ALOTROPI OGLJIKA: AMORFNI OGLJIK, GRAFIT, GRAFEN, NANOCEVKE - KEMIJA

V alotropov ogljikovi različne fizične oblike razvrščen in se veže njihovih atomov. Vsakemu ustreza trdnost s svojimi posebnimi lastnostmi. Molekularno in strukturno se med seboj ločimo. Obstajata dve glavni vrsti teh alotropov: kristalni in amorfni.

Kristalni alotropi so tisti, ki imajo ponavljajoč se vzorec svojih atomov v vesolju. Medtem so atomi v amorfnih alotropih neurejeno razporejeni, ne da bi v trdni snovi obstajala dva enaka območja. Tako so prvi naročeni, drugi pa neurejeni.

Glavni alotropi ogljika. Vir: Jožef Sivek

Med kristalnimi so diamant (a) in grafit (e) par excellence. Zgornja slika opaža različne strukture, ki imajo skupni vidik: sestavljene so le iz ogljikovih atomov (črne krogle).

In med amorfnimi alotropi imamo amorfni ogljik (b), ki je, kot je razvidno, po svoji strukturi neurejen. Vendar pa obstaja veliko vrst amorfnih ogljikov, zato gre za družino trdnih snovi.

Tudi ogljikovi atomi lahko tvorijo supramolekule, kot so fulereni (c) in nanocevke (d). Te supramolekule se lahko razlikujejo po velikosti in obliki, vendar ohranijo enake geometrije; sferične in cevaste za fulerene in nanocevke.

Kovalentne vezi ogljika

Preden se lotimo nekaterih znanih alotropov ogljika, je treba pregledati, kako se vežejo ogljikovi atomi.

Po teoriji valenčne vezi ima ogljik v svoji valenčni lupini štiri elektrone, s katerimi tvorijo kovalentne vezi. Zahvaljujoč elektronski promociji in hibridizaciji je mogoče štiri elektrone postaviti v štiri ločene orbitale, bodisi čiste ali hibridne.

Zato ima ogljik možnost tvoriti največ štiri vezi.

DC. S štirimi vezmi CC atomi dosežejo valenčni oktet in postanejo zelo stabilni. Vendar to ne pomeni, da teh povezav ne more biti le tri, na primer tiste, ki jih vidimo v šesterokotnih.

Šestkotniki

Glede na hibridizacije ogljikovega atoma lahko v strukturi njihovih alotropov najdemo dvojne ali trojne vezi. Toda še bolj očitna od obstoja takih vezi je geometrija, ki jo ogljiki usvojijo.

Na primer, če opazimo šesterokotnik, to pomeni, da imajo ogljiki sp ² hibridizacijo in imajo zato čisto p orbitolo z osamljenim elektronom. Ali na prvi sliki vidite popolne šesterokotnike? Ti alotropi, ki jih vsebujejo, pomenijo, da so njihovi ogljiki sp ² , ne glede na to, ali obstajajo dvojne vezi (kot na primer benzenski obroč).

Mrežna, ravna ali šestkotna plast je nato sestavljena iz sp ² ogljika, ki ima elektronsko „streho“ ali „oblak“, proizvod neparnega elektrona p orbitale. Ta elektron lahko tvori kovalentne vezi z drugimi molekulami ali privlači pozitivne naboje kovinskih ionov; kot so K ⁺ in Na ⁺ .

Prav tako ti elektroni omogočajo, da se te lupine zložijo drug na drugega, brez vezave (zaradi geometrijske in prostorske ovire prekrivanja obeh p orbitalov). To pomeni, da lahko alotropi s šesterokotno geometrijo ustvarijo kristal ali ne.

Tetraedre

Če opazimo tetraedra, kot bo razloženo v zadnjem delu, to pomeni, da imajo ogljiki sp ³ hibridizacijo . V njih so štiri preproste CC vezi in tvorijo tetraedrsko kristalno rešetko. V takšnih tetraedrih ni prostih elektronov kot v šesterokotnih.

Amorfni ogljik

Kosi premoga, ki predstavljajo amorfni ogljik. Vir: Pxhere.

