MGA ALLOTROPES NG CARBON: AMORPHOUS CARBON, GRAPAYT, GRAPHENES, NANOTUBES - CHEMISTRY

Ang mga allotropes ng carbon ay magkakaiba-iba ng mga pisikal na porma na maihahambing at itatali ang kanilang mga atomo. Ang bawat isa ay tumutugma sa isang solid na may sariling mga espesyal na katangian. Molekular at istruktura ang mga ito ay nakikilala mula sa bawat isa. Mayroong dalawang pangunahing uri ng mga allotropes na ito: crystalline at amorphous.

Ang mga kristal na allotropes ay ang mga may paulit-ulit na pattern ng kanilang mga atoms sa kalawakan. Samantala, sa mga amorphous allotropes, ang mga atomo ay nakaayos nang walang gulo, nang walang dalawang magkaparehong rehiyon sa solid. Kaya ang dating ay iniutos, at ang huli ay nagkakagulo.

Pangunahing mga allotropes ng carbon. Pinagmulan: Jozef Sivek

Kabilang sa mga mala-kristal ay brilyante (a) at grapiko (e) kahusayan ng par. Ito ay sinusunod sa itaas na imahe iba't ibang mga istraktura na may isang karaniwang aspeto: ang mga ito ay binubuo lamang ng mga carbon atoms (itim na spheres).

At bukod sa mga amorphous allotropes, mayroon kaming amorphous carbon (b), na, tulad ng makikita, ang istraktura ay hindi nakagambala. Gayunpaman, maraming mga uri ng mga amorphous carbons, kaya ito ay isang pamilya ng solido.

Gayundin, ang mga carbon atoms ay maaaring makabuo ng mga supramolecules, tulad ng fullerenes (c) at nanotubes (d). Ang mga supramolecule na ito ay maaaring magkakaiba sa laki at hugis, ngunit mapanatili ang parehong geometries; spherical at tubular para sa fullerenes at nanotubes, ayon sa pagkakabanggit.

Mga covalent bond ng carbon

Bago matugunan ang ilan sa mga kilalang allotropes ng carbon, kinakailangan upang suriin kung paano nakakabuklod ang mga atom at carbon.

Ayon sa teorya ng valence bond, ang carbon ay may apat na mga electron sa shell valence nito, kung saan bumubuo sila ng mga covalent bond. Salamat sa elektronikong pagsulong at pag-hybridisasyon, ang apat na mga electron ay maaaring mailagay sa apat na magkahiwalay na mga orbit, maging puro o mestiso.

Samakatuwid, ang carbon ay may kakayahang bumubuo hanggang sa isang maximum ng apat na mga bono.

DC. Sa pamamagitan ng apat na mga bono ng CC, ang mga atomo ay umaabot sa valent octet, at sila ay naging matatag. Gayunpaman, hindi ito sasabihin na hindi maaaring tatlo lamang ang mga link na ito, tulad ng mga nakikita sa mga hexagon.

Hexagons

Depende sa mga hybridisasyon ng carbon atom, ang doble o triple bond ay matatagpuan sa istraktura ng kani-kanilang mga allotropes. Ngunit, kahit na mas maliwanag kaysa sa pagkakaroon ng gayong mga bono, ay ang geometry na pinagtibay ng mga carbon.

Halimbawa, kung ang isang heksagono ay sinusunod, nangangahulugan ito na ang mga carbon ay may sp ² hybridization at samakatuwid ay mayroong purong p orbital na may isang nag-iisa elektron. Nakakakita ka ba ng perpektong hexagon sa unang imahe? Ang mga allotropes na naglalaman ng mga ito ay nagpapahiwatig na ang kanilang mga carbons ay sp ² , mayroon man o hindi mayroong dobleng mga bono (tulad ng singsing ng benzene).

Ang isang mesh, eroplano o hexagonal layer pagkatapos ay binubuo ng sp ² carbons na mayroong isang elektronikong "bubong" o "cloud", isang produkto ng hindi bayad na elektron ng p orbital. Ang electron na ito ay maaaring makabuo ng mga covalent bond sa iba pang mga molekula, o maakit ang positibong singil ng mga ions na metal; tulad ng mga K ⁺ at Na ⁺ .

