Karbonallotroper amorft karbon, grafitt, grafener, nanorør

1657
Philip Kelley
Karbonallotroper amorft karbon, grafitt, grafener, nanorør

De karbon allotropes de er de forskjellige fysiske formene der atomer deres kan ordnes og kobles. Hver og en tilsvarer et fast stoff med sine egne spesielle egenskaper. Molekylært og strukturelt skiller de seg fra hverandre. Det er to hovedtyper av disse allotropene: krystallinsk og amorf..

Krystallinske allotroper er de som har et gjentatt mønster av atomene sine i rommet. I mellomtiden, i amorfe allotroper, er atomene ordnet uordnet, uten at det er to identiske regioner i det faste stoffet. Så de første er bestilt, og de andre er rotete.

Hovedallotropes av karbon. Kilde: Jozef Sivek [CC BY-SA 4.0
(https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Blant de krystallinske er diamant (a) og grafitt (e) par excellence. Det observeres i det øvre bildet forskjellige strukturer som har et felles aspekt: ​​de består bare av karbonatomer (svarte kuler).

Og blant de amorfe allotropene har vi det amorfe karbonet (b), som, som man kan se, dets struktur er uordnet. Imidlertid er det mange typer amorfe karbonatomer, så det er en familie av faste stoffer..

Også karbonatomer kan danne supramolekyler, slik som fullerener (c) og nanorør (d). Disse supramolekylene kan variere i størrelse og form, men de har samme geometri; sfærisk og rørformet for henholdsvis fullerener og nanorør.

Artikkelindeks

  • 1 Kovalente bindinger av karbon
    • 1.1 Sekskanter
    • 1.2 Tetrahedra
  • 2 Amorf karbon
    • 2.1 Politikk
    • 2.2 Funksjonelle grupper
  • 3 Grafitt
    • 3.1 Fysiske egenskaper
  • 4 grafener
  • 5 karbon nanorør
    • 5.1 Strukturelle konformasjoner
  • 6 Fullerener
  • 7 Referanser

Kovalente bindinger av karbon

Før du adresserer noen av de kjente allotropene av karbon, er det nødvendig å gjennomgå hvordan karbonatomer binder seg..

I følge valensbindingsteorien har karbon fire elektroner i valensskallet, som de danner kovalente bindinger med. Takket være elektronisk markedsføring og hybridisering kan de fire elektronene plasseres i fire separate orbitaler, enten de er rene eller hybrid.

Derfor har karbon evnen til å danne opptil maksimalt fire bindinger.

DC. Ved å ha fire CC-bindinger når atomene valensoktet, og de blir veldig stabile. Dette betyr imidlertid ikke at det ikke bare kan være tre av disse koblingene, slik som de som ses i sekskanter..

Sekskanter

Avhengig av hybridiseringene av karbonatomet, kan dobbelt- eller trippelbindinger bli funnet i strukturen til deres respektive allotroper. Men enda tydeligere enn eksistensen av slike bindinger, er geometrien som karbonene bruker.

For eksempel, hvis en sekskant observeres, betyr det at karbonene har sp-hybridiseringto og har derfor en bane s ren med et enslig elektron. Kan du se perfekte sekskanter på det første bildet? De allotropene som inneholder dem antyder at karbonene deres er spto, hvorvidt det er dobbeltbindinger (som for eksempel benzenringen).

Et maske-, plan- eller sekskantet lag består da av sp-karbonatomerto som har et elektronisk "tak" eller "sky", produkt av det uparrede elektronet i orbitalen s. Dette elektronet kan danne kovalente bindinger med andre molekyler, eller tiltrekke seg de positive ladningene til metallioner; som K+ og Na+.

På samme måte tillater disse elektronene at disse skallene stables oppå hverandre uten binding (på grunn av en geometrisk og romlig hindring for overlappingen av de to orbitalene s). Dette betyr at allotropes med sekskantede geometrier kan eller ikke beordres til å bygge en krystall..

