ALOTROPY WĘGLA: WĘGIEL AMORFICZNY, GRAFIT, GRAFENY, NANORURKI - CHEMIA

W allotropes węgla są różne fizyczne postacie Sortable i wiązania ich atomów. Każdy z nich odpowiada bryle o specjalnych cechach. Różnią się one od siebie pod względem molekularnym i strukturalnym. Istnieją dwa główne typy tych alotropów: krystaliczne i bezpostaciowe.

Krystaliczne alotropy to te, które mają powtarzający się wzór atomów w przestrzeni. Tymczasem w amorficznych alotropach atomy są rozmieszczone nieuporządkowany, bez dwóch identycznych regionów w ciele stałym. Więc pierwsze są uporządkowane, a drugie nieuporządkowane.

Główne alotropy węgla. Źródło: Jozef Sivek

Wśród krystalicznych są diament (a) i grafit (e) par excellence. Na górnym obrazie widać różne struktury, które mają wspólny aspekt: składają się tylko z atomów węgla (czarne kulki).

A wśród amorficznych alotropów mamy węgiel amorficzny (b), który, jak widać, ma nieuporządkowaną strukturę. Jednak istnieje wiele rodzajów węgli amorficznych, więc jest to rodzina ciał stałych.

Ponadto atomy węgla mogą tworzyć supramolekuły, takie jak fulereny (c) i nanorurki (d). Te supramolekuły mogą różnić się rozmiarem i kształtem, ale zachowują tę samą geometrię; sferyczne i rurowe odpowiednio dla fulerenów i nanorurek.

Wiązania kowalencyjne węgla

Zanim zajmiemy się niektórymi ze znanych alotropów węgla, konieczne jest przeanalizowanie, jak atomy węgla są połączone.

Zgodnie z teorią wiązań walencyjnych węgiel ma cztery elektrony w swojej powłoce walencyjnej, z którymi tworzą wiązania kowalencyjne. Dzięki elektronicznej promocji i hybrydyzacji cztery elektrony można umieścić na czterech oddzielnych orbitaliach, czy to czystych, czy hybrydowych.

Dlatego węgiel ma zdolność tworzenia maksymalnie czterech wiązań.

DC. Przy czterech wiązaniach CC atomy osiągają oktet walencyjny i stają się bardzo stabilne. Nie oznacza to jednak, że nie mogą istnieć tylko trzy takie linki, takie jak te widoczne w sześciokątach.

Sześciokąty

W zależności od hybrydyzacji atomu węgla, podwójne lub potrójne wiązania można znaleźć w strukturze ich odpowiednich alotropów. Ale nawet bardziej oczywista niż istnienie takich wiązań jest geometria, którą przyjmują węgle.

Na przykład, jeśli obserwuje się sześciokąt, oznacza to, że węgle mają hybrydyzację sp ^2, a zatem mają czysty orbital p z samotnym elektronem. Czy na pierwszym obrazie widać idealne sześciokąty? Te alotropy, które je zawierają, sugerują, że ich węgle są sp ² , niezależnie od tego, czy występują wiązania podwójne (takie jak te w pierścieniu benzenowym).

Siatkowa, płaska lub heksagonalna warstwa składa się zatem z atomów węgla sp ^2, które mają elektroniczny „dach” lub „chmurę”, produkt niesparowanego elektronu orbity p. Ten elektron może tworzyć wiązania kowalencyjne z innymi cząsteczkami lub przyciągać dodatnie ładunki jonów metali; jak te z K ⁺ i Na ⁺ .

Ponadto te elektrony pozwalają tym powłokom układać się jedna na drugiej, bez wiązania (ze względu na geometryczną i przestrzenną przeszkodę w nakładaniu się dwóch orbitali p). Oznacza to, że alotropy o sześciokątnych geometriach mogą, ale nie muszą, zostać zamówione do budowy kryształu.

Czworościany

Jeżeli obserwuje się Tetrahedron, jak to zostanie opisane w poprzedniej sekcji, oznacza to, że węgle mają sp ³ hybrydyzacji . Są w nich cztery proste wiązania CC, które tworzą czworościenną sieć krystaliczną. W takich czworościanach nie ma wolnych elektronów, jak w sześciokątach.

Węgiel amorficzny

Kawałki węgla, reprezentatywny dla węgla amorficznego. Źródło: Pxhere.

