ALOTROPI UGLJIKA: AMORFNI UGLJIK, GRAFIT, GRAFEN, NANOCJEVČICE - KEMIJA

U allotropes ugljika različiti fizički oblici redanje i vezuju njihovih atoma. Svaki od njih odgovara krutini sa svojim posebnim osobinama. Molekularno i strukturno se međusobno razlikuju. Postoje dvije glavne vrste ovih alotropa: kristalni i amorfni.

Kristalni alotropi su oni koji imaju ponavljajući obrazac svojih atoma u prostoru. U međuvremenu, u amorfnim alotropima atomi su raspoređeni neredovito, bez postojanja dvije identične regije u krutini. Tako su prvi naređeni, a drugi neuredni.

Glavni alotropi ugljika. Izvor: Jozef Sivek

Među kristalnim su dijamant (a) i grafit (e) par excellence. Na gornjoj slici opažaju različite strukture koje imaju zajednički aspekt: sastoje se samo od ugljikovih atoma (crne sfere).

A među amorfnim alotropima imamo i amorfni ugljik (b), koji je, kao što se vidi, po svojoj strukturi neuredan. Međutim, postoji mnogo vrsta amorfnog ugljika, pa je to obitelj krutih tvari.

Također, ugljikovi atomi mogu tvoriti supramolekule, poput fullerena (c) i nanocjevčica (d). Te supramolekule mogu se razlikovati u veličini i obliku, ali zadržavaju iste geometrije; sferične i cjevaste za fulerene i nanocjevčice.

Kovalentne veze ugljika

Prije nego što se pozabavimo nekim poznatim alotropima ugljika, potrebno je pregledati način vezanja atoma ugljika.

Prema teoriji valentne veze, ugljik ima četiri elektrona u svojoj valentnoj ljusci, s kojima tvore kovalentne veze. Zahvaljujući elektroničkoj promociji i hibridizaciji, četiri se elektrona mogu smjestiti u četiri odvojene orbitale, bilo da su čiste ili hibridne.

Stoga ugljik ima mogućnost formiranja do najviše četiri veze.

DC. Sa četiri CC veze, atomi dosežu vatenski oktet i oni postaju vrlo stabilni. Međutim, to ne znači da ne mogu biti samo tri ove poveznice, poput onih koje se vide u šesterokutima.

hexagons

Ovisno o hibridizaciji ugljikovog atoma, u strukturi njihovih alotropa mogu se naći dvostruke ili trostruke veze. Ali, još očiglednija od postojanja takvih veza, jest geometrija koju karboni usvajaju.

Na primjer, ako se promatra šesterokuta, to znači da su ugljici sp ² hibridizacije i stoga imaju čisti p orbitalni s usamljenog elektrona. Možete li vidjeti savršene šesterokut na prvoj slici? Oni koji ih sadrže allotropes podrazumijevaju da su im ugljika su sp ², da li ili ne postoje dvostruke veze (kao što su oni iz benzenskog prstena).

Sito, zrakoplov ili šesterokutna sloj sastoji od sp ² atoma ugljika koji imaju elektronički „krov” ili „oblak”, proizvod iz nesparen elektron iz orbitalnog p. Ovaj elektron može tvoriti kovalentne veze s drugim molekulama ili privlačiti pozitivne naboje metalnih iona; poput onih K ⁺ i Na ⁺.

Isto tako, ovi elektroni omogućuju da se ove ljuske slože jedna na drugu, bez vezivanja (zbog geometrijske i prostorne prepreke preklapanju dviju p orbitala). To znači da alotropi sa šesterokutnom geometrijom mogu ili ne moraju narediti izgradnju kristala.

tetraedri

Ako se promatra tetraedar, kao što će biti objašnjeno u prošlom dijelu, to znači da su ugljikovi atomi imaju sp ³ hibridizacije. U njima su četiri jednostavne CC veze i tvore tetraedarsku kristalnu rešetku. U takvim tetraedrama nema slobodnih elektrona kao u šesterokutima.

Amorfni ugljik

Komadići ugljena, reprezentativni za amorfni ugljik. Izvor: Pxhere.