Tetrahedra

Hvis en tetraeder observeres, som forklart i siste avsnitt, betyr det at karbonene har sp-hybridisering3. I dem er det fire enkelt-C-bindinger, og de danner et tetraedrisk krystallgitter. I slike tetraeder er det ingen frie elektroner som det er i sekskanter..

Amorf karbon

Biter av kull, representativt for amorft karbon. Kilde: Pxhere.

Amorf karbon kan tenkes som en slags porøs svamp, med mange vilkårlig ordnede sekskantede og tetraedriske nettverk. I denne mineralmatrisen kan de fange andre elementer, som kan komprimere eller utvide svampen; og på samme måte kan dens strukturelle kjerner være større eller mindre.

Avhengig av% karbon, blir forskjellige typer amorfe karbonavledninger således avledet; som sot, trekull, antrasitt, kullsvart, torv, koks og aktivt karbon.

Ved første øyekast ser de alle eksternt ut (toppbilde), med graderinger til kanten av svarte, kjedelige eller metalliske og gråtoner..

Ikke alle amorfe karbon har samme opprinnelse. Vegetabilsk karbon er, som navnet antyder, et produkt av forbrenning av vegetabilske masser og tre. Mens karbon svart og koks er produkter fra forskjellige stadier og forhold i petroleumsprosesser..

Selv om de ikke virker veldig attraktive, og det kan antas at de bare tjener som drivstoff, tiltrekker porøsitetene til deres faste stoffer oppmerksomhet i teknologiske renseanvendelser, slik som absorbenter og lagring av stoffer, og også som katalytiske bærere..

Politypism

Strukturene til amorfe karbonatomer er komplekse og uordnede; men krystallografiske studier har vist at de i virkeligheten er tetraedriske (diamant) og sekskantede (grafitt) polytyper, ordnet vilkårlig i lag.

For eksempel, hvis T og H er henholdsvis tetrahedral- og sekskantlagene, kan et amorft karbon strukturelt beskrives som: THTHHTH; eller HTHTTHTHHHT, etc. Visse T- og H-lagssekvenser definerer en type amorf karbon; men i dem er det ingen repeterende trend eller mønster.

Det er av denne grunn at det er strukturelt vanskelig å karakterisere disse karbonallotropene; og i stedet for det, foretrekkes det% karbon, som er en variabel som letter forskjellene, i tillegg til dens fysiske egenskaper og dens tendens til å brenne eller brenne.

Funksjonelle grupper

Det ble nevnt at sekskantede plan har et uparret elektron som det kan danne en binding med andre molekyler eller atomer. Hvis for eksempel molekylene rundt er HtoO og COto, Det kan forventes at det dannes henholdsvis OH- og COOH-grupper. De kan også binde seg til hydrogenatomer og danne CH-bindinger..

Mulighetene er veldig varierte, men sammendraget kan amorfe karbon være vert for oksygenerte funksjonelle grupper. Når disse heteroatomer er til stede, er de ikke bare plassert på kanten av flyene, men også og til og med inne.

Grafitt

Krystallstruktur av sekskantede lag av grafitt. Kilde: MartinThoma [CC0].

Bildet over viser en modell med kuler og strenger av grafittens krystallstruktur. Heldigvis hjelper skyggene til kulene til å visualisere π-skyene som et resultat av delokaliseringen av deres uparede elektroner. Dette ble nevnt i første avsnitt, uten så mange detaljer.

Disse π skyene kan sammenlignes med to systemer: det av benzenringer, og det for "elektronhav" i metalliske krystaller..

Orbitaler s de blir med hverandre for å bygge et spor der elektroner ferdes fritt; men bare mellom to sekskantede lag; vinkelrett på dem, det er ingen strøm av elektroner eller strøm (elektronene må passere gjennom karbonatomer).

Siden det er en konstant migrasjon av elektroner, dannes øyeblikkelige dipoler konstant, som induserer andre dipoler av karbonatomer som er over eller under; lagene eller arkene av grafitt forblir sammen takket være spredningskreftene i London..

