) Пироксилин (тринитрат целлюлозы), C6H7(NO2)3O5 = 3.5H2O + 1.5N2 + 4.5CO + 1.5CO2
Таким образом, только при взрыве ТНТ наблюдается образование углерода.
Таблица. Параметры взрыва ВВ.
ВВ |
дымный порох |
ТНТ |
гексоген |
нитроглицерин |
|
P. ГПа |
<1 |
19 |
33 |
35 |
25 |
Т, К |
2400 |
2800 |
5100 |
3400 |
3100 |
На рис. 2 представлена диаграмма состояния углерода. На основании этой диаграммы и данных, указанных в таблице, выберите два ВВ, которые при взрыве в соотношении 1:1 по массе создают условия, наиболее благоприятные для синтеза наноалмазов. Обоснуйте свой выбор. (3 балла)
Ответ: Первый компонент служит источником углерода – это ТНТ. Отметим на диаграмме точками условия взрыва индивидуальных ВВ (Рис.3.).
Порох не подходит, т.к. он сместит условия взрыва в область устойчивости графита.
Нитроглицерин по характеристикам мало отличается от ТНТ, но образует при взрыве окислительную атмосферу (кислород), что отрицательно скажется на условиях роста наноалмазов.
Параметры взрыва смеси БТФ и ТНТ могут выйти за верхнюю границу области существования алмаза.
Гексоген – лучший второй компонент. При взрыве формирует инертную атмосферу и «переводит» условия взрыва из области возможного метастабильного существования графита в область стабильности алмаза.
В одной статье упоминалась предложение «искать искусственные месторождения <алмазов> на полях сражений и местах артиллерийских боев». Оцените перспективы разработки этих месторождений. (1 балл)
Ответ: Попав на воздух, раскаленные частицы сгорят. Если что-то и останется, «добыть» весомые количества наноалмазов, рассеянных и смешанных с землей, будет крайне сложно. Приведенное утверждение больше походит на шутку.
Можно ли получить наноалмазы какими – либо иными способами (2 балла)?
Ответ: Да, можно. Кроме детонационного синтеза также широко применяются:
- синтез при сверхвысоких давлениях и температурах (нагревание при статическом давлении);
- электронно- и ионно-лучевые методы, использующие облучение углеродсодержащего материала пучками электронов и ионами аргона;
- химическое осаждение углеродосодержащего пара при высоких температурах и давлениях (CVD);
- получение из суспензии графита в органическом растворителе при ультразвуковой обработке (давление 1 атм., комнатная температура).
Примеры описания методов:
Нагрев при статическом давлении.
Метод, максимально приближенный к предполагаемой природной схеме возникновения алмазов. Условия синтеза (T, p), как правило, отвечают нижней границе существования объемной фазы алмаза, чтобы ограничить скорость роста и получить наноразмерные частицы.
CVD (химическое осаждение из газовой фазы): представляет собой пропускание смеси углерод-содержащего газа (чаще метан, может быть с примесью СО, иногда используют С60) с водородом (реже – азотом) через кварцевую трубку с подложкой для роста наноалмазов. Нагрев смеси производится при помощи ультразвука, что вызывает распад, как метана, так и водорода с образованием простых веществ. Далее углерод осаждается на подложку, причем, не смотря на то, что графита получается больше, чем алмазов, графит взаимодействует с водородом и, таким образом, удаляется из рабочей камеры.
Для каких практических целей получают наноалмазы (2 балла)?
Ответ:
- в качестве сорбентов, катализаторов, неподвижной фазы для высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ);
- как компонент смазок, машинных масел, полировочных композиций;
- как добавка к электролитическим и другим осадительным ваннам;
- введение в композитные электрохимические покрытия для повышения износостойкости, адгезии к покрываемой поверхности, антикоррозионной стойкости, увеличения микротвердости, снижения коэффициента трения, уменьшения пористости;
- введение в полимерные материалы для увеличения прочности резин, роста степени вулканизации и когезионной прочности;
- доставка лекарств в больные клетки (не вызывают воспаление клетки после выпуска лечебного препарата);
- в медицине: как катализатор дезактивации микотоксинов, в составе комплексного контраста для магнитно-резонансной томографии;
- и т.д.
Положительно оценивались любые разумные предложения по использованию наноалмазов.