ALLOTROPER AF KULSTOF: AMORFT KULSTOF, GRAFIT, GRAFENER, NANORØR - KEMI

De allotropes af kulstof er forskellige fysiske former kan sorteres og binder deres atomer. Hver af dem svarer til et fast stof med sine egne særlige egenskaber. Molekylært og strukturelt skelnes de fra hinanden. Der er to hovedtyper af disse allotroper: krystallinsk og amorf.

Krystallinske allotroper er dem, der har et gentagende mønster af deres atomer i rummet. I mellemtiden er atomerne i amorfe allotroper arrangeret uorden, uden at der er to identiske regioner i det faste stof. Så førstnævnte er beordret, og sidstnævnte er uorden.

Hovedallotroper af kulstof. Kilde: Jozef Sivek

Blandt de krystallinske er diamant (a) og grafit (e) par excellence. I det øverste billede ses forskellige strukturer, der har et fælles aspekt: De er kun sammensat af carbonatomer (sorte kugler).

Og blandt de amorfe allotroper har vi det amorfe kulstof (b), som det kan ses, at dets struktur er uorden. Der er dog mange typer amorfe kulhydrater, så det er en familie af faste stoffer.

Carbonatomer kan også danne supramolekyler, såsom fullerenener (c) og nanorør (d). Disse supramolekyler kan variere i størrelse og form, men de bibeholder de samme geometrier; sfærisk og rørformet til henholdsvis fullerener og nanorør.

Kovalente bindinger af kulstof

Før der adresseres nogle af de kendte allotroper af kulstof, er det nødvendigt at gennemgå, hvordan carbonatomer er bundet.

I henhold til valensbindingsteorien har carbon fire elektroner i dens valensskal, som de danner kovalente bindinger med. Takket være elektronisk forfremmelse og hybridisering kan de fire elektroner placeres i fire separate orbitaler, hvad enten det er rene eller hybrid.

Derfor har kulstof evnen til at danne op til maksimalt fire bindinger.

DC. Med fire CC-bindinger når atomerne valenceoketen, og de bliver meget stabile. Dette er dog ikke at sige, at der ikke kun kan være tre af disse links, såsom dem der ses i sekskanter.

sekskanter

Afhængig af hybridiseringerne af carbonatomet kan dobbelt- eller tredobbeltbindinger findes i strukturen for deres respektive allotrope. Men, endnu tydeligere end eksistensen af sådanne bindinger, er geometrien, som kulstofene indtager.

For eksempel, hvis en heksagon observeres, betyder det, at kulhydraterne har Sp ^2- hybridisering og derfor har en ren p-orbital med en enkelt elektron. Kan du se perfekte sekskanter i det første billede? De allotrope, der indeholder dem, indebærer, at deres kulstof er sp ², uanset om der er dobbeltbindinger eller ikke (såsom benzenringen).

Et maske-, plan- eller hexagonalt lag består derefter af sp ² kulhydrater, der har et elektronisk "tag" eller "sky", et produkt af den orparis elektroniske par. Denne elektron kan danne kovalente bindinger med andre molekyler eller tiltrække de positive ladninger af metalioner; som K ⁺ og Na ⁺.

På samme måde tillader disse elektroner disse skaller at stables oven på hinanden uden at binde (på grund af en geometrisk og rumlig hindring for overlapningen af de to p-orbitaler). Dette betyder, at allotropes med hexagonale geometrier muligvis eller ikke får ordre til at bygge en krystal.

tetraedre

Hvis der observeres en tetrahedron, som det vil blive forklaret i det sidste afsnit, betyder det, at kulstofene har sp ^3- hybridisering. I dem er der fire enkle CC-bindinger, og de danner en tetraedrisk krystalgitter. I sådanne tetraeder er der ingen frie elektroner, som der er i hexagoner.

Amorf kulstof

Stykker kul, repræsentativt for amorft kulstof. Kilde: Pxhere.