Disse sekskantede lagene skaper, som forventet, en sekskantet grafittkrystall; eller rettere sagt en serie små krystaller koblet i forskjellige vinkler. Π-skyene oppfører seg som om de var et "elektrisk smør", slik at lagene glir før noen ytre forstyrrelser på krystallene.

Fysiske egenskaper

De fysiske egenskapene til grafitt er enkle å forstå når dens molekylære struktur er blitt adressert..

For eksempel er smeltepunktet for grafitt veldig høyt (over 4400 ºC), fordi energien som tilføres i form av varme må skille de sekskantede lagene irreversibelt og også bryte sekskantene..

Det ble bare sagt at lagene deres kan gli over hverandre; Og ikke bare, men de kan også havne på toppen av andre overflater, for eksempel cellulosen som utgjør papiret når de avsettes fra grafitten på blyantene. Denne egenskapen gjør at grafitt kan fungere som et utmerket smøremiddel..

Og, allerede nevnt, er det en god leder av elektrisitet, og også av varme og lyd..

Grafener

Grafenark uten dobbeltbindinger. Kilde: Jynto [CC0]

Selv om det ikke ble vist på det første bildet, kan ikke denne karbonallotropen utelates. Anta at lagene av grafitt ble grepet og kondensert til et enkelt ark, åpent og dekker et stort område. Hvis dette ble gjort molekylært, ville grafener bli født (øvre bilde).

Så, grafener er et individuelt grafittisk ark, som ikke samhandler med andre og kan bølge som et flagg. Legg merke til at den ligner veggene til biene.

Disse grafenarkene bevarer og multipliserer grafittens egenskaper. Dens sekskanter er veldig vanskelige å skille, og det er derfor de utgjør en dyp mekanisk motstand; enda høyere enn stål. I tillegg er de ekstremt lette og tynne, og teoretisk sett vil ett gram av dem være nok til å dekke en hel fotballbane..

Hvis du ser på det øverste bildet igjen, kan du se at det ikke er dobbeltbindinger. Det kan absolutt være dem, samt trippelbindinger (graffiner). Det er her kjemien til grafen åpner, si.

I likhet med grafitt og de andre sekskantede lagene, kan andre molekyler binde kovalent til overflaten av grafen, og funksjonalisere strukturen for elektroniske og biologiske anvendelser..

Karbon nanorør

De tre typene karbon-nanorør. Kilde: Mstroeck via Wikipedia.

Anta at vi tok tak i grafenarkene og begynte å rulle dem inn i et rør; Dette er karbon-nanorørene. Lengden og radiusen til disse rørene er varierende, det samme er deres romlige konformasjoner. Sammen med grafen og fullerener utgjør disse nanorørene triaden av de mest overraskende karbonallotropene.

Strukturelle konformasjoner

Tre karbon nanorør er vist på det øvre bildet. Hva er forskjellen mellom dem? Alle tre har sekskantede mønstrede vegger og har de samme overflateegenskapene som allerede er diskutert. Svaret ligger da i de relative retningene til disse sekskantene.

Den første konformasjonen tilsvarer sikksakk-typen (øvre høyre hjørne). Hvis du ser nøye, vil du se at den har rader med sekskanter plassert perfekt vinkelrett på rørets lengdeakse..

Derimot for typekonformasjon lenestol, eller stol (nedre høyre hjørne), er sekskantene ordnet i rader i samme retning som rørets lengdeakse. I det første nanorøret løper sekskantene over overflaten i form av diameteren, og i det andre nanorøret løper de langs overflaten, fra "ende til slutt".

Og til slutt er det det chirale nanorøret (nedre venstre hjørne). Sammenlign en vindeltrapp som går til venstre eller høyre. Det samme skjer med dette karbon-nanorøret: Sekskantene er ordnet oppover til venstre eller høyre. Siden det er to romlige versjoner, sies det da at det viser chiralitet.

Fullerenes

C60 fulleren molekyl. Kilde: Benjah-bmm27 [Public domain].

