АЛОТРОПИ НА ВЪГЛЕРОДА: АМОРФЕН ВЪГЛЕРОД, ГРАФИТ, ГРАФЕНИ, НАНОТРЪБИ - ХИМИЯ - 2025

На алотропия на въглерод са различни физически форми сортови и свързване на техните атоми. Всеки от тях отговаря на твърдо вещество със собствени специални характеристики. Молекулно и структурно те се отличават една от друга. Има два основни типа на тези алотропи: кристални и аморфни.

Кристалните алотропи са тези, които имат повтарящ се модел на своите атоми в пространството. Междувременно в аморфните алотропи атомите са подредени безредовно, без да има два еднакви участъка в твърдото вещество. Така първите се нареждат, а вторите се разстройват.

Основни алотропи на въглерод. Източник: Йозеф Сивек

Сред кристалните са диамант (а) и графит (д) par excellence. На горното изображение се наблюдават различни структури, които имат общ аспект: те са съставени само от въглеродни атоми (черни сфери).

И сред аморфните алотропи имаме аморфния въглерод (b), който, както се вижда, структурата му е нарушен. Въпреки това, има много видове аморфни въглероди, така че това е семейство от твърди частици.

Също така, въглеродните атоми могат да образуват супрамолекули, като фулерени (с) и нанотръби (d). Тези супрамолекули могат да варират по размер и форма, но запазват същите геометрии; сферични и тръбни съответно за фулерени и нанотръби.

Ковалентни връзки на въглерод

Преди да се обърнем към някои от известните алотропи на въглерода, е необходимо да се направи преглед как се свързват въглеродните атоми.

Според теорията за валентната връзка въглеродът има четири електрона във валентната си обвивка, с които те образуват ковалентни връзки. Благодарение на електронната промоция и хибридизация, четирите електрона могат да бъдат поставени в четири отделни орбитали, били те чисти или хибридни.

Следователно въглеродът има способността да образува до максимум четири връзки.

DC. С четири CC връзки атомите достигат валентния октет и те стават много стабилни. Това обаче не означава, че не може да има само три от тези връзки, като тези, които се виждат в шестоъгълници.

шестоъгълници

В зависимост от хибридизациите на въглеродния атом могат да се намерят двойни или тройни връзки в структурата на съответните им алотропи. Но дори по-очевидна от съществуването на такива връзки е геометрията, която въглеродите възприемат.

Например, ако се наблюдава шестоъгълник, това означава, че въглеродните атоми имат SP ² хибридизация и следователно имат чист р орбитала с единично електрон. Можете ли да видите перфектни шестоъгълници на първото изображение? Тези алотропи, които ги съдържат, предполагат, че въглеродните им групи са sp ², независимо дали има или не двойни връзки (като тези на бензолния пръстен).

Мрежест, равнинен или шестоъгълен слой след това се състои от sp ² въглерода, които имат електронен „покрив“ или „облак“, продукт на несдвоения електрон на p орбиталата. Този електрон може да образува ковалентни връзки с други молекули или да привлича положителните заряди на металните йони; като тези на K ⁺ и Na ⁺.

По същия начин тези електрони позволяват на тези обвивки да се подреждат един върху друг, без да се свързват (поради геометрично и пространствено препятствие на припокриването на двете p орбитали). Това означава, че алотропи с шестоъгълна геометрия могат или не могат да бъдат поръчани за изграждане на кристал.

тетраедрите

Ако се наблюдава тетраедър, както ще бъде обяснено в последния раздел, това означава, че въглеродните атоми имат SP ³ хибридизация. В тях има четири прости CC връзки и те образуват тетраедрична кристална решетка. В такива тетраедри няма свободни електрони, както има в шестоъгълници.

Аморфен въглерод

Парчета въглища, представителни за аморфния въглерод. Източник: Pxhere.

Аморфният въглерод може да бъде представен като вид пореста гъба, с много произволно подредени шестоъгълни и тетраедрични мрежи. В тази минерална матрица те могат да улавят други елементи, които могат да уплътнят или разширят спонжа; и по същия начин неговите структурни ядра могат да бъдат по-големи или по-малки.

По този начин, в зависимост от% въглерод, се получават различни видове аморфни въглероди; като сажди, въглен, антрацит, сажди, торф, кокс и активен въглен.

На пръв поглед всички те изглеждат отдалечено (горното изображение), с градации до ръба на черния, тъп или метален и сивкав нюанс.

Не всички аморфни въглероди имат същия произход. Растителният въглерод, както показва името му, е продукт на изгарянето на растителни маси и дърва. Докато саждите и коксът са продукти на различни етапи и условия на нефтени процеси.

Въпреки че не изглеждат много привлекателни и може да се вярва, че те служат само като гориво, порьозността на техните твърди частици привлича вниманието в приложенията за технологично пречистване, като абсорбенти и съхранение на вещества, а също и като каталитични носители.