Amorfni ugljik se može zamisliti kao vrsta porozne spužve, s puno proizvoljno raspoređenih šesterokutnih i tetraedarskih mreža. U ovoj mineralnoj matrici mogu se zarobiti ostali elementi, koji mogu složiti ili proširiti spomenutu spužvu; a na isti način njegove strukturne jezgre mogu biti veće ili manje.

Dakle, ovisno o% ugljika, dobivaju se različite vrste amorfnih ugljika; poput čađe, ugljena, antracita, čađe, treseta, koksa i aktivnog ugljena.

Na prvi pogled, svi izgledaju na daljinu slično (gornja slika), s gradacijama do ruba crne, prigušene ili metalne i sivkastog tona.

Nisu svi amorfni ugljikovi istog podrijetla. Ugljen biljni, kako mu samo ime govori, proizvod je izgaranja biljnih masa i drva. Dok su čađa i koks proizvodi različitih stupnjeva i uvjeta naftnih procesa.

Iako se ne čine vrlo privlačnim i može se vjerovati da služe samo kao gorivo, poroznosti njihovih krutih tvari privlače pažnju u primjenama tehnološkog pročišćavanja, kao apsorpteri i skladištenje tvari, a također i kao katalitički nosači.

Politypism

Strukture amorfnih ugljika su složene i neuredne; Međutim, kristalografske studije pokazale su da su zapravo tetraedarski (dijamantski) i šesterokutni (grafitni) politip, raspoređeni proizvoljno u slojevima.

Na primjer, ako su T i H tetraedarski i šesterokutni slojevi, tada se amorfni ugljik može strukturno opisati kao: THTHHTH; ili HTHTTHTHHHT, itd. Određeni nizovi slojeva T i H definiraju vrstu amorfnog ugljika; ali u njima ne postoji ponavljajući trend ili uzorak.

Iz tog razloga je strukturno teško okarakterizirati ove ugljične aitrotrope; i umjesto toga, preferira se njegov% ugljika, što je varijabla koja olakšava njegove razlike, kao i njegova fizička svojstva i sklonost izgaranju ili izgaranju.

Funkcionalne skupine

Spomenuto je da šesterokutne ravnine imaju nespareni elektron s kojim može formirati vezu s drugim molekulama ili atomima. Ako, recimo, okolne molekule H ₂ O i CO ₂, OH i COOH skupina može se očekivati da će oblik, pojedinačno. Također se mogu vezati za atome vodika, tvoreći CH veze.

Mogućnosti su vrlo raznolike, ali ukratko, amorfni ugljikovi mogu ugostiti oksigenirane funkcionalne skupine. Kad su ovi heteroatomi prisutni, oni se ne nalaze samo na rubovima ravnina, već i čak i unutar njih.

Grafit

Kristalna struktura šesterokutnih slojeva grafita. Izvor: MartinThoma.

Gornja slika prikazuje model sa sferama i žicama kristalne strukture grafita. Sjene sfere, srećom, pomažu u vizualizaciji π produkta oblaka delokalizacije njihovih nesparenih elektrona. To je spomenuto u prvom odjeljku, bez toliko mnogo detalja.

Ovi π oblaci mogu se usporediti s dva sustava: onom benzenskih prstenova i onim „elektronskih mora“ u metalnim kristalima.

P orbitale se međusobno spajaju kako bi izgradile stazu kojom elektroni slobodno putuju; ali samo između dva šesterokutna sloja; okomito na njih, nema protoka elektrona ili struje (elektroni bi morali proći kroz ugljikove atome).

Kako postoji stalna migracija elektrona, neprestano se formiraju dipoli koji induciraju druge dipole ugljikovih atoma koji su iznad ili ispod; to jest, slojevi ili listovi grafita ostaju sjedinjeni zahvaljujući londonskim disperzijskim silama.

Kao što se može očekivati, ovi šesterokutni slojevi stvaraju šesterokutni grafitni kristal; točnije niz malih kristala povezanih pod različitim kutovima. Oblaci se ponašaju kao da su "električni maslac", dopuštajući slojevima da klize prije bilo kakvih vanjskih poremećaja na kristalima.