Gayundin, pinahihintulutan ng mga electron na ito ang mga shell na nakasalansan sa itaas ng bawat isa, nang walang bonding (dahil sa isang geometric at spatial impediment sa overlap ng dalawang p orbitals). Nangangahulugan ito na ang mga allotropes na may hexagonal geometries ay maaaring o hindi maaaring mag-utos na bumuo ng isang kristal.

Tetrahedra

Kung ang isang tetrahedron ay sinusunod, tulad ng ipapaliwanag sa huling seksyon, nangangahulugan ito na ang mga carbon ay may sp ³ hybridization . Sa kanila mayroong apat na simpleng CC bond, at bumubuo sila ng isang tetrahedral na kristal na sala-sala. Sa naturang tetrahedra walang mga libreng elektron tulad ng mayroong mga hexagons.

Amorphous carbon

Mga chunks ng karbon, na kinatawan ng amorphous carbon. Pinagmulan: Pxhere.

Ang ammphous carbon ay maaaring isipin bilang isang uri ng maliliit na espongha, na may maraming mga hindi sinasadyang inayos na hexagonal at tetrahedral network. Sa mineral matrix na ito maaari silang ma-trap ang iba pang mga elemento, na maaaring siksikin o palawakin ang sinabi ng espongha; at sa parehong paraan, ang istruktura na nuclei ay maaaring maging mas malaki o mas maliit.

Kaya, depende sa% carbon, ang iba't ibang uri ng mga amorphous carbons ay nagmula; tulad ng soot, charcoal, anthracite, carbon black, pit, coke, at activated carbon.

Sa unang sulyap, silang lahat ay tumingin ng malayong katulad (tuktok na imahe), na may mga gradasyon sa gilid ng itim, mapurol, o metal at mapang-abo na mga abot.

Hindi lahat ng mga amarphous carbons ay may parehong pinagmulan. Ang gulay na carbon, tulad ng ipinahihiwatig ng pangalan nito, ay ang produkto ng pagkasunog ng masa ng gulay at kahoy. Habang ang carbon black at coke ay mga produkto ng iba't ibang yugto at kondisyon ng mga proseso ng petrolyo.

Kahit na tila hindi sila kaakit-akit at maaari itong paniwalaan na nagsisilbi lamang silang mga gasolina, ang mga porosities ng kanilang mga solid ay nakakaakit ng pansin sa mga aplikasyon ng teknolohiyang paglilinis, bilang pag-iimbak at pag-iimbak ng mga sangkap, at din bilang mga suportado ng catalytic.

Politypism

Ang mga istruktura ng mga amorphous carbons ay kumplikado at nagkagulo; Gayunpaman, ipinakita ng mga pag-aaral ng crystallographic na sila ay tunay na tetrahedral (brilyante) at hexagonal (grapayt) na mga polytypes, naayos nang arbitraryo sa mga layer.

Halimbawa, kung ang T at H ay ang mga layer ng tetrahedral at heksagonal, ayon sa pagkakabanggit, kung gayon ang isang amorphous carbon ay maaaring istruktura na inilarawan bilang: THTHHTH; o HTHTTHTHHHT, atbp. Ang ilang mga pagkakasunud-sunod ng layer ng T at H ay tumutukoy sa isang uri ng amorphous carbon; ngunit sa loob ng mga ito, walang paulit-ulit na trend o pattern.

Ito ay para sa kadahilanang ito ay mahirap na istraktura upang makilala ang mga carbon allotropes na ito; at sa halip na iyon, ang% ng carbon ay ginustong, na kung saan ay isang variable na pinadali ang mga pagkakaiba, pati na rin ang mga pisikal na katangian at pagkahilig nito na sunugin o sunugin.

Panksyunal na grupo

Nabanggit na ang mga eroplano na hexagonal ay may isang hindi bayad na elektron na kung saan maaari itong bumuo ng isang bono sa iba pang mga molekula o atomo. Kung, sabihin, ang mga nakapalibot na molekula ay H ₂ O at CO ₂ , ang mga pangkat ng OH at COOH ay maaaring asahan, ayon sa pagkakabanggit. Maaari rin silang magbigkis sa mga atom ng hydrogen, na bumubuo ng mga bono ng CH.