Amorficzny węgiel można sobie wyobrazić jako rodzaj porowatej gąbki z wieloma arbitralnie ułożonymi sieciami heksagonalnymi i czworościennymi. W tej mineralnej matrycy mogą uwięzić inne elementy, które mogą zagęścić lub rozszerzyć wspomnianą gąbkę; w ten sam sposób jego jądra strukturalne mogą być większe lub mniejsze.

Tak więc, w zależności od% węgla, otrzymywane są różne typy amorficznych węgli; takie jak sadza, węgiel drzewny, antracyt, sadza, torf, koks i węgiel aktywny.

Na pierwszy rzut oka wszystkie wyglądają podobnie (górne zdjęcie), z gradacjami do krawędzi czarnych, matowych lub metalicznych i szarawych odcieni.

Nie wszystkie amorficzne węgle mają to samo pochodzenie. Węgiel roślinny, jak sama nazwa wskazuje, jest produktem spalania mas roślinnych i drewna. Natomiast sadza i koks to produkty na różnych etapach i warunkach procesów naftowych.

Chociaż nie wydają się one zbyt atrakcyjne i można sądzić, że służą jedynie jako paliwa, porowatość ich ciał stałych przyciąga uwagę w technologicznych zastosowaniach oczyszczania, jako absorbenty i magazynowanie substancji, a także jako nośniki katalityczne.

Politypizm

Struktury amorficznych węgli są złożone i nieuporządkowane; Jednak badania krystalograficzne wykazały, że w rzeczywistości są to poltypy czworościenne (diament) i heksagonalne (grafit), ułożone dowolnie w warstwach.

Na przykład, jeśli T i H są odpowiednio warstwami czworościenną i heksagonalną, wówczas węgiel amorficzny można strukturalnie opisać jako: THTHHTH; lub HTHTTHTHHHT itp. Pewne sekwencje warstw T i H definiują rodzaj amorficznego węgla; ale w nich nie ma powtarzalnego trendu ani wzoru.

Z tego powodu strukturalnie trudno jest scharakteryzować te alotropy węgla; a zamiast tego preferowany jest jego% węgla, który jest zmienną, która ułatwia jego różnice, a także jego właściwości fizyczne i skłonność do spalania lub spalania.

Grupy funkcjonalne

Wspomniano, że płaszczyzny heksagonalne mają niesparowany elektron, z którym może tworzyć wiązanie z innymi cząsteczkami lub atomami. Jeśli, powiedzmy, otaczającymi cząsteczkami są grupy H ₂ O i CO ₂ , OH i COOH, można oczekiwać, że utworzą się odpowiednio. Mogą również wiązać się z atomami wodoru, tworząc wiązania CH.

Możliwości są bardzo zróżnicowane, ale podsumowując, amorficzne węgle mogą zawierać utlenione grupy funkcyjne. Kiedy te heteroatomy są obecne, znajdują się nie tylko na krawędziach płaszczyzn, ale także, a nawet wewnątrz nich.

Grafit

Struktura krystaliczna heksagonalnych warstw grafitu. Źródło: MartinThoma.

Górny obraz przedstawia model z kulkami i struny o strukturze krystalicznej grafitu. Na szczęście cienie kul pomagają wizualizować chmury π będące produktem delokalizacji ich niesparowanych elektronów. Wspomniano o tym w pierwszej sekcji, bez tak wielu szczegółów.

Te chmury π można porównać do dwóch układów: pierścieni benzenowych i „mórz elektronowych” w metalicznych kryształach.

Orbitale p łączą się ze sobą, tworząc tor, na którym elektrony przemieszczają się swobodnie; ale tylko między dwiema sześciokątnymi warstwami; prostopadle do nich nie ma przepływu elektronów ani prądu (elektrony musiałyby przejść przez atomy węgla).

Ponieważ istnieje ciągła migracja elektronów, nieustannie powstają chwilowe dipole, które indukują inne dipole atomów węgla, które znajdują się powyżej lub poniżej; to znaczy, warstwy lub arkusze grafitu pozostają zjednoczone dzięki siłom dyspersji londyńskiej.

Te heksagonalne warstwy, jak można się było spodziewać, tworzą sześciokątny kryształ grafitu; a raczej szereg małych kryształów połączonych pod różnymi kątami. Chmury π zachowują się tak, jakby były „elektrycznym masłem”, pozwalając warstwom ślizgać się przed jakimikolwiek zewnętrznymi zaburzeniami na kryształach.

