WĘGIEL AMORFICZNY: RODZAJE, WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2026

Węgla amorficznego są dowolne struktury alotropowe wypełnione wad i nieprawidłowości molekularnych węgla. Termin alotrop odnosi się do pojedynczego pierwiastka chemicznego, takiego jak atom węgla, tworzącego różne struktury molekularne; niektóre krystaliczne, a inne, jak w tym przypadku, bezpostaciowe.

Węgiel amorficzny nie posiada długookresowej struktury krystalicznej, która charakteryzuje diament i grafit. Oznacza to, że wzór strukturalny pozostaje nieznacznie stały podczas oglądania obszarów bryły, które są bardzo blisko siebie; a kiedy są odlegli, ich różnice stają się widoczne.

Płonący węgiel drzewny. Źródło: Pixabay

Fizyczne i chemiczne właściwości lub właściwości węgla amorficznego również różnią się od właściwości grafitu i diamentu. Na przykład słynny węgiel drzewny, produkt spalania drewna (górne zdjęcie). To nie smaruje i nie jest błyszczące.

W naturze występuje kilka rodzajów węgla amorficznego i te odmiany można również otrzymać syntetycznie. Wśród różnych form węgla amorficznego są sadza, węgiel aktywny, sadza i węgiel drzewny.

Węgiel amorficzny ma ważne zastosowania w energetyce, a także w przemyśle tekstylnym i zdrowotnym.

Rodzaje węgla amorficznego

Istnieje kilka kryteriów ich klasyfikacji, takich jak pochodzenie, skład i struktura. Ta ostatnia zależy od związku między atomami węgla z hybrydyzacjami sp ² i sp ³ ; to znaczy te, które definiują odpowiednio płaszczyznę lub czworościan. Dlatego nieorganiczna (mineralogiczna) matryca tych ciał stałych może stać się bardzo złożona.

Zgodnie z jego pochodzeniem

Istnieje amorficzny węgiel pochodzenia naturalnego, ponieważ jest produktem utleniania i form rozkładu związków organicznych. Ten typ węgla obejmuje sadzę, węgiel i węgiel pochodzący z węglików.

Syntetyczny węgiel amorficzny jest wytwarzany technikami osadzania łuku katodowego i napylaniem katodowym. Syntetycznie wytwarzane są również amorficzne powłoki węglowe podobne do diamentów lub amorficzne powłoki węglowe.

Struktura

Amorficzny węgiel można również podzielić na trzy duże typy w zależności od proporcji obecnych wiązań sp ² lub sp ³ . Istnieje węgiel amorficzny, który należy do tak zwanego amorficznego węgla pierwiastkowego (aC), uwodornionego węgla amorficznego (aC: H) i tetraedrycznego węgla amorficznego (ta-C).

Amorficzny węgiel elementarny

Często w skrócie BC lub BC, zawiera węgiel aktywny i sadzę. Odmiany tej grupy uzyskuje się przez niepełne spalanie substancji zwierzęcych i roślinnych; to znaczy palą się ze stechiometrycznym niedoborem tlenu.

W swojej strukturze lub organizacji molekularnej mają większy udział wiązań sp ² . Można je sobie wyobrazić jako serię zgrupowanych płaszczyzn o różnych orientacjach w przestrzeni, będących produktem czworościennych atomów węgla, które tworzą niejednorodność całości.

Z nich zsyntetyzowano nanokompozyty z zastosowaniami elektronicznymi i rozwojem materiałów.

Uwodorniony węgiel amorficzny

W skrócie BC: H lub HAC. Należą do nich sadza, dym, wydobywany węgiel, taki jak bitum, i asfalt. Sadzę można łatwo rozróżnić, gdy wybuchnie pożar w górach w pobliżu miasta lub miasteczka, gdzie można ją zaobserwować w prądach powietrza, które niosą ją w postaci delikatnych czarnych liści.

Jak sama nazwa wskazuje, zawiera wodór, ale kowalencyjnie związany z atomami węgla, a nie typu molekularnego (H ₂ ). Oznacza to, że istnieją wiązania CH. Jeśli jedno z tych wiązań uwolni wodór, będzie to orbital z niesparowanym elektronem. Jeśli dwa z tych niesparowanych elektronów są bardzo blisko siebie, będą oddziaływać, powodując tak zwane wiszące wiązania.

