ALOTROP KARBON: KARBON AMORF, GRAFIT, GRAFENA, NANOTUBE - KIMIA

The alotrop karbon adalah bentuk fizikal yang berbeza Sortable dan mengikat atom mereka. Masing-masing sesuai dengan pepejal dengan ciri khasnya sendiri. Secara molekul dan struktur mereka dibezakan antara satu sama lain. Terdapat dua jenis utama alotrop ini: kristal dan amorf.

Allotrop kristal adalah yang mempunyai corak berulang atom mereka di angkasa. Sementara itu, dalam allotrop amorf, atom disusun secara tidak teratur, tanpa terdapat dua kawasan yang sama dalam pepejal. Jadi yang pertama diperintahkan, dan yang terakhir tidak teratur.

Alotrop utama karbon. Sumber: Jozef Sivek

Antara yang berhablur ialah intan (a) dan grafit (e) setara. Ia diperhatikan pada gambar atas struktur yang berbeza yang mempunyai aspek yang sama: hanya terdiri daripada atom karbon (sfera hitam).

Dan di antara allotrop amorf, kita mempunyai karbon amorf (b), yang, seperti yang dapat dilihat, strukturnya tidak teratur. Walau bagaimanapun, terdapat banyak jenis karbon amorf, jadi ia adalah keluarga pepejal.

Juga, atom karbon dapat membentuk supramolekul, seperti fullerenes (c) dan nanotube (d). Supramolekul ini boleh berbeza-beza dalam ukuran dan bentuk, tetapi mereka mengekalkan geometri yang sama; sfera dan tiub untuk fullerenes dan nanotube masing-masing.

Ikatan karbon kovalen

Sebelum menangani beberapa alotrop karbon yang diketahui, adalah perlu untuk mengkaji bagaimana atom karbon terikat.

Menurut teori ikatan valensi, karbon mempunyai empat elektron dalam cangkang valensinya, dengan mana mereka membentuk ikatan kovalen. Berkat promosi elektronik dan hibridisasi, keempat-empat elektron boleh diletakkan di empat orbital yang terpisah, sama ada tulen atau hibrid.

Oleh itu, karbon mempunyai keupayaan untuk membentuk maksimum empat ikatan.

DC. Dengan empat ikatan CC, atom mencapai oktet valensi, dan atom menjadi sangat stabil. Namun, ini bukan untuk mengatakan bahawa tidak ada hanya tiga pautan ini, seperti yang terdapat dalam segi enam.

Segi enam

Bergantung pada hibridisasi atom karbon, ikatan dua atau tiga boleh didapati dalam struktur alotrop masing-masing. Tetapi, yang lebih jelas daripada adanya ikatan seperti itu, adalah geometri yang digunakan oleh karbon.

Sebagai contoh, jika segi enam diperhatikan, ini bermaksud bahawa karbon mempunyai hibridisasi sp ² dan oleh itu mempunyai orbital p tulen dengan elektron tunggal. Bolehkah anda melihat segi enam sempurna pada gambar pertama? Allotrop yang mengandungnya menunjukkan bahawa karbon mereka adalah sp ² , sama ada terdapat ikatan berganda atau tidak (seperti cincin benzena).

Lapisan mesh, satah atau heksagon kemudian terdiri dari sp ² karbon yang mempunyai "atap" atau "awan" elektronik, produk dari elektron yang tidak berpasangan dari orbit p. Elektron ini dapat membentuk ikatan kovalen dengan molekul lain, atau menarik muatan positif ion logam; seperti K ⁺ dan Na ⁺ .

Begitu juga, elektron ini membolehkan cengkerang ini saling bertumpuk di antara satu sama lain, tanpa ikatan (kerana halangan geometri dan spasial terhadap pertindihan kedua orbital p). Ini bermaksud bahawa allotrop dengan geometri heksagon mungkin atau mungkin tidak diperintahkan untuk membina kristal.

Tetrahedra

Sekiranya tetrahedron diperhatikan, seperti yang akan dijelaskan di bahagian terakhir, ini bermaksud bahawa karbon mempunyai hibridisasi sp ³ . Di dalamnya terdapat empat ikatan CC sederhana, dan mereka membentuk kisi kristal tetrahedral. Dalam tetrahedra seperti itu tidak ada elektron bebas seperti yang terdapat dalam segi enam.

Karbon amorf

Sekeping arang batu, mewakili karbon amorf. Sumber: Pxhere.

