АЛОТРОПИ ВУГЛЕЦЮ: АМОРФНИЙ ВУГЛЕЦЬ, ГРАФІТ, ГРАФЕНИ, НАНОТРУБКИ - ХІМІЯ - 2025

У алотропія вуглецю різні фізичні форм сортируемое і пов'язують їх атоми. Кожному відповідає тверда речовина зі своїми особливими характеристиками. Молекулярно і структурно вони відрізняються один від одного. Існує два основних типи цих алотропів: кристалічний та аморфний.

Кристалічні алотропи - це ті, що мають повторюваний малюнок своїх атомів у просторі. Тим часом, в аморфних алотропах атоми розташовані безладно, не маючи в твердому тілі двох однакових областей. Тож перші упорядковані, а другі невпорядковані.

Основні алотропи вуглецю. Джерело: Юзеф Сівек

Серед кристалічних - алмаз (a) та графіт (e) par excellence. На верхньому зображенні спостерігаються різні структури, які мають спільний аспект: вони складаються лише з атомів вуглецю (чорні сфери).

І серед аморфних алотропів ми маємо аморфний вуглець (b), який, як видно, за своєю структурою невпорядкований. Однак існує багато видів аморфних вуглецю, тому це сімейство твердих тіл.

Також атоми вуглецю можуть утворювати надмолекули, такі як фулерени (с) та нанотрубки (d). Ці надмолекули можуть відрізнятися за розміром і формою, але вони зберігають однакові геометричні показники; сферичні і трубчасті для фулеренів і нанотрубок відповідно.

Ковалентні зв’язки вуглецю

Перш ніж звернутися до деяких відомих алотропів вуглецю, необхідно переглянути, як зв’язуються атоми вуглецю.

Відповідно до теорії валентного зв’язку, вуглець має чотири електрони у своїй валентній оболонці, за допомогою яких вони утворюють ковалентні зв’язки. Завдяки електронному просуванню та гібридизації чотири електрони можна розмістити на чотирьох окремих орбіталях, будь вони чистими або гібридними.

Тому вуглець має здатність утворювати максимум чотири зв’язки.

Постійного струму. За допомогою чотирьох зв'язків СС атоми досягають валентного октету, і вони стають дуже стійкими. Однак це не означає, що з цих ланок не може бути лише три, наприклад, в шестикутниках.

Шестикутники

Залежно від гібридизацій атома вуглецю в структурі відповідних їм алотропів можна знайти подвійні чи потрійні зв’язки. Але ще більш очевидною, ніж існування таких зв'язків, є геометрія, яку приймають вуглеці.

Наприклад, якщо спостерігається шестикутник, це означає, що вуглеці мають гібридизацію sp ² і тому мають чисту р-орбіталу з самотнім електроном. Чи можете ви побачити ідеальні шестикутники на першому зображенні? Ті алотропи, які містять їх, означають, що їх вуглець є sp ² , чи є подвійні зв’язки (наприклад, бензольне кільце).

Сітчастий, площинний або шестикутний шар потім складається з sp ² вуглецю, який має електронну «дах» або «хмару», добуток непарного електрона p орбіталі. Цей електрон може утворювати ковалентні зв’язки з іншими молекулами або притягувати позитивні заряди іонів металів; як у K ⁺ і Na ⁺ .

Так само ці електрони дозволяють цим оболонкам укладатися один на одного, не зв'язуючись (через геометричне та просторове перешкоди перекриттю двох p орбіталей). Це означає, що аллотропи з гексагональною геометрією можуть бути, а може, і не наказати будувати кристал.

Тетраедри

Якщо спостерігається тетраедр, як буде пояснено в останньому розділі, це означає, що вуглеці мають sp ³ гібридизацією . В них є чотири прості CC зв’язки, і вони утворюють чотиригранну кристалічну решітку. У таких тетраедрах немає вільних електронів, як у шестикутників.

Аморфний вуглець

Куски вугілля, представники аморфного вуглецю. Джерело: Pxhere.

Аморфний вуглець можна уявити як своєрідну пористу губку з безліччю довільно розташованих шестикутних і чотиригранних мереж. У цю мінеральну матрицю вони можуть захопити інші елементи, які можуть ущільнити або розширити згадану губку; і таким же чином його структурні ядра можуть бути більшими або меншими.

Таким чином, залежно від% вуглецю, виводяться різні види аморфних вуглеців; такі як сажа, вугілля, антрацит, сажа, торф, кокс та активоване вугілля.

На перший погляд, всі вони виглядають віддалено подібними (верхнє зображення), з градаціями до краю чорного, тьмяного або металевого та сіруватого відтінку.

Не всі аморфні вуглецю мають однакове походження. Рослинний вуглець, як вказує його назва, є продуктом згоряння рослинних мас і деревини. Тоді як сажа та кокс - це продукти різних стадій та умов нафтових процесів.

Хоча вони не здаються дуже привабливими, і можна вважати, що вони служать лише паливом, але пористість їх твердих речовин привертає увагу при застосуванні технологічного очищення, як абсорбентів і речовин, а також як каталітичних опор.

