АЛОТРОПИ УГЉЕНИКА: АМОРФНИ УГЉЕНИК, ГРАФИТ, ГРАФЕН, НАНОЦЕВКЕ - ХЕМИЈА - 2025

У аллотропес угљеника су различити физички облици Сортабле и везују њихове атоми. Сваки од њих одговара чврстини са својим посебним карактеристикама. Молекуларно и структурно се разликују један од другог. Постоје две главне врсте ових алотропа: кристални и аморфни.

Кристални алотропи су они који имају понављајући образац својих атома у простору. У међувремену, у аморфним алотропима атоми су распоређени нередовито, без постојања две идентичне области у чврстом телу. Тако су први наређени, а други неуредни.

Главни алотропи угљеника. Извор: Јозеф Сивек

Међу кристалним су дијаманти (а) и графит (е) пар екцелленце. На горњој слици се примећују различите структуре које имају заједнички аспект: састављене су само од атома угљеника (црне сфере).

А међу аморфним алотропима имамо и аморфни угљеник (б), који је, као што се види, по својој структури неуредан. Међутим, постоји много врста аморфних угљеника, тако да је то породица чврстих тела.

Такође, атоми угљеника могу да формирају супрамолекуле, попут фуллерена (ц) и наноцевки (д). Ове супрамолекуле могу се разликовати у величини и облику, али задржавају исте геометрије; сферичне и цевасте за фулерене и наноцевке, респективно.

Ковалентне везе угљеника

Пре него што се позабавимо неким од познатих алотропа угљеника, неопходно је прегледати начин везања атома угљеника.

Према теорији валентне везе, угљеник има четири електрона у својој валентној љусци, са којима формира ковалентне везе. Захваљујући електронској промоцији и хибридизацији, четири електрона се могу сместити у четири одвојене орбите, било да су чисти или хибридни.

Стога, угљеник има могућност да формира највише четири везе.

ДЦ. Са четири ЦЦ везе, атоми досежу октет валенције и они постају врло стабилни. Међутим, то не значи да не могу бити само три ове везе, попут оних које се виде у шестерокутима.

Шестерокут

У зависности од хибридизације атома угљеника, у структури њихових алотропа могу се наћи двоструке или троструке везе. Али, још очитија од постојања таквих веза је геометрија коју карбони усвајају.

На пример, уколико се посматра хексагон, то значи да угљеника имају сп ² хибридизације и стога имају чисто п орбиталног са усамљеним електрон. Можете ли видети савршене шестерокут на првој слици? Ови аллотропес који их садрже значи да су њихови угљеника су сп ² , без обзира да ли има двоструке везе (као што су они прстена бензола).

Мрежни, равни или шестерокутни слој се затим састоји од сп ² угљеника који имају електронски „кров“ или „облак“, производ непарованог електрона п орбитале. Овај електрон може да формира ковалентне везе са другим молекулама или привлачи позитивне наелектрисања металних јона; попут оних К ⁺ и На ⁺ .

Такође, ови електрони омогућавају овим шкољкама да се сложе једна на другу, без везивања (због геометријске и просторне препреке преклапању две п орбитале). То значи да алотропи са шестерокутном геометријом могу или не морају да се наруче за изградњу кристала.

Тетрахедра

Уколико се посматра тетраедар, као што ће бити објашњено у претходном одељку, то значи да угљеника имају сп ³ хибридизацију . У њима су четири једноставне ЦЦ везе и формирају тетраедарску кристалну решетку. У таквим тетраедрама нема слободних електрона као у шестерокутима.

Аморфни угљеник

Комадићи угља, репрезентативни од аморфног угљеника. Извор: Пкхере.

Аморфни угљеник се може замислити као врста порозне сунђера, са пуно произвољно распоређених шестерокутних и тетраедарских мрежа. У овој минералној матрици могу да закаче друге елементе, који могу да компактују или проширују поменуту сунђеру; и на исти начин његова структурна језгра могу бити већа или мања.

Тако се, зависно од% угљеника, добијају различите врсте аморфних угљеника; попут чађе, угља, антрацита, чађе, тресета, кокса и активног угља.

На први поглед, сви изгледају на даљину слично (горња слика), с градацијама на ивици црне, пригушене или металне и сивкастог тона.

Нису сви аморфни угљеници истог порекла. Биљни угљеник, као што му име каже, је производ сагоревања биљних маса и дрвета. Док су чађа и кокс производи различитих фаза и услова нафтних процеса.

Иако им се не чине баш привлачним и може се веровати да служе само као гориво, порозности њихових чврстих материја привлаче пажњу у примењивању технолошког пречишћавања, као апсорбанти и складиштене материје, као и као каталитички носачи.