Amorfni ogljik si lahko predstavljamo kot nekakšno porozno gobo, z veliko poljubno razporejenimi šestkotnimi in tetraedrskimi mrežami. V tej mineralni matrici lahko ujamejo druge elemente, ki lahko gobo stisnejo ali razširijo; in na enak način so njegova strukturna jedra lahko večja ali manjša.

Tako se glede na% ogljika pridobivajo različne vrste amorfnih ogljikov; kot so saja, oglje, antracit, saj, šota, koks in aktivno oglje.

Na prvi pogled so vsi videti na daljavo podobni (zgornja slika), z gradacijami do roba črne, dolgočasne ali kovinske in sivkastega tona.

Vsi amorfni ogljiki nimajo enakega izvora. Rastlinski ogljik, kot pove že njegovo ime, je produkt zgorevanja rastlinskih mas in lesa. Medtem ko sta saj in koks proizvodi različnih stopenj in pogojev naftnih procesov.

Čeprav se ne zdijo zelo privlačne in lahko verjamemo, da služijo le kot gorivo, poroznosti njihovih trdnih snovi pritegnejo pozornost v aplikacijah za tehnološko čiščenje, kot absorbenti in snovi, pa tudi kot katalitična podpora.

Politipisem

Strukture amorfnih ogljikov so zapletene in neurejene; Vendar pa so kristalografske študije pokazale, da so dejansko tetraedrski (diamantni) in šesterokotni (grafitni) politip, razporejeni poljubno po plasteh.

Na primer, če sta T in H tetraedrska in šestkotna plast, lahko amorfni ogljik strukturno opišemo kot: THTHHTH; ali HTHTTHTHHHT itd. Nekatere zaporedje slojev T in H definirajo vrsto amorfnega ogljika; toda znotraj njih ni ponavljajočega se trenda ali vzorca.

Zaradi tega je strukturno težko opisati te ogljikove alotrope; namesto tega je prednostni njegov% ogljika, ki je spremenljivka, ki olajša razlike, fizične lastnosti in nagnjenost k zgorevanju ali zgorevanju.

Funkcionalne skupine

Omenjeno je bilo, da imajo šesterokotne ravnine neprimerni elektron, s katerim lahko tvori vez z drugimi molekulami ali atomi. Če torej okoliške molekule H ₂ O in CO ₂ , OH in COOH skupine lahko pričakuje, da obliko, v tem zaporedju. Lahko se vežejo tudi na atome vodika in tvorijo CH-vezi.

Možnosti so zelo raznolike, vendar lahko povzamemo, da amorfni ogljiki gostijo kisikove funkcionalne skupine. Ko so ti heteroatomi prisotni, se ne nahajajo samo na robovih ravnin, ampak tudi in celo znotraj njih.

Grafit

Kristalna struktura šestkotnih plasti grafita. Vir: MartinThoma.

Zgornja slika prikazuje model s kroglami in strunami kristalne strukture grafita. Sence kroglice na srečo pomagajo prikazati π produkt oblakov delokalizacije njihovih parnih elektronov. To je bilo omenjeno v prvem oddelku, brez toliko podrobnosti.

Te π oblake lahko primerjamo z dvema sistemoma: benzenskih obročkov in elektronskih morij v kovinskih kristalih.

P orbitale se med seboj združijo, da ustvarijo skladbo, kjer elektroni prosto potujejo; vendar le med dvema šestkotnima plastema; pravokotno nanje ni pretoka elektronov ali toka (elektroni bi morali skozi ogljikove atome).

Ob stalni migraciji elektronov se nenehno tvorijo takojšnji dipoli, ki inducirajo druge dipole ogljikovih atomov, ki so nad ali spodaj; to pomeni, da plasti ali listi grafita ostanejo združeni zahvaljujoč londonskim disperzijskim silam.

Te šestkotne plasti, kot je mogoče pričakovati, ustvarjajo šesterokotni grafitni kristal; ali bolje rečeno, niz majhnih kristalov, povezanih pod različnimi koti. Oblaki se obnašajo, kot da so "električno maslo", kar omogoča, da plasti drsijo pred kakršnimi koli zunanjimi motnjami na kristalih.