Karbon amorf dapat dibayangkan sebagai sejenis span berpori, dengan banyak rangkaian heksagon dan tetrahedral yang disusun sewenang-wenangnya. Dalam matriks mineral ini mereka dapat memerangkap unsur-unsur lain, yang dapat memadatkan atau mengembang span tersebut; dan dengan cara yang sama, inti strukturnya boleh lebih besar atau lebih kecil.

Oleh itu, bergantung pada% karbon, pelbagai jenis karbon amorf berasal; seperti jelaga, arang, antrasit, karbon hitam, gambut, kok, dan karbon aktif.

Pada pandangan pertama, mereka semua kelihatan serupa (gambar atas) dari jarak jauh, dengan gradasi ke tepi nada hitam, kusam, atau logam dan kelabu.

Tidak semua karbon amorf mempunyai asal yang sama. Karbon sayur, seperti namanya, adalah hasil pembakaran jisim sayur dan kayu. Sementara karbon hitam dan kok adalah produk dari pelbagai peringkat dan keadaan proses petroleum.

Walaupun tidak kelihatan sangat menarik dan dapat dipercayai bahawa mereka hanya berfungsi sebagai bahan bakar, porositas pepejal mereka menarik perhatian dalam aplikasi pemurnian teknologi, sebagai penyerap penyerap dan bahan, dan juga sebagai penyokong pemangkin.

Politypisme

Struktur karbon amorf adalah kompleks dan tidak teratur; Walau bagaimanapun, kajian kristalografi menunjukkan bahawa mereka sebenarnya adalah polytype tetrahedral (berlian) dan heksagon (grafit), disusun secara sewenang-wenang dalam lapisan.

Sebagai contoh, jika T dan H masing-masing adalah lapisan tetrahedral dan heksagon, maka karbon amorf dapat dinyatakan secara struktural sebagai: THTHHTH; atau HTHTTHTHHHT, dll. Urutan lapisan T dan H tertentu menentukan sejenis karbon amorf; tetapi di dalamnya, tidak ada trend atau corak berulang.

Oleh sebab itulah, secara struktural sukar untuk mencirikan alotrop karbon ini; dan bukannya itu,% karbonnya lebih disukai, yang merupakan pemboleh ubah yang memudahkan perbezaannya, serta sifat fizikalnya dan kecenderungannya untuk membakar atau membakar.

Kumpulan berfungsi

Telah disebutkan bahawa satah heksagon mempunyai elektron yang tidak berpasangan yang dapat membentuk ikatan dengan molekul atau atom lain. Sekiranya, katakanlah, molekul sekitarnya adalah kumpulan H ₂ O dan CO ₂ , OH dan COOH dijangka terbentuk. Mereka juga boleh mengikat atom hidrogen, membentuk ikatan CH.

Kemungkinannya sangat bervariasi, tetapi secara ringkasnya karbon amorf dapat menampung kumpulan fungsional beroksigen. Apabila heteroatom ini ada, mereka tidak hanya terletak di pinggir pesawat, tetapi juga dan bahkan di dalamnya.

Grafit

Struktur kristal lapisan grafit heksagon. Sumber: MartinThoma.

Gambar atas menunjukkan model dengan sfera dan rentetan struktur grafit kristal. Bayangan sfera, untungnya, membantu menggambarkan produk awan π dari penempatan semula elektron mereka yang tidak berpasangan. Perkara ini disebutkan di bahagian pertama, tanpa banyak perincian.

Awan π ini dapat dibandingkan dengan dua sistem: cincin benzena, dan "laut elektron" dalam kristal logam.

Orbital p bergabung satu sama lain untuk membina trek di mana elektron bergerak bebas; tetapi hanya di antara dua lapisan heksagon; tegak lurus kepada mereka, tidak ada aliran elektron atau arus (elektron mesti melalui atom karbon).

Oleh kerana terdapat migrasi elektron yang berterusan, dipol seketika sentiasa terbentuk, yang mendorong dipol atom karbon lain yang berada di atas atau di bawah; iaitu lapisan atau kepingan grafit tetap bersatu berkat kekuatan penyebaran London.

Lapisan heksagon ini, seperti yang diharapkan, membuat kristal grafit heksagon; atau lebih tepatnya, satu siri kristal kecil yang dihubungkan pada sudut yang berbeza. Awan π berkelakuan seolah-olah mereka adalah "mentega elektrik", yang membolehkan lapisan meluncur sebelum ada gangguan luaran pada kristal.