Политиписм

Структуре аморфних угљеника су сложене и неуређене; Међутим, кристалографска истраживања показала су да су заправо тетраедарски (дијамантски) и шестерокутни (графитни) политип, распоређени произвољно у слојевима.

На пример, ако су Т и Х тетраедарски и шестерокутни слојеви, тада се аморфни угљеник може структурно описати као: ТХТХХТХ; или ХТХТТХТХХХТ, итд. Одређене секвенције слојева Т и Х дефинишу врсту аморфног угљеника; али у њима не постоји понављајући тренд или образац.

Из тог разлога је структурно тешко окарактерисати ове угљене алотропе; и уместо тога, преферира се његов% угљеника, што је променљива која олакшава његове разлике, као и његова физичка својства и склоност качењу или сагоревању.

Функционалне групе

Споменуто је да хексагоналне равни имају неспарени електрон са којим може да формира везу са другим молекулима или атомима. Ако, рецимо, околна молекули Х ₂ О анд ЦО ₂ , ОХ и ЦООХ групе може се очекивати да форму, респективно. Такође се могу везати за атоме водоника, формирајући ЦХ везе.

Могућности су врло разнолике, али укратко, аморфни угљеници могу угостити оксигениране функционалне групе. Кад су ови хетероатоми присутни, они се не налазе само на ивицама равни, већ и чак у њима.

Графит

Кристална структура шестерокутних слојева графита. Извор: МартинТхома.

Горња слика приказује модел са сферама и жицама кристалне структуре графита. Сенке сфера, на срећу, помажу у визуализацији π продукта облака делокализације њихових парних електрона. То је поменуто у првом одељку, без толико детаља.

Ови π облаци се могу упоредити са два система: оним у бензонским прстеновима и оним „електронских мора“ у металним кристалима.

П орбитале се међусобно спајају како би изградиле стазу по којој електрони слободно путују; али само између два шестерокутна слоја; окомито на њих, нема протока електрона или струје (електрони би морали да пролазе кроз атоме угљеника).

Како постоји стална миграција електрона, непрестано се формирају диполи који индукују друге диполе атома угљеника који су изнад или испод; то јест, слојеви или листови графита остају сједињени захваљујући лондонским дисперзионим снагама.

Ови шестерокутни слојеви, као што се може очекивати, стварају шестерокутни графитни кристал; или боље речено, низ малих кристала повезаних под различитим угловима. Облаци се понашају као да су „електрични путер“, омогућујући слојевима да клизну пре било каквих спољашњих поремећаја на кристалима.

Физичка својства

Физичка својства графита лако су разумети након што се размотри његова молекуларна структура.

На пример, талиште графита је врло високо (изнад 4400ºЦ), због чињенице да енергија која се испоручује у облику топлоте неповратно одваја шестерокутне слојеве и такође руши њихове шестерокутнике.

Управо је речено да њихови слојеви могу клизнути једни преко других; И не само то, већ могу завршити и на другим површинама, попут целулозе која чини папир када се таложи из графита оловака. Ово својство омогућава да графит делује као одлично мазиво.

И, већ споменуто, добар је проводник струје, а такође и топлоте и звука.

Грапхенес

Графен лим без двоструких веза. Извор: Јинто

Иако није приказан на првој слици, овај алотроп угљеника није могуће изоставити. Претпоставимо да су слојеви графита стезани и кондензовани у један лист, отворени и покривајући велико подручје. Да се ​​то ради молекуларно, родили би се графенови (горња слика).

Дакле, графен је појединачни графички лист, који не комуницира са другима и који може да маше попут заставе. Имајте на уму да подсећа на зидове саћа.

Ови графенски листови чувају и умножавају својства графита. Његове шестерокутнике је врло тешко одвојити, тако да представљају грозну механичку отпорност; чак виши од челика. Поред тога, изузетно су лагани и танки, а теоретски би им могао бити довољан један грам да покрију читав фудбалски терен.

Ако поново погледате горњу слику, можете видети да нема двоструких веза. Свакако да их може бити, као и троструке везе (графини). Рецимо, овде се отвара хемија графена.

Као и графит и остали шестерокутни слојеви, и други молекули могу се ковалентно везати за површину графена, функционализујући његову структуру за електронску и биолошку примену.

Угљен-наноцјевчице

Три врсте угљеничних наноцевки. Извор: Мстроецк путем Википедије.

Претпоставимо сада да смо зграбили плоче с графеном и почели да их котрљамо у цев; То су угљене наноцевке. Дужине и радијус ових цеви су променљиви, као и њихове просторне усклађености. Заједно са графеном и фулеренима, ове наноцевке чине тријаду најневероватнијих алотропа угљеника.

Структурне усклађености

На горњој слици су приказане три угљеничне наноцевке. Која је разлика између њих? Сва три имају шестерокутне шарене зидове и показују иста површинска својства о којима смо већ говорили. Одговор се тада крије у релативним оријентацијама ових шестерокута.