Ang mga posibilidad ay napaka-iba-iba, ngunit sa buod ng mga amorphous carbons ay maaaring mag-host ng mga oxygen na functional na grupo. Kapag naroroon ang mga heteroatoms na ito, hindi lamang matatagpuan ang mga gilid ng mga eroplano, kundi pati na rin at maging sa loob nito.

Graphite

Crystal na istraktura ng hexagonal na layer ng grapayt. Pinagmulan: MartinThoma.

Ang itaas na imahe ay nagpapakita ng isang modelo na may mga spheres at mga string ng mala-kristal na istraktura ng grapayt. Ang mga anino ng mga spheres, sa kabutihang palad, makakatulong upang mailarawan ang π cloud product ng paglalahad ng kanilang mga hindi bayad na elektron. Nabanggit ito sa unang seksyon, nang walang maraming mga detalye.

Ang mga ulap na ito ay maihahambing sa dalawang sistema: ng mga singsing na benzene, at ng "mga dagat ng elektron" sa mga kristal na metal.

Ang mga orbital ay sumali sa bawat isa upang makabuo ng isang track kung saan malayang naglalakbay ang mga elektron; ngunit sa pagitan lamang ng dalawang heksagonal na layer; patayo sa kanila, walang daloy ng mga electron o kasalukuyang (ang mga electron ay kailangang dumaan sa mga carbon atoms).

Tulad ng isang palaging paglilipat ng mga electron, ang mga agarang dipoles ay patuloy na nabuo, na nagtulak sa iba pang mga dipoles ng mga carbon atoms na nasa itaas o sa ibaba; iyon ay, ang mga layer o sheet ng grapayt ay mananatiling nagkakaisa salamat sa mga pwersa ng pagpapakalat sa London.

Ang mga hexagonal layer na ito, tulad ng inaasahan, ay lumikha ng isang hexagonal na grapiko na grapiko; o sa halip, isang serye ng mga maliliit na kristal na konektado sa iba't ibang mga anggulo. Ang mga ulap ay kumikilos na parang sila ay isang "electric butter", na pinapayagan ang mga layer na dumulas bago ang anumang panlabas na kaguluhan sa mga kristal.

Mga katangiang pang-pisikal

Ang mga pisikal na katangian ng Graphite ay madaling maunawaan sa sandaling natugunan ang istruktura ng molekula.

Halimbawa, ang natutunaw na punto ng grapayt ay napakataas (mas mataas kaysa sa 4400ºC), dahil ang enerhiya na ibinibigay sa anyo ng init ay dapat na hindi maikakaibang paghiwalayin ang mga hexagonal na layer, at sinisira din ang kanilang mga hexagon.

Sinabi lamang na ang kanilang mga layer ay maaaring slide sa bawat isa; At hindi lamang, ngunit maaari rin silang magtapos sa iba pang mga ibabaw, tulad ng selulusa na bumubuo ng papel kapag idineposito mula sa grapayt ng mga lapis. Ang ari-arian na ito ay nagbibigay-daan sa grapayt upang kumilos bilang isang mahusay na pampadulas.

At, nabanggit na, ito ay isang mahusay na conductor ng koryente, at din ng init at tunog.

Graphenes

Graphene sheet nang walang double bond. Pinagmulan: Jynto

Bagaman hindi ito ipinakita sa unang imahe, ang allotrope ng carbon na ito ay hindi maiiwan. Ipagpalagay na ang mga layer ng grapayt ay nahawakan at nakalagay sa isang sheet, nakabukas at sumasaklaw sa isang malaking lugar. Kung ginawa ito ng molekular, ang mga graphenes ay ipapanganak (tuktok na imahe).

Kaya, ang mga graphenes ay isang indibidwal na sheet ng graphitic, na hindi nakikipag-ugnay sa iba at maaaring mag-alon tulad ng isang watawat. Tandaan na ito ay may pagkakatulad sa mga dingding ng mga pulot-pukyutan.