Fizične lastnosti

Fizikalne lastnosti grafita je enostavno razumeti, ko je bila obravnavana njegova molekularna struktura.

Na primer, tališče grafita je zelo visoko (nad 4400 ° C), ker mora energija, ki se daje v obliki toplote, nepovratno ločiti šestkotne plasti in tudi razbiti njihove šesterokotnike.

Pravkar je bilo rečeno, da lahko njihovi plasti drsijo drug čez drugega; In ne samo, ampak se lahko končajo tudi na drugih površinah, na primer celulozi, ki sestavlja papir, ko se odlaga iz grafita svinčnikov. Ta lastnost omogoča, da grafit deluje kot odlično mazivo.

In, že omenjeno, je dober prevodnik električne energije, pa tudi toplote in zvoka.

Graphenes

Grafenski list brez dvojnih vezi. Vir: Jynto

Čeprav ni prikazan na prvi sliki, tega ogljikovega alotropa ni mogoče zapustiti. Predpostavimo, da so bile plasti grafita zajete in zgoščene v en sam list, odprt in pokrivajo veliko območje. Če bi to naredili molekularno, bi se rodili grafenovi (zgornja slika).

Torej, grafen je posamezen grafični list, ki ne komunicira z drugimi in ki lahko maha kot zastava. Upoštevajte, da je podoben stenam satja.

Ti listi z grafenom ohranjajo in pomnožijo lastnosti grafita. Njene šesterokotnike je zelo težko ločiti, zato predstavljajo nenavadno mehansko odpornost; celo višji od jekla. Poleg tega so izredno lahki in tanki in teoretično bi bil en gram od njih dovolj, da pokrije celo nogometno igrišče.

Če znova pogledate zgornjo sliko, lahko vidite, da dvojnih vezi ni. Zagotovo jih lahko obstajajo, pa tudi trojne vezi (grafini). Tu se recimo odpre kemija grafena.

Tako kot grafit in druge šesterokotne plasti se lahko tudi druge molekule kovalentno vežejo na površino grafena in funkcionalno uporabljajo njegovo strukturo za elektronsko in biološko uporabo.

Ogljikove nanocevke

Tri vrste ogljikovih nanocevk. Vir: Mstroeck preko Wikipedije.

Zdaj pa predpostavimo, da smo prijeli liste grafena in jih začeli valjati v cev; To so ogljikove nanocevke. Dolžine in polmer teh cevi sta spremenljivi, prav tako tudi njihove prostorske skladnosti. Te nanocevke skupaj z grafenom in fulereni sestavljajo triado najbolj neverjetnih alotropov ogljika.

Konstrukcijske skladnosti

Na zgornji sliki so prikazane tri ogljikove nanocevke. Kakšna je razlika med njimi? Vsi trije imajo šesterokotne vzorčaste stene in imajo enake površinske lastnosti, o katerih smo že govorili. Odgovor se nato skriva v relativnih usmeritvah teh šesterokotnikov.

Prva konformacija ustreza vrsti cikcaka (zgornji desni vogal). Če ga natančno opazimo, bo razvidno, da ima vrstice šesterokotnikov, nameščenih popolnoma pravokotno na vzdolžno os cevi.

V nasprotju s tem so za oblikovanje fotelja (spodnji desni vogal) šesterokotniki razporejeni v vrsticah v isti smeri kot vzdolžna os cevi. V prvi nanocevki šesterokotniki potekajo po površini v smislu njegovega premera, v drugi nanocevki pa potekajo po površini, od "konca do konca".

In končno je kiralna nanocevka (spodnji levi kot). Primerjajte s spiralnim stopniščem, ki gre levo ali desno. Enako se zgodi s to ogljikovo nanocevko: njeni šesterokotniki so razporejeni navzgor na levo ali desno. Ker obstajata dve prostorski različici, je takrat rečeno, da kaže hiralnost.

Fullereni

C60 molekula fulerena. Vir: Benjah-bmm27.