Fizička svojstva

Fizikalna svojstva grafita lako su razumljiva nakon što je riješena njegova molekularna struktura.

Na primjer, talište grafita je vrlo veliko (veće od 4400ºC), jer energija koja se daje u obliku topline mora nepovratno odvojiti šesterokutne slojeve, a također razbiti njihove šesterokutnike.

Upravo je rečeno da njihovi slojevi mogu kliznuti jedan o drugome; I ne samo to, već mogu završiti i na drugim površinama, poput celuloze koja čini papir kad se taloži iz grafita olovaka. Ovo svojstvo omogućava da grafit djeluje kao izvrsno mazivo.

I, već spomenuto, dobar je provodnik električne energije, a također i topline i zvuka.

Graphenes

Grafenski list bez dvostrukih veza. Izvor: Jynto

Iako nije prikazan na prvoj slici, ovaj alotrop ugljika nije moguće izostaviti. Pretpostavimo da su slojevi grafita stezani i kondenzirani u jedan list, otvoreni i pokrivajući veliko područje. Da se to učini molekularno, nastali bi grafen (gornja slika).

Dakle, grafen je pojedinačni grafički list, koji ne komunicira s drugima i koji može mahati poput zastave. Imajte na umu da nalikuje zidovima saća.

Ovi grafenski listovi čuvaju i umnožavaju svojstva grafita. Njene šesterokutnike je vrlo teško odvojiti, pa predstavljaju pogrješnu mehaničku otpornost; čak viši od čelika. Osim toga, izuzetno su lagani i tanki, a teoretski bi im jedan gram bio dovoljan da pokrije čitav nogometni teren.

Ako ponovo pogledate gornju sliku, možete vidjeti da nema dvostrukih veza. Sigurno ih ima, kao i trostruke veze (grafini). Recimo, ovdje se otvara kemija grafena.

Kao i grafit i ostali šesterokutni slojevi, i druge se molekule mogu kovalentno vezati na površinu grafena, funkcionirajući njegovu strukturu za elektroničku i biološku primjenu.

Ugljične nanocjevčice

Tri vrste ugljikovih nanocjevčica. Izvor: Mstroeck putem Wikipedije.

Pretpostavimo sada da smo uzeli grafenske plahte i počeli ih valjati u cijev; To su ugljikove nanocjevčice. Duljina i polumjer ovih cijevi su promjenjivi, kao i njihovi prostorni uskladi. Zajedno s grafenom i fulerenima, ove nanocjevčice čine trijadu najnevjerovatnijih alotropa ugljika.

Strukturne usklađenosti

Na gornjoj slici prikazane su tri ugljikove nanocjevčice. Koja je razlika između njih? Sva tri imaju šesterokutne uzorke i pokazuju ista površinska svojstva koja su već bila razmatrana. Odgovor se tada krije u relativnim orijentacijama ovih šesterokuta.

Prva konformacija odgovara cik-cak vrsti (gornji desni kut). Ako se pažljivo promatra, shvatit će se da ima redove šesterokuta koji su postavljeni savršeno okomito na uzdužnu os cijevi.

Suprotno tome, za konstrukciju tipa fotelje (donji desni kut), šesterokut je raspoređen u redovima u istom smjeru kao i uzdužna os cijevi. U prvoj nanocjevčici šesterokutnici se kreću po površini u smislu njezinog promjera, a u drugoj nanocjevčica se kreću duž površine, od "do kraja".

I na kraju, tu je kiralna nanocjevčica (donji lijevi kut). Usporedite sa spiralnim stubištem koje ide lijevo ili desno. Isto se događa s ovom ugljičnom nanocjevčicom: njeni šesterokutni slojevi se nalaze uzlazno prema lijevoj ili desnoj strani. Kako postoje dvije prostorne verzije, tada se kaže da pokazuje hiralnost.

fulerena

C60 molekula pulerena. Izvor: Benjah-bmm27.