Ang mga graphene sheet na ito ay nagpapanatili at dumarami ang mga katangian ng grapayt. Ang mga hexagon nito ay napakahirap upang paghiwalayin, kaya't ipinakita nila ang isang abysmal mechanical resistensya; kahit na mas mataas kaysa sa bakal. Bilang karagdagan, ang mga ito ay lubos na magaan at payat, at sa teoryang isang gramo sa mga ito ay sapat upang masakop ang isang buong larangan ng soccer.

Kung titingnan mo muli ang tuktok na imahe, maaari mong makita na walang mga double bond. Tiyak na maaaring mayroong mga ito, pati na rin ang triple bond (graffins). Narito na ang kimika ng graphene ay bubukas, sabihin.

Tulad ng grapayt at iba pang mga hexagonal layer, ang iba pang mga molekula ay maaaring covalently bind na sa ibabaw ng graphene, na nagpapatupad ng istraktura nito para sa electronic at biological application.

Mga carbon nanotubes

Ang tatlong uri ng carbon nanotubes. Pinagmulan: Mstroeck sa pamamagitan ng Wikipedia.

Ngayon ipagpalagay na nakuha namin ang mga graphene sheet at sinimulan ang pag-ikot sa isang tubo; Ito ang mga carbon nanotubes. Ang haba at radius ng mga tubong ito ay variable, pati na rin ang kanilang spatial conformations. Kasama ang graphene at fullerenes, ang mga nanotubes ay bumubuo ng triad ng pinaka kamangha-manghang mga allotropes ng carbon.

Mga konpormasyong pang-istruktura

Ang tatlong carbon nanotubes ay ipinapakita sa itaas na imahe. Ano ang pagkakaiba sa kanila? Lahat ng tatlong may hexagonal patterned wall, at ipinakita ang parehong mga katangian ng ibabaw na tinalakay. Ang sagot pagkatapos ay namamalagi sa mga kamag-anak na orientations ng mga hexagon na ito.

Ang unang pagbabagong-anyo ay tumutugma sa uri ng zigzag (kanang itaas na sulok). Kung maingat na sinusunod, mapapahalagahan na mayroon itong mga hilera ng hexagons na nakaposisyon perpektong patayo sa paayon na axis ng tubo.

Sa kaibahan, para sa koneksyon sa uri ng armchair (ibabang kanang sulok), ang mga hexagon ay nakaayos sa mga hilera sa parehong direksyon tulad ng paayon na axis ng tubo. Sa unang nanotube, ang hexagon ay tumatakbo sa buong ibabaw sa kamalayan ng diameter nito, at sa pangalawang nanotube, tumatakbo sila sa ibabaw, mula sa "dulo hanggang sa dulo".

At sa wakas, mayroong chiral nanotube (ibabang kaliwang sulok). Ihambing sa isang hagdan ng spiral na patungo sa kaliwa o kanan. Ang parehong nangyayari sa carbon nanotube na ito: ang mga hexagonon ay nakaayos na umakyat sa kaliwa o kanan. Tulad ng mayroong dalawang spatial na bersyon, sinasabing pagkatapos ito ay nagpapakita ng chirality.

Fullerenes

Ang molekulang C60. Pinagmulan: Benjah-bmm27.

Sa fullerenes, ang mga heksagon ay pinananatili pa rin, ngunit bilang karagdagan, lumilitaw ang mga pentagon, lahat ay may sp ² carbons . Ang mga sheet o layer ay naiwan: ngayon sila ay nakatiklop sa paraang bumubuo sila ng isang bola, na katulad ng isang soccer ball; at depende sa bilang ng mga carbons, sa isang rugby ball.

Ang Fullerenes ay mga molekula na naiiba sa laki. Ang pinakatanyag ay ang C ₆₀ (nangungunang imahe). Ang mga carbon allotropes na ito ay dapat tratuhin bilang mga lobo, na maaaring magkasamang magkasama upang makabuo ng mga kristal, kung saan ang mga ion at iba pang mga molekula ay maaaring ma-trap sa loob ng kanilang mga interstice.

Ang mga bola na ito ay mga espesyal na carrier o sumusuporta sa mga molekula. Paano? Sa pamamagitan ng mga covalent na bono sa ibabaw nito, lalo na, sa katabing mga carbon ng isang heksagon. Ang fullerene ay sinabi na naisakatuparan (isang exohedral adduct).