Właściwości fizyczne

Właściwości fizyczne grafitu są łatwe do zrozumienia po zbadaniu jego struktury molekularnej.

Przykładowo, temperatura topnienia grafitu jest bardzo wysoka (powyżej 4400ºC), ponieważ energia dostarczona w postaci ciepła musi nieodwracalnie rozdzielić warstwy heksagonalne, a także złamać ich sześciokąty.

Po prostu powiedziano, że ich warstwy mogą się ślizgać po sobie; I nie tylko, ale mogą również znaleźć się na innych powierzchniach, takich jak celuloza, z której składa się papier po osadzeniu się z grafitu ołówków. Ta właściwość pozwala grafitowi działać jako doskonały smar.

I, jak już wspomniano, jest dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego, a także ciepła i dźwięku.

Grafeny

Grafen bez podwójnych wiązań. Źródło: Jynto

Chociaż nie było to pokazane na pierwszym zdjęciu, tego alotropu węgla nie można pominąć. Załóżmy, że warstwy grafitu zostały uchwycone i skondensowane w jeden arkusz, otwarty i pokrywający duży obszar. Gdyby było to zrobione molekularnie, powstałyby grafeny (górne zdjęcie).

Tak więc grafeny to indywidualny arkusz grafitowy, który nie oddziałuje z innymi i który może falować jak flaga. Zwróć uwagę, że przypomina on ściany plastra miodu.

Te arkusze grafenowe zachowują i zwielokrotniają właściwości grafitu. Jej sześciokąty są bardzo trudne do rozdzielenia, więc mają fatalny opór mechaniczny; nawet wyższy niż stal. Do tego są niezwykle lekkie i cienkie, a teoretycznie jeden ich gram wystarczyłby na pokrycie całego boiska piłkarskiego.

Jeśli ponownie spojrzysz na górny obraz, zobaczysz, że nie ma podwójnych wiązań. Z pewnością mogą być takie, a także potrójne wiązania (graffiny). Powiedzmy, że to tutaj otwiera się chemia grafenu.

Podobnie jak grafit i inne warstwy heksagonalne, inne cząsteczki mogą wiązać się kowalencyjnie z powierzchnią grafenu, funkcjonalizując jego strukturę do zastosowań elektronicznych i biologicznych.

Nanorurki węglowe

Trzy rodzaje nanorurek węglowych. Źródło: Mstroeck za pośrednictwem Wikipedii.

Teraz przypuśćmy, że złapaliśmy arkusze grafenu i zaczęliśmy zwijać je w rurkę; To są nanorurki węglowe. Długości i promień tych rur są zmienne, podobnie jak ich konformacje przestrzenne. Wraz z grafenem i fulerenami te nanorurki tworzą triadę najbardziej niesamowitych alotropów węgla.

Konformacje strukturalne

Na górnym zdjęciu pokazano trzy nanorurki węglowe. Jaka jest różnica między nimi? Wszystkie trzy mają ściany ze wzorem sześciokątnym i wykazują te same właściwości powierzchni, które zostały już omówione. Odpowiedź leży więc we względnych orientacjach tych sześciokątów.

Pierwsza konformacja odpowiada typowi zygzaka (prawy górny róg). Jeśli uważnie się przyjrzy, należy zauważyć, że ma on rzędy sześciokątów ustawione idealnie prostopadle do podłużnej osi rury.

Natomiast w przypadku konformacji typu fotela (prawy dolny róg) sześciokąty są ułożone w rzędach w tym samym kierunku, co podłużna oś rury. W pierwszej nanorurce sześciokąty biegną po powierzchni w sensie jej średnicy, aw drugiej nanorurce biegną po powierzchni od „końca do końca”.

I wreszcie chiralna nanorurka (lewy dolny róg). Porównaj ze schodami spiralnymi prowadzącymi w lewo lub w prawo. To samo dzieje się z tą nanorurką węglową: jej sześciokąty są ułożone rosnąco w lewo lub w prawo. Ponieważ istnieją dwie wersje przestrzenne, mówi się wówczas, że wykazuje chiralność.

Fulereny

Cząsteczka fulerenu C60. Źródło: Benjah-bmm27.