Politypism

Структурите на аморфните въглероди са сложни и неуредични; Кристалографските проучвания обаче показват, че те всъщност представляват тетраедрични (диамантени) и шестоъгълни (графитни) политипи, подредени произволно на слоеве.

Например, ако Т и Н са съответно тетраедричният и шестоъгълният слой, тогава аморфният въглерод може да бъде структурно описан като: THTHHTH; или HTHTTHTHHHT и т.н. Някои T и H последователности на слоя определят вид аморфен въглерод; но в тях няма повтаряща се тенденция или модел.

Поради тази причина е структурно трудно да се характеризират тези въглеродни алотропи; и вместо това, неговият% въглерод е предпочитан, което е променлива, която улеснява различията му, както и физическите му свойства и склонността му да гори или изгаря.

Функционални групи

Беше споменато, че шестоъгълните равнини имат неспарен електрон, с който той може да образува връзка с други молекули или атоми. Ако, да речем, околните молекули са Н ₂ О и СО ₂, ОН и СООН групи може да се очаква да е форма, съответно. Те също могат да се свързват с водородни атоми, образувайки СН връзки.

Възможностите са много разнообразни, но в обобщение аморфните въглеродни емисии могат да бъдат домакини на кислородни функционални групи. Когато присъстват тези хетероатоми, те са не само разположени в краищата на равнините, но също така и дори вътре в тях.

графит

Кристална структура на шестоъгълни слоеве графит. Източник: MartinThoma.

Горното изображение показва модел със сфери и струни от кристалната структура на графита. Сенките на сферите, за щастие, помагат да се визуализира π облачният продукт от делокализацията на техните несдвоени електрони. Това беше споменато в първия раздел, без толкова много подробности.

Тези π облаци могат да бъдат сравнени с две системи: тази на бензолните пръстени и тази на „електронните морета“ в метални кристали.

Р орбиталите се присъединяват една към друга, за да изградят писта, по която електрони пътуват свободно; но само между два шестоъгълни слоя; перпендикулярно на тях няма поток от електрони или ток (електроните трябва да преминат през въглеродните атоми).

Тъй като има постоянна миграция на електрони, непрекъснато се образуват мигновни диполи, които индуцират други диполи на въглеродни атоми, които са над или под; тоест слоевете или листовете от графит остават обединени благодарение на лондонските дисперсионни сили.

Тези шестоъгълни слоеве, както може да се очаква, създават шестоъгълен графитен кристал; или по-скоро поредица от малки кристали, свързани под различни ъгли. Π облаците се държат така, сякаш са „електрическо масло“, позволявайки на слоевете да се плъзгат преди всякакви външни смущения върху кристалите.

Физични свойства

Физическите свойства на графита са лесни за разбиране, след като се обърне внимание на молекулярната му структура.

Например, точката на топене на графита е много висока (по-висока от 4400ºC), тъй като енергията, доставена под формата на топлина, трябва необратимо да раздели шестоъгълните слоеве, а също и да разруши техните шестоъгълници.

Току-що беше казано, че слоевете им могат да се плъзгат един върху друг; И не само, но те могат да се окажат и на други повърхности, като например целулозата, която съставя хартията, когато се депозира от графита на моливите. Това свойство позволява на графита да действа като отличен лубрикант.

И вече споменахме, че е добър проводник на електричество, а също и на топлина и звук.

графени

Графенов лист без двойни връзки. Източник: Jynto

Въпреки че не е показан на първото изображение, този въглероден алотроп не може да бъде пропуснат. Да предположим, че слоевете графит са хванати и кондензирани в един лист, отворени и покриващи голяма площ. Ако това се направи молекулярно, ще се родят графени (горно изображение).

И така, графените са индивидуален графитен лист, който не взаимодейства с другите и който може да се развява като флаг. Обърнете внимание, че тя прилича на стените на пчелните пита.

Тези графенови листове запазват и умножават свойствата на графита. Неговите шестоъгълници са много трудни за разделяне, така че те представляват неестествена механична устойчивост; дори по-висока от стоманата. Освен това те са изключително леки и тънки и теоретично един грам от тях би бил достатъчен, за да покрие цялото футболно игрище.

Ако отново погледнете горното изображение, можете да видите, че няма двойни връзки. Със сигурност може да има такива, както и тройни връзки (графити). Тук, например, се отваря химията на графена.

Подобно на графита и другите шестоъгълни слоеве, други молекули могат ковалентно да се свързват с повърхността на графен, функционализирайки структурата му за електронни и биологични приложения.

Въглеродни нанотръби

Трите вида въглеродни нанотръби. Източник: Mstroeck чрез Wikipedia.

Сега да предположим, че грабнахме графеновите листове и започнахме да ги навиваме в тръба; Това са въглеродни нанотръби. Дължините и радиусът на тези тръби са променливи, както и техните пространствени съответствия. Заедно с графен и фулерени, тези нанотръби съставят триадата от най-невероятните въглеродни алотропи.