Amorft kulstof kan forestilles som en slags porøs svamp med masser af vilkårligt arrangerede hexagonale og tetraedriske netværk. I denne mineralmatrix kan de fange andre elementer, der kan komprimere eller udvide nævnte svamp; og på samme måde kan dens strukturelle kerner være større eller mindre.

Afhængig af% carbon er der således forskellige typer af amorfe kulhydrater afledt; såsom sod, trækul, anthracit, carbon black, tørv, koks og aktivt kul.

Ved første øjekast ser de alle fjernt ens ud (øverste billede) med graderinger til kanten af sorte, kedelige eller metalliske og grålige overtoner.

Ikke alle amorfe kulhydrater har samme oprindelse. Vegetabilsk kulstof er, som navnet antyder, produktet af forbrænding af vegetabilske masser og træ. Mens kønrøg og koks er produkter i forskellige stadier og betingelser i petroleumsprocesser.

Selvom de ikke synes særlig attraktive, og det kan antages, at de kun fungerer som brændstof, tiltrækker porøsiteten af deres faste stoffer opmærksomhed i teknologiske rensningsanvendelser, som absorbenter og opbevaring af stoffer og også som katalytiske bærere.

Politypism

Strukturerne i amorfe kulhydrater er komplekse og forstyrrede; Imidlertid har krystallografiske undersøgelser vist, at de faktisk er tetraedrale (diamant) og hexagonale (grafit) polytyper, arrangeret vilkårligt i lag.

For eksempel, hvis T og H er henholdsvis de tetrahedrale og hexagonale lag, kan et amorft kulstof strukturelt beskrives som: THTHHTH; eller HTHTTHTHHHT osv. Visse T- og H-lagsekvenser definerer en type amorf kulstof; men inden i dem er der ingen gentagne tendenser eller mønstre.

Det er af denne grund, at det er strukturelt vanskeligt at karakterisere disse kulstofallotroper; og i stedet for det foretrækkes dets% carbon, hvilket er en variabel, der letter dens forskelle, såvel som dets fysiske egenskaber og dets tendens til at brænde eller brænde.

Funktionelle grupper

Det blev nævnt, at hexagonale planer har et uparret elektron, hvormed det kan danne en binding med andre molekyler eller atomer. Hvis, siger, de omgivende molekyler er H ₂ O og CO ₂, OH og COOH-grupper kan forventes at formen hhv. De kan også binde til hydrogenatomer og danne CH-bindinger.

Mulighederne er meget forskellige, men i resumé kan amorfe kulstof være vært for iltede funktionelle grupper. Når disse heteroatomer er til stede, er de ikke kun placeret ved kanterne af flyene, men også og endda inde i dem.

Grafit

Krystallstruktur af hexagonale lag grafit. Kilde: MartinThoma.

Det øverste billede viser en model med kugler og strenge af den krystallinske struktur af grafit. Kuglernes skygger er heldigvis med til at visualisere π-skyproduktet af delokaliseringen af deres uparmerede elektroner. Dette blev nævnt i det første afsnit uden så mange detaljer.

Disse π-skyer kan sammenlignes med to systemer: benzenringene og "elektronhavet" i metalliske krystaller.

P orbitalerne går sammen for at bygge et spor, hvor elektroner bevæger sig frit; men kun mellem to sekskantede lag; vinkelret på dem er der ingen strøm af elektroner eller strøm (elektronerne ville skulle passere gennem carbonatomerne).

Da der er en konstant migration af elektroner, dannes konstant øjeblikkelige dipoler, som inducerer andre dipoler af carbonatomer, der er over eller under; dvs. lagene eller arkene af grafit forbliver forenede takket være Londons spredningskræfter.

Disse sekskantede lag skaber som forventet en hexagonal grafitkrystall; eller rettere, en række små krystaller forbundet i forskellige vinkler. Π-skyerne opfører sig som om de var et "elektrisk smør", hvilket giver lagene mulighed for at glide inden nogen ekstern forstyrrelse på krystallerne.