I fullerenene opprettholdes fortsatt sekskantene, men i tillegg vises femkantene, alle med sp karbonto. Arkene eller lagene er allerede etterlatt: nå er de brettet på en slik måte at de danner en ball, lik en fotball; og avhengig av antall karbonatomer, til en rugbyball.

Fullerener er molekyler som varierer i størrelse. Den mest berømte er C60 (toppbilde). Disse karbonallotropene bør behandles som ballonger som kan presses sammen for å danne krystaller der ioner og andre molekyler kan bli fanget i deres mellomrom..

Disse kulene er spesielle bærere eller støtter for molekyler. Hvordan? Gjennom de kovalente bindingene til overflaten, spesielt til de tilstøtende karbonene i en sekskant. Fulleren sies da å ha blitt funksjonalisert (et exohedral addukt).

Veggene kan brytes strategisk for å lagre molekyler inni; ligner en sfærisk kapsel. Dessuten kan disse kulene ha sprekker og funksjonaliseres samtidig; alt vil avhenge av applikasjonen de er ment til.

Kubisk krystallstruktur av diamant. Kilde: GYassineMrabetTalk✉Denne strukturen ble opprettet med PyMOL. [Offentlig domene].

Og til slutt, den mest kjente av alle allotropene av karbon: diamant (selv om ikke alle er karbon).

Strukturelt består den av karbonatomer sp3, danner fire CC-bindinger og et tredimensjonalt nettverk av tetraeder (øvre bilde) hvis krystallinske celle er kubisk. Det er det vanskeligste av mineraler, og smeltepunktet er nær 4000 ºC..

Dens tetraeder er i stand til å overføre varme effektivt gjennom krystallgitteret; men ikke slik med elektrisitet, fordi elektronene er veldig bra plassert i de fire kovalente bindingene, og den kan ikke gå noe sted. Derfor er det en god varmeleder, men det er en elektrisk isolator..

Avhengig av hvordan den er fasettert, kan den spre lys i mange lyse og attraktive vinkler, og det er derfor de er ettertraktet som edelstener og smykker..

Nettverket er veldig motstandsdyktig, fordi det vil trenge mye press for å flytte tetraedrene. Denne egenskapen gjør det til et materiale med høy mekanisk motstand og hardhet, som er i stand til å lage presise og rene kutt, som med en skalpell med diamantspiss..

Fargene deres avhenger av deres krystallografiske feil og urenheter.

Referanser

  1. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kjemi. (Fjerde utgave). Mc Graw Hill.
  2. Méndez Medrano, Ma. Guadalupe, Rosu, H. C., Torres González, L. A. (2012). Grafen: den mest lovende allotropen av karbon. Universitetsloven. vol. 22, nei. 3, april-mai, 2012, s. 20-23, University of Guanajuato, Guanajuato, Mexico.
  3. IES La Magdalena. Aviles. Asturias. (s.f.). Allotropiske former for karbon. [PDF]. Gjenopprettet fra: fisquiweb.es
  4. Wikipedia. (2019). Karbonallotroper. Gjenopprettet fra: es.wikipedia.org
  5. Sederberg David. (s.f.). Allotropes av karbon. Gjenopprettet fra: web.ics.purdue.edu
  6. Sederberg, D. (2009). Allotropes av karbon: Det er på den måten du er satt sammen. Gjenopprettet fra: physics.purdue.edu
  7. Hirsh A. (2010). Eraen med karbonallotroper. Institutt for kjemi og farmasi og tverrfaglig senter for molekylære materialer (ICMM), Friedrich-Alexander University Erlangen-Nürnberg, Henkestrasse 42, 91054 Erlangen, Tyskland.
  8. Styret for regenter ved University of Wisconsin System. (2013). Nanorør og andre former for karbon. Gjenopprettet fra: chemistry.beloit.edu
  9. Clark Jim. (2012). Gigantiske kovalente strukturer. Gjenopprettet fra: chemguide.co.uk

Ingen har kommentert denne artikkelen ennå.