W fulerenach sześciokąty są nadal zachowane, ale dodatkowo pojawiają się pięciokąty, wszystkie z atomami węgla sp ² . Arkusze lub warstwy są już pozostawione: teraz zostały złożone w taki sposób, że tworzą piłkę, podobnie jak piłka nożna; iw zależności od liczby węgli do piłki do rugby.

Fulereny to cząsteczki różniące się wielkością. Najbardziej znanym jest C ₆₀ (zdjęcie na górze). Te alotropy węgla powinny być traktowane jak balony, które mogą ścisnąć się razem, tworząc kryształy, w których jony i inne cząsteczki mogą zostać uwięzione w ich szczelinach.

Te kulki są specjalnymi nośnikami lub podporami dla cząsteczek. W jaki sposób? Poprzez wiązania kowalencyjne do jego powierzchni, zwłaszcza do sąsiednich węgli sześciokąta. Mówi się wtedy, że fuleren został sfunkcjonalizowany (addukt egzoedryczny).

Jego ściany można strategicznie rozbić, aby przechowywać cząsteczki w środku; przypominający sferyczną kapsułkę. Podobnie kulki te mogą mieć pęknięcia i jednocześnie być funkcjonalizowane; wszystko będzie zależało od aplikacji, do której są przeznaczone.

Sześcienna struktura krystaliczna diamentu. Źródło: GYassineMrabetTalk✉ Ta struktura została utworzona za pomocą PyMOL. .

I wreszcie najbardziej znany ze wszystkich alotropów węgla: diament (choć nie wszystkie są węglem).

Strukturalnie składa się z atomów węgla sp ³ , tworzących cztery wiązania CC i trójwymiarową sieć czworościanów (górne zdjęcie), których krystaliczna komórka jest sześcienna. Jest to najtwardszy z minerałów, a jego temperatura topnienia jest bliska 4000ºC.

Ich czworościany są w stanie skutecznie przenosić ciepło w całej sieci krystalicznej; ale nie w przypadku elektryczności, ponieważ jej elektrony są bardzo dobrze rozmieszczone w czterech wiązaniach kowalencyjnych i nigdzie nie mogą się dostać. Dlatego jest dobrym przewodnikiem ciepła, ale jest izolatorem elektrycznym.

W zależności od tego, jak jest fasetowany, może rozpraszać światło pod wieloma jasnymi i atrakcyjnymi kątami, dlatego są pożądane jako kamienie szlachetne i biżuteria.

Sieć jest bardzo odporna, ponieważ do poruszania jej czworościanów potrzebowałaby dużej presji. Ta właściwość sprawia, że jest to materiał o dużej wytrzymałości mechanicznej i twardości, zdolny do wykonywania precyzyjnych i czystych cięć, jak w przypadku skalpela z diamentową końcówką.

Ich kolory zależą od ich defektów krystalograficznych i zanieczyszczeń.

Bibliografia

Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Czwarta edycja). Mc Graw Hill.
Méndez Medrano, Ma. Guadalupe, Rosu, HC, Torres González, LA (2012). Grafen: najbardziej obiecujący alotrop węgla. Ustawa o uniwersytecie. vol. 22, nie. 3, kwiecień-maj 2012, s. 20-23, University of Guanajuato, Guanajuato, Meksyk.
IES La Magdalena. Aviles. Asturias. (sf). Alotropowe formy węgla. . Odzyskany z: fisquiweb.es
Wikipedia. (2019). Alotropy węgla. Odzyskane z: es.wikipedia.org
Sederberg David. (sf). Alotropy węgla. Odzyskany z: web.ics.purdue.edu
Sederberg, D. (2009). Alotropy węgla: wszystko zależy od sposobu, w jaki jesteś złożony. Odzyskane z: physics.purdue.edu
Hirsh A. (2010). Era alotropów węgla. Wydział Chemii i Farmacji oraz Interdyscyplinarne Centrum Materiałów Molekularnych (ICMM), Uniwersytet Friedricha-Aleksandra Erlangen-Norymberga, Henkestrasse 42, 91054 Erlangen, Niemcy.
Rada Regentów Uniwersytetu Wisconsin System. (2013). Nanorurki i inne formy węgla. Odzyskany z: chemistry.beloit.edu
Clark Jim. (2012). Gigantyczne struktury kowalencyjne. Źródło: chemguide.co.uk

ALOTROPY WĘGLA: WĘGIEL AMORFICZNY, GRAFIT, GRAFENY, NANORURKI - CHEMIA - 2026