Fysiske egenskaber

Grafites fysiske egenskaber er lette at forstå, når dens molekylstruktur er adresseret.

For eksempel er smeltepunktet for grafit meget højt (højere end 4400 ºC), fordi energien, der leveres i form af varme, uigenkaldeligt skal adskille de sekskantede lag og også ødelægge deres sekskanter.

Det blev lige sagt, at deres lag kan glide over hinanden; Og ikke kun, men de kan også ende på andre overflader, såsom den cellulose, der udgør papiret, når det deponeres fra blyantenes grafit. Denne egenskab gør det muligt for grafit at fungere som et fremragende smøremiddel.

Og allerede nævnt er det en god leder af elektricitet og også for varme og lyd.

Graphenes

Grafark uden dobbeltbinding. Kilde: Jynto

Selvom det ikke blev vist i det første billede, kan denne carbon allotrope ikke udelades. Antag, at lagene af grafit blev grebet og kondenseret til et enkelt ark, åbent og dækket et stort område. Hvis dette blev udført molekylært, ville grafener blive født (øverste billede).

Så grafenes er et individuelt grafitisk ark, der ikke interagerer med andre, og som kan vinke som et flag. Bemærk, at det ligner væggene i honningkager.

Disse grafenark bevarer og multiplicerer grafitens egenskaber. Dets sekskanter er meget vanskelige at adskille, så de udviser en abysmal mekanisk modstand; endnu højere end stål. Derudover er de ekstremt lette og tynde, og teoretisk set ville et gram af dem være nok til at dække en hel fodboldbane.

Hvis du ser på det øverste billede igen, kan du se, at der ikke er dobbeltbindinger. Der kan bestemt være dem såvel som tredobbelte bindinger (graffins). Det er her grafenkemien åbnes, siger vi.

Ligesom grafit og de andre hexagonale lag kan andre molekyler binde kovalent til overfladen af grafen og funktionalisere dens struktur til elektroniske og biologiske anvendelser.

Carbon nanorør

De tre typer kulstofnanorør. Kilde: Mstroeck via Wikipedia.

Antag nu, at vi greb grafenarkene og begyndte at rulle dem ind i et rør; Disse er carbon nanorør. Længder og radius af disse rør er forskellige, ligesom deres rumlige konformationer. Sammen med grafen og fullerener udgør disse nanorør triaden af de mest fantastiske kulstofallotroper.

Strukturelle konformationer

Tre kulstof nanorør vises i det øverste billede. Hvad er forskellen mellem dem? Alle tre har hexagonale mønstrede vægge og udviser de samme overfladegenskaber, der allerede er omtalt. Svaret ligger derefter i de relative orienteringer af disse sekskanter.

Den første konformation svarer til zigzag-typen (øverste højre hjørne). Hvis det omhyggeligt observeres, vil det forstås, at det har rækker med sekskanter placeret perfekt vinkelret på rørets længdeakse.

I modsætning hertil til hængestolstypekonstruktion (nederste højre hjørne) er sekskanterne anbragt i rækker i samme retning som rørets længdeakse. I den første nanorør løber sekskanterne overfladen i betydningen af dens diameter, og i den anden nanorør løber de langs overfladen fra "ende til ende".

Og endelig er der den chirale nanorør (nederste venstre hjørne). Sammenlign med en vindeltrappe, der går til venstre eller højre. Det samme sker med denne carbon nanorør: dens sekskanter er arrangeret stigende til venstre eller højre. Da der er to rumlige versioner, siges det så, at det udviser chiralitet.

fullerener

C60 fullerenmolekyle. Kilde: Benjah-bmm27.