U fulerenima se šesterokut i dalje održava, ali osim toga pojavljuju se i pentagoni, svi sa sp ² karbona. Listovi ili slojevi već su ostavljeni: sada su presavijeni na način da formiraju loptu, sličnu nogometnoj lopti; a ovisno o broju ugljika, do lopte za ragbi.

Fulereni su molekule koje se razlikuju u veličini. Najpoznatiji je C ₆₀ (gornja slika). Te alotrope ugljika treba tretirati kao balone, koji se mogu stisnuti zajedno u kristale, u koje ioni i ostale molekule mogu biti zarobljeni unutar njihovih međuprostora.

Ove kuglice su posebni nosači ili nosači molekula. Kako? Kroz kovalentne veze, posebno, na susjedne ugljenike šesterokuta. Kaže se da je fuleren funkcionaliziran (egzoedarski adukt).

Njegovi se zidovi mogu strateški slomiti da bi se u njoj molekulski skladištili; nalik sferičnoj kapsuli. Isto tako, ove kuglice mogu imati pukotine i istovremeno ih se može funkcionalizirati; sve će ovisiti o aplikaciji kojoj su namijenjeni.

Kubična kristalna struktura dijamanta. Izvor: GYassineMrabetTalk✉Ova struktura stvorena je s PyMOL-om., I na kraju, najpoznatiji od svih alotropa ugljika: dijamant (iako nisu svi ugljik).

Strukturno, sastoji se od sp ³ atoma ugljika, tvore četiri CC veze i trodimenzionalnu mrežu tetraedara (gornje slike) čiji kristalni stanica kubični. Od minerala je najteži, a talište mu je blizu 4000 ° C.

Njihovi tetraedri su u stanju učinkovito prenijeti toplinu kroz kristalnu rešetku; ali nije tako sa električnom energijom, jer su njeni elektroni vrlo dobro smješteni u svoje četiri kovalentne veze i ne mogu nigdje ići. Dakle, dobar je toplinski vodič, ali je električni izolator.

Ovisno o tome kako je fasetiran, može raspršiti svjetlost pod mnogim svijetlim i atraktivnim kutovima, zbog čega ih žude za draguljima i nakitom.

Mreža je vrlo otporna, jer bi joj bilo potrebno mnogo pritiska da bi preselio svoje tetraedre. Ovo svojstvo ga čini materijalom visoke mehaničke otpornosti i tvrdoće, sposobnim za precizne i čiste rezove, kao što je to slučaj sa skalpelom s dijamantskim vrhom.

Njihove boje ovise o njihovim kristalografskim oštećenjima i nečistoći.

Reference

Shiver & Atkins. (2008). Neorganska kemija. (Četvrto izdanje). Mc Graw Hill.
Méndez Medrano, Ma. Guadalupe, Rosu, HC, Torres González, LA (2012). Grafen: Alotrop koji najviše obećava. Sveučilišni akt. vol. 22, br. 3, travanj-svibanj 2012., str. 20-23, Sveučilište Guanajuato, Guanajuato, Meksiko.
IES La Magdalena. Aviles. Asturias. (SF). Alotropni oblici ugljika., Oporavak od: fisquiweb.es
Wikipedia. (2019). Alotropi ugljika. Oporavilo sa: es.wikipedia.org
Sederberg David. (SF). Alotropi od ugljika. Oporavak od: web.ics.purdue.edu
Sederberg, D. (2009). Alotropi ugljika: Sve je u načinu na koji ste sastavljeni. Oporavak od: physics.purdue.edu
Hirsh A. (2010). Doba alotropa ugljika. Odjel za kemiju i farmaciju i interdisciplinarni centar za molekularne materijale (ICMM), Sveučilište Friedrich-Alexander Erlangen-Nuremberg, Henkestrasse 42, 91054 Erlangen, Njemačka.
Upravni odbor Sveučilišta u Wisconsinu. (2013). Nanocevke i drugi oblici ugljika. Oporavak od: chemistry.beloit.edu
Clark Jim. (2012). Divovske kovalentne strukture. Oporavak od: chemguide.co.uk

ALOTROPI UGLJIKA: AMORFNI UGLJIK, GRAFIT, GRAFEN, NANOCJEVČICE - KEMIJA - 2025