Прва конформација одговара цик-цак врсти (горњи десни угао). Ако се пажљиво посматра, имаће у виду да има редове шестерокута који су постављени савршено окомито на уздужну ос цеви.

Супротно томе, за конструкцију типа фотеља (доњи десни угао), шестерокутни су распоређени у редовима у истом правцу као и уздужна осовина цеви. У првој наноцевки шестерокут се креће по површини у смислу његовог пречника, а у другој наноцевки се крећу дуж површине, од „до краја“.

И на крају, ту је кирална наноцевица (доњи леви угао). Упоредите са спиралним степеништем које иде лево или десно. Исто се догађа и са овом угљеничном наноцевком: њени шестерокути су смештени узлазно лево или десно. Како постоје две просторне верзије, каже се да показује хиралност.

Фуллеренес

Ц60 молекул фулерена. Извор: Бењах-бмм27.

У фулеренима се шестерокут и даље одржава, али поред тога појављују се и пентагони, сви са сп ² карбона . Листови или слојеви су већ остављени: сада су пресавијени на начин да формирају лопту, сличну фудбалској лопти; и у зависности од броја угљеника, до рагби лопте.

Фулерени су молекули који се разликују у величини. Најпознатији је Ц ₆₀ (горња слика). Ови алотропи угљеника требају бити третирани као балони, који се могу стиснути заједно да формирају кристале, у којима ће иони и други молекули бити заробљени унутар њихових међупростора.

Ове куглице су посебни носачи или носачи за молекуле. Како? Кроз ковалентне везе, нарочито за сусједне угљенике шестерокута. Каже се да је фулерен функционализован (егзоедарски аддукт).

Њени зидови могу бити стратешки разбијени да би се унутра чували молекули; подсећа на сферну капсулу. Исто тако, ове куглице могу истовремено имати пукотине и функционисати их; све ће зависити од апликације којој су намењени.

Кубична кристална структура дијаманта. Извор: ГИассинеМрабетТалк✉ Ова структура је створена са ПиМОЛ-ом. .

И на крају, најпознатији од свих алотропа угљеника: дијамант (мада нису сви угљеник).

Структурно, састоји се од сп ³ атома угљеника , формирају четири ЦЦ везе и тродимензионалну мрежу тетрахедра (горњег слика) чија кристална ћелија кубних. Од минерала је најтежи, а талиште му је близу 4000 ° Ц.

Њихови тетраедри су у стању да ефикасно преносе топлоту кроз кристалну решетку; али не тако са електричном енергијом, јер су њени електрони врло добро лоцирани у своје четири ковалентне везе и не могу нигде отићи. Због тога је добар топлотни проводник, али је електрични изолатор.

У зависности од начина гледања, може да разбацује светлост под многим светлим и атрактивним угловима, због чега их привлачи као драгуља и накита.

Мрежа је веома отпорна, јер би јој било потребно много притиска да би преселио своје тетраедре. Ово својство га чини материјалом високе механичке отпорности и тврдоће, способним за прецизне и чисте резове, као што је случај са скалпелом са дијамантским врхом.

Њихове боје зависе од њихових кристалографских оштећења и нечистоће.

Референце

1. Схивер & Аткинс. (2008). Неорганска хемија. (Четврто издање). Мц Грав Хилл.
2. Мендез Медрано, Мавадар, Гуадалупе, Росу, ХЦ, Торрес Гонзалез, ЛА (2012). Графен: Алотроп карбона који највише обећава. Закон о универзитету. вол. 22, бр. 3, април-мај, 2012., стр. 20-23, Универзитет Гуанајуато, Гуанајуато, Мексико.
3. ИЕС Ла Магдалена. Авилес. Астурија. (сф) Алотропни облици угљеника. . Опоравак од: фискуивеб.ес
4. Википедиа. (2019). Алотропи угљеника. Опоравак од: ес.википедиа.орг
5. Седерберг Давид. (сф) Алотропи од угљеника. Опоравак од: веб.ицс.пурдуе.еду
6. Седерберг, Д. (2009). Алотропи угљеника: Све је у начину на који сте састављени. Опоравак од: пхисицс.пурдуе.еду
7. Хирсх А. (2010). Ера алотропа угљеника. Одељење за хемију и фармацију и интердисциплинарни центар за молекуларни материјал (ИЦММ), Универзитет Фриедрицх-Алекандер Ерланген-Нуремберг, Хенкестрассе 42, 91054 Ерланген, Немачка.
8. Управни одбор Универзитета у Висконсину. (2013). Наноцевке и други облици угљеника. Опоравак од: цхемистри.белоит.еду
9. Цларк Јим. (2012). Дивовске ковалентне структуре. Опоравак од: цхемгуиде.цо.ук