I fullerenerne opretholdes hexagonerne stadig, men derudover vises pentagonerne, alle med sp ² carbonatomer. Arkene eller lagene er allerede efterladt: nu er de foldet på en sådan måde, at de danner en bold, der ligner en fodbold; og afhængigt af antallet af kulhydrater, til en rugbybold.

Fullerener er molekyler, der er forskellige i størrelse. Den mest berømte er C ₆₀ (øverste billede). Disse carbon allotropes skal behandles som balloner, der kan klemme sammen for at danne krystaller, hvori ioner og andre molekyler kan blive fanget i deres mellemrum.

Disse kugler er specielle bærere eller understøtninger til molekyler. Hvordan? Gennem de kovalente bindinger til dens overflade, især til de tilstødende kulhydrater i en hexagon. Det siges derefter, at fulleren er blevet funktionaliseret (et exohedralt addukt).

Dets vægge kan brydes strategisk for at opbevare molekyler inde; der ligner en sfærisk kapsel. Ligeledes kan disse kugler have revner og være funktionaliserede på samme tid; alt afhænger af den applikation, de er beregnet til.

Kubisk krystalstruktur af diamant. Kilde: GYassineMrabetTalk✉Denne struktur blev oprettet med PyMOL..

Og endelig, den bedst kendte af alle kulstofallotroper: diamant (skønt ikke alle er kulstof).

Strukturelt består det af sp ³ carbonatomer, der danner fire CC-bindinger og et tredimensionelt netværk af tetrahedra (øverste billede), hvis krystallinske celle er kubisk. Det er det hårdeste af mineraler, og dets smeltepunkt er tæt på 4000ºC.

Deres tetrahedra er i stand til at overføre varme effektivt gennem krystalgitteret; men ikke så med elektricitet, fordi dets elektroner er meget godt placeret i dets fire kovalente bindinger, og det kan ikke gå nogen steder. Derfor er det en god termisk leder, men det er en elektrisk isolator.

Afhængigt af hvordan det er facetteret, kan det sprede lys i mange lyse og attraktive vinkler, hvorfor de er eftertragtede som ædelstene og smykker.

Netværket er meget modstandsdygtigt, fordi det ville have brug for meget pres for at flytte dens tetrahedra. Denne egenskab gør det til et materiale med høj mekanisk modstand og hårdhed, der er i stand til at udføre præcise og rene snit som med den diamantspidsede skalpell.

Deres farver afhænger af deres krystallografiske defekter og deres urenheder.

Referencer

Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kemi. (Fjerde udgave). Mc Graw Hill.
Méndez Medrano, Ma. Guadalupe, Rosu, HC, Torres González, LA (2012). Graphene: Carbon mest lovende allotrope. Universitetslov. vol. 22, nr. 3, april-maj, 2012, s. 20-23, University of Guanajuato, Guanajuato, Mexico.
IES La Magdalena. Aviles. Asturias. (Sf). Allotropiske former for kulstof.. Gendannes fra: fisquiweb.es
Wikipedia. (2019). Carot allotropes. Gendannet fra: es.wikipedia.org
Sederberg David. (Sf). Allotropes af kulstof. Gendannes fra: web.ics.purdue.edu
Sederberg, D. (2009). Allotroper af kulstof: Det hele er i den måde, du er samlet på. Gendannes fra: physics.purdue.edu
Hirsh A. (2010). Tiden med kulstofotiver. Institut for Kemi og Apotek & Det tværfaglige center for molekylære materialer (ICMM), Friedrich-Alexander University Erlangen-Nuremberg, Henkestrasse 42, 91054 Erlangen, Tyskland.
Regentrådet for University of Wisconsin System. (2013). Nanorør og andre former for kulstof. Gendannes fra: chemistry.beloit.edu
Clark Jim. (2012). Kæmpe kovalente strukturer. Gendannes fra: chemguide.co.uk

ALLOTROPER AF KULSTOF: AMORFT KULSTOF, GRAFIT, GRAFENER, NANORØR - KEMI - 2025