Політизм

Структури аморфних вуглець складні і невпорядковані; Однак кристалографічні дослідження показали, що вони є насправді тетраедричними (алмазними) та шестикутними (графітовими) політипами, розташованими довільно шарами.

Наприклад, якщо T і H є тетраедричним і шестикутним шарами відповідно, то аморфний вуглець може бути структурно описаний як: THTHHTH; або HTHTTHTHHHT тощо. Окремі послідовності шарів Т і Н визначають тип аморфного вуглецю; але всередині них немає повторюваної тенденції чи закономірності.

Саме з цієї причини структурно важко характеризувати ці вуглецеві алотропи; і замість цього кращим є його% вуглецю, що є змінною, яка полегшує його відмінності, а також його фізичні властивості та схильність до спалювання або спалювання.

Функціональні групи

Згадувалося, що в шестикутних площинах є непарний електрон, з яким він може утворювати зв’язок з іншими молекулами або атомами. Якщо, скажімо, оточуючими молекулами є H ₂ O і CO ₂ , можна очікувати, що вони утворюватимуть OH та COOH. Вони також можуть зв'язуватися з атомами водню, утворюючи СН-зв’язки.

Можливості дуже різноманітні, але підсумовуючи, аморфні вуглеці можуть приймати оксигеновані функціональні групи. Коли ці гетероатоми присутні, вони розташовуються не тільки в краях площин, але також і навіть всередині них.

Графіт

Кристалічна структура шестикутних шарів графіту. Джерело: MartinThoma.

На верхньому зображенні показана модель зі сферами і струнами кристалічної структури графіту. Тіні сфер, на щастя, допомагають візуалізувати π хмарний продукт дерокалізації їх парних електронів. Про це йшлося в першому розділі, не так багато деталей.

Ці π хмари можна порівняти з двома системами: з бензольних кілець та з «електронних морів» у металевих кристалах.

Р орбіталі з'єднуються один з одним, щоб побудувати доріжку, по якій вільно рухаються електрони; але лише між двома шестикутними шарами; перпендикулярно до них немає потоку електронів чи струму (електронам довелося б проходити через атоми вуглецю).

У міру постійної міграції електронів постійно утворюються миттєві диполі, які індукують інші диполі атомів вуглецю, які знаходяться вище або нижче; тобто шари або аркуші графіту залишаються об’єднаними завдяки лондонським силам дисперсії.

Ці шестикутні шари, як можна було очікувати, створюють гексагональний графітовий кристал; а точніше - низку маленьких кристалів, з'єднаних під різними кутами. Хмари π поводяться так, ніби вони "електричне масло", дозволяючи шарам ковзати перед будь-якими зовнішніми порушеннями на кристалах.

Фізичні властивості

Фізичні властивості графіту легко зрозуміти, коли буде вирішено його молекулярну структуру.

Наприклад, температура плавлення графіту дуже висока (вище 4400ºC), тому що енергія, що подається у вигляді тепла, повинна безповоротно відокремити шестикутні шари, а також розбити їх шестикутники.

Просто було сказано, що їх шари можуть ковзати один над одним; І не тільки, але вони можуть також опинитися на інших поверхнях, таких як целюлоза, яка складається з паперу при нанесенні з графіту олівців. Ця властивість дозволяє графіту діяти як чудова змазка.

І, вже згадувалося, це хороший провідник електрики, а також тепла та звуку.

Графени

Графеновий лист без подвійних зв’язків. Джерело: Jynto

Хоча це не було показано на першому зображенні, цей вуглецевий алотроп не можна оминути. Припустимо, шари графіту були схоплені і згущені в єдиний аркуш, відкритий і займаючи велику площу. Якби це було зроблено молекулярно, народилися би графени (верхнє зображення).

Отже, графени - це окремий графітний аркуш, який не взаємодіє з іншими і який може махати як прапор. Зауважте, що він схожий на стінки стільників.

Ці графенові листи зберігають і примножують властивості графіту. Її шестикутники дуже важко відокремити, тому вони представляють ненормальний механічний опір; навіть вище, ніж сталь. Крім того, вони надзвичайно легкі і тонкі, і теоретично одного грама їх вистачило б для покриття цілого футбольного поля.

Якщо ви знову подивитесь на верхнє зображення, то можна побачити, що подвійних зв’язків немає. Звичайно, їх можуть бути, а також потрійні зв’язки (граффіни). Саме тут відкривається, скажімо, хімія графену.

Як і графіт, і інші гексагональні шари, інші молекули можуть ковалентно зв'язуватися з поверхнею графену, функціонуючи його структуру для електронних та біологічних застосувань.

Вуглецеві нанотрубки

Три типи вуглецевих нанотрубок. Джерело: Mstroeck через Wikipedia.

Тепер припустимо, ми схопили графенові аркуші і почали закочувати їх у трубочку; Це вуглецеві нанотрубки. Довжина та радіус цих трубок мінливі, як і їх просторові відповідності. Разом з графеном та фулеренами ці нанотрубки складають тріаду найдивовижніших алотропів вуглецю.