Pri fulerenih se šesterokotniki še vedno vzdržujejo, poleg tega pa se pojavijo še pentagoni, vsi s sp ² karboni . Listi ali plasti so že zaostali: zdaj so bili zloženi tako, da tvorijo žogo, podobno nogometni žogi; in odvisno od števila ogljikov, do žoge za ragbi.

Fulereni so molekule, ki se razlikujejo po velikosti. Najbolj znan je C ₆₀ (zgornja slika). Te ogljikove alotrope je treba obravnavati kot balone, ki se lahko stisnejo skupaj, da tvorijo kristale, v katere se ioni in druge molekule lahko ujamejo znotraj njihovih vmesnih vložkov.

Te kroglice so posebni nosilci ali nosilci za molekule. Kako? Skozi kovalentne vezi, predvsem na sosednje ogljikove šesterokotnike. Fulleren naj bi bil potem funkcionaliziran (eksoedrski addukt).

Njene stene so lahko strateško razbite, da shranijo molekule znotraj; spominja na sferično kapsulo. Prav tako imajo lahko te kroglice razpoke in jih je mogoče hkrati funkcionalizirati; vse bo odvisno od aplikacije, kateri so namenjeni.

Kubična kristalna struktura diamanta. Vir: GYassineMrabetTalk✉Ta struktura je bila ustvarjena s PyMOL. .

In končno najbolj znan izmed vseh alotropov ogljika: diamant (čeprav niso vsi ogljik).

Strukturno je sestavljen iz sp ³ ogljikovih atomov , ki tvorijo štiri CC vezi in tridimenzionalno mrežo tetraedrov (zgornja slika), katerih kristalna celica je kubična. Med minerali je najtežji, njegova tališče pa je blizu 4000 ° C.

Njihove tetraedre lahko učinkovito prenašajo toploto po kristalni rešetki; vendar to ni tako z elektriko, saj so njeni elektroni zelo dobro locirani v štirih kovalentnih vezih in ne morejo nikamor. Zato je dober toplotni vodnik, vendar je električni izolator.

Glede na to, kako je obrnjen, lahko razsvetli svetlobo pod številnimi svetlimi in privlačnimi koti, zato so hrepeneli kot dragi kamni in nakit.

Omrežje je zelo odporno, saj bi za premikanje svojih tetraedrov potrebovalo veliko pritiska. Zaradi te lastnosti je material z visoko mehansko odpornostjo in trdoto, ki omogoča natančno in čisto rezanje, kot pri skalpelu z diamanti.

Njihove barve so odvisne od njihovih kristalografskih napak in njihovih nečistoč.

Reference

Shiver & Atkins. (2008). Anorganska kemija. (Četrta izdaja). Mc Graw Hill.
Méndez Medrano, Mava Guadalupe, Rosu, HC, Torres González, LA (2012). Grafen: Najbolj obetaven alotrop ogljika. Univerzitetni akt. vol. 22, št. 3, april-maj, 2012, pp. 20-23, Univerza Guanajuato, Guanajuato, Mehika.
IES La Magdalena. Avvila. Asturije. (sf). Alotropne oblike ogljika. . Pridobljeno: fisquiweb.es
Wikipedija. (2019). Ogljikovi atrotropi. Pridobljeno: es.wikipedia.org
Sederberg David. (sf). Karbonski alotropi Pridobljeno: web.ics.purdue.edu
Sederberg, D. (2009). Allotropi ogljika: Vse je v načinu, kako ste sestavljeni. Pridobljeno: fizika.purdue.edu
Hirš A. (2010). Doba ogljikovih atrotropov. Oddelek za kemijo in farmacijo in interdisciplinarni center za molekularne materiale (ICMM), univerza Friedrich-Alexander Erlangen-Nuremberg, Henkestrasse 42, 91054 Erlangen, Nemčija.
Odbor regij Univerze v Wisconsinu. (2013). Nanocevke in druge oblike ogljika. Pridobljeno iz: chemistry.beloit.edu
Clark Jim. (2012). Velikanske kovalentne strukture. Pridobljeno: chemguide.co.uk

ALOTROPI OGLJIKA: AMORFNI OGLJIK, GRAFIT, GRAFEN, NANOCEVKE - KEMIJA - 2026