Z tego typu uwodornionego węgla amorficznego uzyskuje się filmy lub powłoki o niższej twardości niż te wykonane z ta-C.

Tetraedryczny węgiel amorficzny

W skrócie ta-C, zwany także węglem podobnym do diamentu. Zawiera dużą ilość wiązań zhybrydyzowanych sp ³ .

Do tej klasyfikacji należą amorficzne filmy węglowe lub powłoki o amorficznej tetraedrycznej strukturze. Brakuje im wodoru, mają wysoką twardość, a wiele ich właściwości fizycznych jest podobnych do diamentu.

Molekularnie składa się z czworościennych atomów węgla, które nie mają wzoru strukturalnego o dużym zasięgu; podczas gdy w diamencie kolejność pozostaje stała w różnych obszarach kryształu. Ta-C może przedstawiać pewien porządek lub wzór charakterystyczny dla kryształu, ale tylko w krótkim zasięgu.

Kompozycja

Węgiel jest zorganizowany jako warstwy czarnej skały, zawierające inne pierwiastki, takie jak siarka, wodór, azot i tlen. Stąd powstają amorficzne węgle, takie jak węgiel, torf, antracyt i lignit. Antracyt to ten o najwyższym składzie węgla ze wszystkich.

Nieruchomości

Prawdziwy amorficzny węgiel ma zlokalizowane wiązania π z odchyleniami w odstępach międzyatomowych i zmiennością kąta wiązania. Ma hybrydyzowane wiązania sp ² i sp ³ , których stosunek zależy od typu amorficznego węgla.

Jego właściwości fizyczne i chemiczne są związane z jego organizacją molekularną i mikrostrukturą.

Generalnie ma właściwości charakteryzujące się wysoką stabilnością i dużą twardością mechaniczną, odpornością na ciepło i odporność na zużycie. Ponadto charakteryzuje się wysoką przezroczystością optyczną, niskim współczynnikiem tarcia oraz odpornością na różne czynniki korozyjne.

Węgiel amorficzny jest wrażliwy na działanie promieniowania, ma między innymi wysoką stabilność elektrochemiczną i przewodność elektryczną.

Aplikacje

Każdy z różnych typów węgla amorficznego ma swoje własne cechy lub właściwości i bardzo szczególne zastosowania.

Węgiel drzewny

Węgiel jest paliwem kopalnym, dlatego jest ważnym źródłem energii, która jest również wykorzystywana do wytwarzania energii elektrycznej. Oddziaływanie przemysłu węglowego na środowisko i jego wykorzystanie w elektrowniach jest dziś przedmiotem gorącej debaty.

Węgiel aktywowany

Przydaje się do selektywnej absorpcji lub filtracji zanieczyszczeń z wody pitnej, roztworów odbarwiających, a nawet może pochłaniać gazy siarkowe.

Sadza

Sadza jest szeroko stosowana do produkcji pigmentów, tuszy drukarskich i różnych farb. Ten węgiel ogólnie poprawia wytrzymałość i odporność elementów gumowych.

Jako wypełniacz w felgach czy oponach zwiększa ich odporność na zużycie oraz zabezpiecza materiały przed degradacją wywołaną działaniem promieni słonecznych.

Amorficzne filmy węglowe

Rośnie technologiczne zastosowanie amorficznych warstw węglowych lub powłok w różnych odmianach płaskich wyświetlaczy panelowych i mikroelektronice. Udział wiązań sp ² i sp ³ oznacza, że ​​amorficzne warstewki węglowe mają właściwości optyczne i mechaniczne o zmiennej gęstości i twardości.

Są one również wykorzystywane m.in. w powłokach antyrefleksyjnych, w powłokach do ochrony radiologicznej.

Bibliografia

1. Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Czwarta edycja). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2018). Węgiel amorficzny. Odzyskane z: en.wikipedia.org
3. Kouchi A. (2014) Amorficzny węgiel. W: Amils R. i in. (red.) Encyclopedia of Astrobiology. Springer, Berlin, Heidelberg.
4. Pycha. (21 maja 2012). Alotropowe formy węgla. Odzyskany z: quimicaorganica-mky-yamile.blogspot.com
5. Science Direct. (2019). Węgiel amorficzny. Odzyskany z: sciencedirect.com
6. Rubio-Roy, M., Corbella, C. and Bertran, E. (2011). Właściwości trybologiczne cienkich warstw fluorowanego amorficznego węgla. Odzyskany z: researchgate.net