ALLOTROPER AV KARBON: AMORFT KARBON, GRAFITT, GRAFENER, NANORØR - KJEMI

De allotropes karbon er forskjellige fysikalske former lar seg sortere og bindings deres atomer. Hver av dem 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 repeterende mønster av atomene sine i rommet. I mellomtiden er atomene i amorfe allotroper anordnet uordnede, uten at det er to identiske regioner i det faste stoffet. Så førstnevnte blir beordret, og sistnevnte er uordnet.

Hovedallotroper av karbon. Kilde: Jozef Sivek

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

Og blant de amorfe allotropene har vi det amorfe karbonet (b), som, som det fremgår, strukturen er uordentlig. Imidlertid er det mange typer amorfe karbonhydrater, så det er en familie av faste stoffer.

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

Kovalente bindinger av karbon

Før du tar opp noen av de kjente allotropene karbon, er det nødvendig å gjennomgå hvordan karbonatomer er bundet.

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

Derfor har karbon evnen til å danne opp til maks fire bindinger.

DC. Med fire CC-bindinger når atomene valensoktetten, og de blir veldig stabile. Dette er imidlertid ikke å si at det ikke bare kan være tre av disse koblingene, slik som de som er sett i sekskanter.

Hexagons

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

For eksempel, hvis en heksagon observeres, betyr det at karbonene har sp ^2- hybridisering og derfor har en ren p-orbital med et elektronelektron. Kan du se perfekte sekskanter i det første bildet? Disse allotropene som inneholder dem antyder at karbonene deres er sp ² , enten det er dobbeltbindinger eller ikke (for eksempel benzenringen).

Et nett, plan eller sekskantet lag består da av sp ² karbonatomer som har et elektronisk "tak" eller "sky", et produkt av det uparede elektronet til p orbitalen. Dette elektronet kan danne kovalente bindinger med andre molekyler, eller tiltrekke seg positive ladninger av metallioner; som K ⁺ og Na ⁺ .

På samme måte lar disse elektronene disse skjellene stable seg oppå hverandre, uten binding (på grunn av en geometrisk og romlig hindring for overlappingen av de to p-orbitalene). Dette betyr at allotropes med sekskantede geometrier kanskje eller ikke kan beordres til å bygge en krystall.

tetraedre

Hvis det observeres en tetraeder, som det vil bli forklart i siste seksjon, betyr det at karbonene har sp ^3- hybridisering . I dem er det fire enkle CC-bindinger, og de danner et tetraedrisk krystallgitter. I slike tetraeder er det ingen frie elektroner som i sekskanter.

Amorf karbon

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

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

Avhengig av% karbon avledes således forskjellige typer amorfe karbonhydrater; som sot, trekull, antrasitt, kullsvart, torv, koks og aktivert karbon.

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

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

Selv om de ikke virker veldig attraktive og det kan antas at de bare fungerer som brensel, tiltrekker porøsiteten til deres faste stoffer oppmerksomheten i teknologiske renseanvendelser, som absorbenter og lagring av stoffer, og også som katalytiske bærere.

Politypism

Strukturen til amorfe karbonatomer er sammensatte og forstyrrede; Krystallografiske studier har imidlertid vist at de faktisk er tetraedrale (diamant) og sekskantede (grafitt) polytyper, ordnet vilkårlig i lag.

For eksempel, hvis T og H er henholdsvis tetraedriske og sekskantede lag, kan et amorft karbon strukturelt beskrives som: THTHHTH; eller HTHTTHTHHHT, etc. Visse T- og H-lagsekvenser definerer en type amorf karbon; men innenfor dem er det ingen gjentagende trend eller mønster.

Det er av denne grunn at det er strukturelt vanskelig å karakterisere disse karbonallotropene; og i stedet for det, er dens% karbon foretrukket, som er en variabel som letter dens forskjeller, så vel som 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, si, de omkringliggende molekylene H ₂ O og CO ₂ , OH og COOH-grupper kan forventes å form, henholdsvis. De kan også binde seg til hydrogenatomer og danne CH-bindinger.

Mulighetene er veldig varierte, men i sammendrag kan amorfe kullhydrater være vert for oksygenrike funksjonelle grupper. Når disse heteroatomene er til stede, er de ikke bare plassert i kantene av planetene, men også og til og med inne i dem.

grafitt

Krystallstruktur av sekskantede lag grafitt. Kilde: MartinThoma.

Det øvre bildet viser en modell med kuler og strenger av den krystallinske strukturen til grafitt. Skyggene på kulene hjelper heldigvis til å visualisere π-skyproduktet av delokaliseringen av deres uparmerte elektroner. Dette ble nevnt i den første delen, uten så mange detaljer.

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

P orbitalene blir med hverandre for å bygge et spor der elektronene ferdes fritt; men bare mellom to sekskantede lag; vinkelrett på dem er det ingen strøm av elektroner eller strøm (elektronene vil måtte passere gjennom karbonatomene).

Ettersom det er en konstant migrasjon av elektroner, dannes det konstant øyeblikkelige dipoler, som induserer andre dipoler av karbonatomer som er over eller under; det vil si at lagene eller arkene med grafitt forblir samlet takket være Londons spredningskrefter.

Disse sekskantede lagene lager 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 kan gli før noen ytre forstyrrelse på krystallene.

Fysiske egenskaper

Grafittens fysiske egenskaper er enkle å forstå når molekylstrukturen er blitt adressert.

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

Det ble bare sagt at lagene deres kan gli over hverandre; Og ikke bare, men de kan også havne på andre overflater, for eksempel cellulosen som utgjør papiret når den blir lagt ned fra blyantenes grafitt. Denne egenskapen gjør at grafitt kan fungere som et utmerket smøremiddel.