Структурні конформації

Три вуглецеві нанотрубки показані на верхньому зображенні. У чому різниця між ними? Усі три мають шестикутні візерункові стінки та мають однакові поверхневі властивості, про які вже йшлося. Тоді відповідь полягає у відносних орієнтаціях цих шестикутників.

Перша конформація відповідає типу зигзагу (верхній правий кут). Якщо уважно спостерігати, то слід розуміти, що на ньому розташовані ряди шестикутників, розташованих ідеально перпендикулярно поздовжній осі трубки.

Навпаки, для конструкції типу крісла (нижній правий кут) шестикутники розташовані рядами в тому ж напрямку, що і поздовжня вісь трубки. У першій нанотрубці шестикутники проходять по поверхні в значенні її діаметра, а в другій нанотрубці проходять вздовж поверхні, "від кінця до кінця".

І нарешті, є хіральна нанотрубка (лівий нижній кут). Порівняйте зі спіральною сходами, що йде вліво або вправо Те саме відбувається з цією вуглецевою нанотрубкою: її шестикутники розташовані вгору ліворуч або праворуч. Оскільки існують дві просторові версії, тоді говориться, що вона проявляє хіральність.

Фуллерени

Молекула фулерену С60. Джерело: Benjah-bmm27.

У фулеренах шестикутники все ще зберігаються, але крім того, з'являються п'ятикутники, всі з sp ² вуглецю . Листи або шари вже залишилися позаду: тепер вони були складені так, що вони утворюють м'яч, схожий на футбольний м'яч; і залежно від кількості вуглецю, до кулі для регбі.

Фуллерени - це молекули, що відрізняються за розміром. Найвідомішим є C ₆₀ (верхнє зображення). Ці вуглецеві алотропи слід розглядати як повітряні кулі, які можуть стискатися між собою, утворюючи кристали, в яких іони та інші молекули можуть потрапляти в їхні проміжки.

Ці кульки є спеціальними носіями або опорами для молекул. Як? Через ковалентні зв’язки до його поверхні, особливо, до сусідніх вуглеців шестикутника. Потім, як кажуть, фулерен був функціоналізований (екзоедральний аддукт).

Його стінки можуть бути стратегічно розбиті, щоб зберігати молекули всередині; нагадує сферичну капсулу. Так само ці кульки можуть мати тріщини і одночасно функціонувати; все буде залежати від програми, якій вони призначені.

Кубічна кристалічна структура алмазу. Джерело: GYassineMrabetTalk✉Це структура була створена з PyMOL. .

І нарешті, найвідоміший з усіх алотропів вуглецю: алмаз (хоча не всі є вуглецем).

Структурно він складається з sp ³ атомів вуглецю , утворюючи чотири CC-зв’язки та тривимірну мережу тетраедрів (верхнє зображення), кристалічна клітина яких є кубічною. Це найтвердіший з корисних копалин, і температура його плавлення близька до 4000ºC.

Їх тетраедри здатні ефективно передавати тепло по всій кристалічній решітці; але це не так з електрикою, тому що його електрони дуже добре розташовані у чотирьох ковалентних зв’язках, і він нікуди не може йти. Тому це хороший теплопровідник, але це електричний ізолятор.

Залежно від того, як вона граняна, вона може розсіяти світло під багатьма яскравими та привабливими кутами, саме тому вони жадані як дорогоцінні камені та прикраси.

Мережа дуже стійка, тому що для переміщення своїх тетраедрів знадобиться великий тиск. Ця властивість робить його матеріалом з високою механічною стійкістю і твердістю, здатним робити точні та чисті надрізи, як у скальпеля з алмазними наконечниками.

Їх кольори залежать від їх кристалографічних дефектів та їх домішок.

Список літератури

1. Шивер і Аткінс. (2008). Неорганічна хімія. (Четверте видання). Mc Graw Hill.
2. Мендес Медрано, штат Майо Гуадалупе, Росу, ХК, Торрес Гонсалес, Лос-Анджелес (2012). Графен: Найбільш перспективний алотроп вуглецю. Акт про університет. об. 22, ні. 3, квітень-травень 2012 р., С. 20-23, Університет Гуанахуато, Гуанахуато, Мексика.
3. IES La Magdalena. Авілес. Астурія. (sf). Аллотропні форми вуглецю. . Відновлено з: fisquiweb.es
4. Вікіпедія. (2019). Вуглецеві алотропи. Відновлено з: es.wikipedia.org
5. Седерберг Девід. (sf). Алотропи вуглецю. Відновлено з: web.ics.purdue.edu
6. Седерберг, Д. (2009). Алотропи вуглецю: все у тому, як ви складаєтесь. Відновлено з: physics.purdue.edu
7. Гірш А. (2010). Ера вуглецевих алотропів. Кафедра хімії та фармації та міждисциплінарний центр молекулярних матеріалів (МКММ), Університет Фрідріха-Олександра Ерланген-Нюрнберг, Henkestrasse 42, 91054 Ерланген, Німеччина.
8. Рада регентів Університету Вісконсінської системи. (2013). Нанотрубки та інші форми вуглецю. Відновлено: chemistry.beloit.edu
9. Кларк Джим. (2012 р.). Гігантські ковалентні структури. Відновлено з: chemguide.co.uk