Ciri-ciri fizikal

Sifat fizikal grafit mudah difahami setelah struktur molekulnya ditangani.

Sebagai contoh, titik lebur grafit sangat tinggi (lebih tinggi daripada 4400ºC), kerana tenaga yang dibekalkan dalam bentuk haba harus memisahkan lapisan heksagon secara tidak berbalik, dan juga memecahkan segi enamnya.

Baru saja dikatakan bahawa lapisan mereka boleh meluncur satu sama lain; Dan tidak hanya, tetapi juga dapat berakhir di permukaan lain, seperti selulosa yang membentuk kertas ketika disimpan dari grafit pensil. Sifat ini membolehkan grafit bertindak sebagai pelincir yang sangat baik.

Dan, yang telah disebutkan, ini adalah pengalir elektrik yang baik, dan juga panas dan bunyi.

Grafen

Lembaran Graphene tanpa ikatan berganda. Sumber: Jynto

Walaupun tidak ditunjukkan pada gambar pertama, allotrope karbon ini tidak dapat ditinggalkan. Katakan lapisan grafit digenggam dan dipadatkan menjadi satu helai, terbuka dan menutupi kawasan yang luas. Sekiranya ini dilakukan secara molekul, grafen akan lahir (gambar atas).

Jadi, graphenes adalah helaian grafik individu, yang tidak berinteraksi dengan orang lain dan yang boleh melambai seperti bendera. Perhatikan bahawa ia menyerupai dinding sarang lebah.

Lembaran graphene ini mengekalkan dan menggandakan sifat grafit. Heksagonnya sangat sukar untuk dipisahkan, jadi ia menunjukkan ketahanan mekanikal yang tidak stabil; malah lebih tinggi daripada keluli. Selain itu, mereka sangat ringan dan kurus, dan secara teorinya satu gram daripadanya akan cukup untuk menutup seluruh padang bola.

Sekiranya anda melihat gambar atas sekali lagi, anda dapat melihat bahawa tidak ada ikatan berganda. Pasti ada, dan ikatan rangkap tiga (graffins). Di sinilah kimia graphene dibuka, katakan.

Seperti grafit dan lapisan heksagon yang lain, molekul lain boleh secara kovalen mengikat ke permukaan graphene, berfungsi strukturnya untuk aplikasi elektronik dan biologi.

Nanotube karbon

Tiga jenis nanotube karbon. Sumber: Mstroeck melalui Wikipedia.

Sekarang andaikan kita mengambil helaian graphene dan mula menggulungnya ke dalam tiub; Ini adalah nanotube karbon. Panjang dan jejari tiub ini berubah-ubah, begitu juga dengan susunan spatialnya. Bersama-sama dengan graphene dan fullerenes, nanotube ini membentuk triad dari allotrop karbon yang paling menakjubkan.

Konformasi struktur

Tiga nanotube karbon ditunjukkan pada gambar atas. Apakah perbezaan antara mereka? Ketiganya mempunyai dinding bercorak heksagon, dan menunjukkan sifat permukaan yang sama yang telah dibincangkan. Jawapannya terletak pada orientasi relatif bagi segi enam ini.

Konformasi pertama sesuai dengan jenis zigzag (sudut kanan atas). Sekiranya diperhatikan dengan teliti, akan diperhatikan bahawa ia mempunyai barisan segi enam yang terletak tegak lurus dengan paksi longitudinal tiub.

Sebaliknya, untuk konformasi jenis kerusi berlengan (sudut kanan bawah), segi enam disusun dalam baris dalam arah yang sama dengan paksi longitudinal tiub. Pada nanotube pertama, heksagon melintasi permukaan dalam arti diameternya, dan pada nanotube kedua, mereka bergerak di sepanjang permukaan, dari "ujung ke ujung".

Dan akhirnya, terdapat nanotube kiral (sudut kiri bawah). Bandingkan dengan tangga spiral ke kiri atau kanan. Perkara yang sama berlaku pada nanotube karbon ini: segi enamnya disusun naik ke kiri atau kanan. Oleh kerana terdapat dua versi spasial, maka dikatakan bahawa ia memperlihatkan kekiringan.

Fullerenes

Molekul C60 fullerene. Sumber: Benjah-bmm27.