Ang mga dingding nito ay maaaring istratehikong nasira upang mag-imbak ng mga molecule sa loob; na kahawig ng isang spherical capsule. Gayundin, ang mga bola na ito ay maaaring magkaroon ng mga bitak at naisakatuparan nang sabay; Ang lahat ay depende sa aplikasyon kung saan sila inilaan.

Cubic crystal na istraktura ng brilyante. Pinagmulan: GYassineMrabetTalk✉Ang istraktura na ito ay nilikha gamit ang PyMOL. .

At sa wakas, ang pinakamahusay na kilala sa lahat ng mga allotropes ng carbon: brilyante (kahit na hindi lahat ay carbon).

Sa istruktura, binubuo ito ng sp ³ carbon atoms , na bumubuo ng apat na mga bono ng CC at isang three-dimensional network ng tetrahedra (itaas na imahe) na ang mala-kristal na selula ay kubiko. Ito ang pinakamahirap ng mga mineral, at ang pagkatunaw na punto nito ay malapit sa 4000ºC.

Ang kanilang tetrahedra ay maaaring maglipat ng init nang mahusay sa buong kristal na sala-sala; ngunit hindi ganoon sa koryente, dahil ang mga electron nito ay napakahusay na matatagpuan sa apat na covalent bond nito at hindi ito maaaring pumunta kahit saan. Samakatuwid, ito ay isang mahusay na thermal conductor, ngunit ito ay isang elektrikal na insulator.

Depende sa kung paano ito ay faceted, maaari itong ikakalat ng ilaw sa maraming maliwanag at kaakit-akit na anggulo, kung kaya't kung bakit sila ay coveted bilang mga gemstones at alahas.

Ang network ay napaka-lumalaban, dahil kakailanganin nito ng maraming presyon upang ilipat ang tetrahedra nito. Ang ari-arian na ito ay ginagawang isang materyal na may mataas na mekanikal na pagtutol at katigasan, na may kakayahang gumawa ng tumpak at malinis na hiwa, tulad ng sa scalpel na may tinta na brilyante.

Ang kanilang mga kulay ay nakasalalay sa kanilang mga crystallographic defect at kanilang mga impurities.

Mga Sanggunian

Shiver & Atkins. (2008). Diorganikong kimika. (Ikaapat na edisyon). Mc Graw Hill.
Méndez Medrano, Ma. Guadalupe, Rosu, HC, Torres González, LA (2012). Graphene: Ang pinaka-promising na allotrope ng Carbon. Batas sa Unibersidad. vol 22, hindi. 3, Abril-Mayo, 2012, pp. 20-23, Unibersidad ng Guanajuato, Guanajuato, Mexico.
IES La Magdalena. Mga Avile. Asturias. (sf). Mga allotropic form ng carbon. . Nabawi mula sa: fisquiweb.es
Wikipedia. (2019). Mga carbon allotropes. Nabawi mula sa: es.wikipedia.org
Sederberg David. (sf). Mga Allotropes ng Carbon. Nabawi mula sa: web.ics.purdue.edu
Sederberg, D. (2009). Mga Allotropes ng carbon: Lahat sa paraan na pinagsama mo. Nabawi mula sa: physics.purdue.edu
Hirsh A. (2010). Ang panahon ng carbon allotropes. Kagawaran ng Chemistry at Parmasya at Interdisciplinary Center ng Molecular Materials (ICMM), Friedrich-Alexander University Erlangen-Nuremberg, Henkestrasse 42, 91054 Erlangen, Germany.
Ang Lupon ng mga Regent ng University of Wisconsin System. (2013). Mga Nanotubes at Iba pang mga Porma ng Carbon. Nabawi mula sa: chemistry.beloit.edu
Clark Jim. (2012). Mga higanteng istruktura ng covalent. Nabawi mula sa: chemguide.co.uk

MGA ALLOTROPES NG CARBON: AMORPHOUS CARBON, GRAPAYT, GRAPHENES, NANOTUBES - CHEMISTRY - 2025