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

grafener

Grafark uten dobbeltbindinger. Kilde: Jynto

Selv om den ikke ble vist i det første bildet, kan ikke denne karbonallotropen utelates. Anta at lagene med grafitt ble grepet og kondensert til et enkelt ark, åpent og dekket et stort område. Hvis dette ble gjort molekylært, ville grafener blitt født (toppbilde).

Så grafenes er et individuelt grafittark, som ikke samhandler med andre, og som kan vinke som et flagg. Legg merke til at den ligner veggene i honningkakene.

Disse grafenarkene bevarer og multipliserer egenskapene til grafitt. Sekskantene er svært vanskelige å skille, så de gir en abysmal mekanisk motstand. enda høyere enn stål. I tillegg er de ekstremt lette og tynne, og teoretisk sett ville ett gram av dem være nok til å dekke en hel fotballbane.

Hvis du ser på toppbildet igjen, kan du se at det ikke er dobbeltbindinger. Visst kan det være dem, så vel som trippelbindinger (graffins). Det er her kjemien til grafen åpnes, for eksempel.

Som grafitt og de andre sekskantede lagene, kan andre molekyler kovalent binde seg til overflaten av grafen og funksjonalisere strukturen for elektroniske og biologiske applikasjoner.

Karbon nanorør

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

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

Strukturelle konformasjoner

Tre karbon nanorør vises i det øvre bildet. Hva er forskjellen mellom dem? Alle tre har sekskantede mønstervegger, og har de samme overflateegenskapene som allerede er omtalt. Svaret ligger da i de relative orienteringene til disse sekskantene.

Den første konformasjonen tilsvarer sikksakk-typen (øvre høyre hjørne). Hvis det følges nøye, vil det forstås at det har rader med sekskanter anbrakt perfekt vinkelrett på rørets lengdeakse.

I kontrast til hengestolen-typen (nedre høyre hjørne), er sekskantene anordnet i rader i samme retning som rørets lengdeakse. I den første nanorøret løper sekskanten over overflaten i betydningen dens diameter, og i den andre nanorøret løper de langs overflaten, fra "ende til ende".

Og til slutt er det den chirale nanotube (nedre venstre hjørne). Sammenlign med en spiraltrapp som går til venstre eller høyre. Det samme skjer med denne karbon nanorør: sekskantene hans er anordnet stigende til venstre eller høyre. Siden det er to romlige versjoner, sies det da at den viser kiralitet.

fullerener

C60 fullerenmolekyl. Kilde: Benjah-bmm27.

I fullerenes opprettholdes fortsatt sekskantene, men i tillegg vises femkantene, alle med sp ² karbonatomer . Arkene eller lagene er allerede etterlatt: nå har de blitt 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 har forskjellig størrelse. Den mest kjente er C ₆₀ (toppbilde). Disse karbonallotropene bør behandles som ballonger, som kan klemme sammen for å danne krystaller, der ioner og andre molekyler kan fanges innenfor deres mellomrom.

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

Veggene kan brytes strategisk for å lagre molekyler inne; som ligner en sfærisk kapsel. På samme måte kan disse ballene ha sprekker og være funksjonaliserte på samme tid; alt vil avhenge av applikasjonen som de er ment.

Kubisk krystallstruktur av diamant. Kilde: GYassineMrabetTalk✉Denne strukturen ble opprettet med PyMOL. .

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

Strukturelt består den av sp ³ karbonatomer , som danner fire CC-bindinger og et tredimensjonalt nettverk av tetraeder (øvre bilde) hvis krystallinske celle er kubisk. Det er det hardeste av mineralene, og smeltepunktet er nær 4000ºC.

Deres tetraedre er i stand til å overføre varme effektivt gjennom krystallgitteret; men ikke slik med elektrisitet, fordi elektronene er veldig godt plassert i de fire kovalente bindinger, og de kan ikke gå noen vei. Derfor er det en god termisk leder, 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 tetraederen. Denne egenskapen gjør det til et materiale med høy mekanisk motstand og hardhet, som er i stand til å gjøre presise og rene kutt, som med den diamant-tippede skalpellen.

Fargene deres avhenger av deres krystallografiske defekter og deres urenheter.

referanser

Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kjemi. (Fjerde utgave). Mc Graw Hill.
Méndez Medrano, Ma. Guadalupe, Rosu, HC, Torres González, LA (2012). Graphene: Carbon's mest lovende allotrope. Universitetsloven. vol. 22, gnr. 3, april-mai, 2012, s. 20-23, University of Guanajuato, Guanajuato, Mexico.
IES La Magdalena. Aviles. Asturias. (SF). Allotropiske karbonformer. . Gjenopprettet fra: fisquiweb.es
Wikipedia. (2019). Karbonallotropes. Gjenopprettet fra: es.wikipedia.org
Sederberg David. (SF). Allotropes av karbon. Gjenopprettet fra: web.ics.purdue.edu
Sederberg, D. (2009). Allotropes av karbon: Det er alt i måten du blir satt sammen. Gjenopprettet fra: physics.purdue.edu
Hirsh A. (2010). Tiden med karbonallotroper. Institutt for kjemi og farmasi og tverrfaglig senter for molekylære materialer (ICMM), Friedrich-Alexander University Erlangen-Nuremberg, Henkestrasse 42, 91054 Erlangen, Tyskland.
Regents styret for University of Wisconsin System. (2013). Nanorør og andre former for karbon. Gjenopprettet fra: chemistry.beloit.edu
Clark Jim. (2012). Giant kovalente strukturer. Gjenopprettet fra: chemguide.co.uk

ALLOTROPER AV KARBON: AMORFT KARBON, GRAFITT, GRAFENER, NANORØR - KJEMI - 2026