Pada fullerenes, segi enam masih dipertahankan, tetapi di samping itu, pentagon muncul, semuanya dengan sp ² karbon . Lembaran atau lapisan sudah tertinggal: sekarang mereka dilipat sedemikian rupa sehingga membentuk bola, mirip dengan bola sepak; dan bergantung pada jumlah karbon, ke bola ragbi.

Fullerenes adalah molekul yang berbeza ukurannya. Yang paling terkenal ialah C ₆₀ (gambar atas). Alotrop karbon ini harus diperlakukan sebagai belon, yang dapat meremas untuk membentuk kristal, di mana ion dan molekul lain dapat terperangkap dalam celahan mereka.

Bola ini adalah pembawa khas atau sokongan untuk molekul. Bagaimana? Melalui ikatan kovalen ke permukaannya, terutamanya, dengan karbon segi enam yang bersebelahan. Fullerene kemudian dikatakan telah difungsikan (tambahan exohedral).

Dindingnya boleh pecah secara strategik untuk menyimpan molekul di dalamnya; menyerupai kapsul sfera. Begitu juga, bola ini boleh mengalami retakan dan berfungsi pada masa yang sama; semuanya akan bergantung pada aplikasi yang dituju.

Struktur kristal kubik berlian. Sumber: GYassineMrabetTalk✉Struktur ini dibuat dengan PyMOL. .

Dan akhirnya, yang paling terkenal dari semua alotrop karbon: berlian (walaupun tidak semuanya karbon).

Secara struktural, ia terdiri daripada atom karbon sp ³ , membentuk empat ikatan CC dan rangkaian tiga dimensi tetrahedra (gambar atas) yang sel kristalnya berbentuk kubik. Ia adalah mineral yang paling sukar, dan takat leburnya mendekati 4000ºC.

Tetrahedra mereka mampu memindahkan haba dengan cekap ke seluruh kisi kristal; tetapi tidak begitu dengan elektrik, kerana elektronnya terletak dengan baik dalam empat ikatan kovalennya dan ia tidak boleh ke mana-mana. Oleh itu, ia adalah konduktor haba yang baik, tetapi ia adalah penebat elektrik.

Bergantung pada bagaimana aspek itu, ia dapat menyebarkan cahaya pada banyak sudut terang dan menarik, itulah sebabnya mengapa mereka didambakan sebagai batu permata dan perhiasan.

Rangkaian ini sangat tahan, kerana memerlukan banyak tekanan untuk menggerakkan tetrahedra-nya. Properti ini menjadikannya bahan dengan ketahanan dan kekerasan mekanikal yang tinggi, mampu membuat potongan yang tepat dan bersih, seperti pisau bedah yang berlian.

Warna mereka bergantung pada kecacatan kristalografi dan kekotorannya.

Rujukan

Shiver & Atkins. (2008). Kimia bukan organik. (Edisi keempat). Bukit Mc Graw.
Méndez Medrano, Ma. Guadalupe, Rosu, HC, Torres González, LA (2012). Graphene: Allotrope Carbon yang paling menjanjikan. Akta Universiti. jilid 22, tidak. 3, April-Mei, 2012, hlm. 20-23, Universiti Guanajuato, Guanajuato, Mexico.
IES La Magdalena. Avil. Asturias. (sf). Bentuk karbon allotropik. . Dipulihkan dari: fisquiweb.es
Wikipedia. (2019). Alotrop karbon. Dipulihkan dari: es.wikipedia.org
Sederberg David. (sf). Allotrop Karbon. Dipulihkan dari: web.ics.purdue.edu
Sederberg, D. (2009). Allotropes karbon: Ini semua dalam cara anda mengumpulkan. Dipulihkan dari: physics.purdue.edu
Hirsh A. (2010). Zaman allotrop karbon. Jabatan Kimia dan Farmasi & Pusat Interdisipliner Bahan Molekul (ICMM), Universiti Friedrich-Alexander Erlangen-Nuremberg, Henkestrasse 42, 91054 Erlangen, Jerman.
Ahli Lembaga Pengarah Sistem Universiti Wisconsin. (2013). Nanotube dan Bentuk Karbon Lain. Dipulihkan dari: chemistry.beloit.edu
Clark Jim. (2012). Struktur kovalen gergasi. Dipulihkan dari: chemguide.co.uk

ALOTROP KARBON: KARBON AMORF, GRAFIT, GRAFENA, NANOTUBE - KIMIA - 2026