Структурни съответствия

В горното изображение са показани три въглеродни нанотръби. Каква е разликата между тях? И трите имат шестоъгълни шарени стени и проявяват същите повърхностни свойства, които вече бяха обсъдени. Тогава отговорът се крие в относителните ориентации на тези шестоъгълници.

Първата конформация съответства на типа зигзаг (горен десен ъгъл). Ако внимателно се наблюдава, ще бъде оценено, че има редове от шестоъгълници, разположени перфектно перпендикулярно на надлъжната ос на тръбата.

За разлика от това, за конформация тип кресло (долния десен ъгъл) шестоъгълниците са подредени в редове в същата посока като надлъжната ос на тръбата. В първата нанотръба шестоъгълниците се движат по повърхността в смисъла на нейния диаметър, а във втората нанотръба се движат по повърхността, от "край до край".

И накрая, там е хиралната нанотръба (долния ляв ъгъл). Сравнете със спирално стълбище, което отива наляво или надясно. Същото се случва и с тази въглеродна нанотръба: нейните шестоъгълници са разположени възходящо вляво или вдясно. Тъй като има две пространствени версии, тогава се казва, че проявява хиралност.

фулерените

C60 молекула фулерен. Източник: Benjah-bmm27.

При фулерените шестоъгълниците все още се поддържат, но в допълнение се появяват петоъгълниците, всички с sp ² карбони. Листовете или слоевете вече са оставени след себе си: сега те са сгънати по такъв начин, че да образуват топка, подобна на футболна топка; и в зависимост от броя на въглерода, до топка за ръгби.

Фулерените са молекули, които се различават по размер. Най-известният е C ₆₀ (горно изображение). Тези въглеродни алотропи трябва да се третират като балони, които могат да се свият заедно, за да образуват кристали, в които йони и други молекули могат да бъдат хванати в техните вътрешности.

Тези топчета са специални носители или опори за молекули. Как? Чрез ковалентните връзки към повърхността му, особено към съседните въглеродни шестоъгълници. След това се казва, че фулеренът е функционализиран (екзоедричен аддукт).

Стените му могат да бъдат стратегически счупени, за да съхраняват молекули вътре; наподобяващи сферична капсула. По същия начин тези топчета могат да имат пукнатини и да се функционализират едновременно; всичко ще зависи от приложението, към което са предназначени.

Кубична кристална структура на диамант. Източник: GYassineMrabetTalk✉Тази структура е създадена с PyMOL., И накрая, най-известният от всички алотропи на въглерода: диамант (въпреки че не всички са въглерод).

Структурно той се състои от sp ³ въглеродни атоми, образуващи четири CC връзки и триизмерна мрежа от тетраедри (горно изображение), чиято кристална клетка е кубична. Той е най-трудният от минералите и точката на топене му е близо до 4000ºC.

Техните тетраедри са в състояние да предават топлина ефективно в цялата кристална решетка; но не е така с електричеството, защото неговите електрони са много добре разположени в четирите си ковалентни връзки и не могат да отидат никъде. Следователно, той е добър топлопроводник, но е електрически изолатор.

В зависимост от това как е фасетиран, той може да разпръсква светлина под много ярки и атрактивни ъгли, поради което те са пожелани като скъпоценни камъни и бижута.

Мрежата е много устойчива, защото ще се нуждае от голям натиск, за да премести своите тетраедри. Това свойство го прави материал с висока механична устойчивост и твърдост, способен да прави прецизни и чисти разрези, както при скалпела с диамантен връх.

Цветовете им зависят от кристалографските им дефекти и от примесите им.

Препратки

1. Шивър и Аткинс. (2008 г.). Неорганична химия. (Четвърто издание). Mc Graw Hill.
2. Méndez Medrano, Ma. Guadalupe, Rosu, HC, Torres González, LA (2012). Графен: Най-обещаващият алотроп на въглерода. Закон за университета. об. 22, бр. 3, април-май, 2012 г., стр. 20-23, Университет на Гуанахуато, Гуанахуато, Мексико.
3. IES La Magdalena. Авилес. Астурия. (SF). Алотропни форми на въглерод., Възстановено от: fisquiweb.es
4. Wikipedia. (2019). Въглеродни алотропи. Възстановено от: es.wikipedia.org
5. Седерберг Дейвид. (SF). Алотропи на въглерод. Възстановено от: web.ics.purdue.edu
6. Седерберг, Д. (2009). Алотропи на въглерод: Всичко е по начина, по който сте взети заедно. Възстановено от: physics.purdue.edu
7. Хирш А. (2010). Ерата на въглеродните алотропи. Катедра по химия и фармация и интердисциплинарен център по молекулярни материали (ICMM), Университет Фридрих-Александър Ерланген-Нюрнберг, Henkestrasse 42, 91054 Ерланген, Германия.
8. Съветът на регентите на системата на Университета на Уисконсин. (2013). Нанотрубки и други форми на въглерод. Възстановена от: chemistry.beloit.edu
9. Кларк Джим. (2012 г.). Гигантски ковалентни структури. Възстановено от: chemguide.co.uk