АЛЛОТРОПЫ УГЛЕРОДА: АМОРФНЫЙ УГЛЕРОД, ГРАФИТ, ГРАФЕНЫ, НАНОТРУБКИ. - ХИМИЯ - 2024

В аллотропах углерода различные физические форм Сортируемые и связывают их атомы. Каждый соответствует твердому телу со своими особыми характеристиками. Молекулярно и структурно они отличаются друг от друга. Есть два основных типа этих аллотропов: кристаллические и аморфные.

Кристаллические аллотропы - это те, у которых есть повторяющийся узор своих атомов в пространстве. Между тем, в аморфных аллотропах атомы расположены беспорядочно, и в твердом теле не существует двух одинаковых областей. Итак, первые упорядочены, а вторые неупорядочены.

Основные аллотропы углерода. Источник: Йозеф Сивек

К кристаллическим относятся преимущественно алмаз (а) и графит (д). На верхнем изображении наблюдаются различные структуры, имеющие общий аспект: они состоят только из атомов углерода (черные сферы).

А среди аморфных аллотропов есть аморфный углерод (б), который, как видно, по своей структуре беспорядочный. Однако существует много типов аморфного углерода, поэтому это семейство твердых веществ.

Кроме того, атомы углерода могут образовывать супрамолекулы, такие как фуллерены (с) и нанотрубки (d). Эти супрамолекулы могут различаться по размеру и форме, но они сохраняют ту же геометрию; сферический и трубчатый для фуллеренов и нанотрубок соответственно.

Ковалентные связи углерода

Прежде чем обратиться к некоторым из известных аллотропов углерода, необходимо рассмотреть, как атомы углерода связаны.

Согласно теории валентных связей, углерод имеет четыре электрона в валентной оболочке, с которыми они образуют ковалентные связи. Благодаря электронному продвижению и гибридизации четыре электрона могут быть размещены на четырех отдельных орбиталях, чистых или гибридных.

Таким образом, углерод может образовывать максимум четыре связи.

ОКРУГ КОЛУМБИЯ. С четырьмя связями CC атомы достигают октета валентности и становятся очень стабильными. Однако это не означает, что этих звеньев не может быть только три, например, в шестиугольниках.

Шестигранники

В зависимости от гибридизации атома углерода двойные или тройные связи могут быть обнаружены в структуре соответствующих аллотропов. Но даже более очевидным, чем существование таких связей, является геометрия, которую принимают атомы углерода.

Например, если наблюдается шестиугольник, это означает, что атомы углерода имеют sp ² -гибридизацию и, следовательно, имеют чистую p-орбиталь с неподеленным электроном. Вы видите идеальные шестиугольники на первом изображении? Те аллотропы, которые их содержат, подразумевают, что их атомы углерода имеют sp ² , независимо от того, есть ли двойные связи (например, в бензольном кольце).

Сетчатый, плоский или гексагональный слой состоит из атомов углерода sp ^2, которые имеют электронную «крышу» или «облако», продукт неспаренного электрона p-орбитали. Этот электрон может образовывать ковалентные связи с другими молекулами или притягивать положительные заряды ионов металлов; как у K ⁺ и Na ⁺ .

Точно так же эти электроны позволяют этим оболочкам накладываться друг на друга без связывания (из-за геометрического и пространственного препятствия перекрытию двух p-орбиталей). Это означает, что аллотропы с гексагональной геометрией могут быть или не могут быть заказаны для построения кристалла.

тетраэдров

Если наблюдается тетраэдр, как будет объяснено в последнем разделе, это означает, что атомы углерода имеют гибридизацию sp ³ . В них четыре простых связи CC, и они образуют тетраэдрическую кристаллическую решетку. В таких тетраэдрах нет свободных электронов, как в шестиугольниках.

Аморфный углерод

Куски угля, представителя аморфного углерода. Источник: Pxhere.

Аморфный углерод можно представить как своего рода пористую губку с множеством произвольно расположенных гексагональных и тетраэдрических сеток. В этой минеральной матрице они могут улавливать другие элементы, которые могут уплотнять или расширять указанную губку; и таким же образом его структурные ядра могут быть больше или меньше.

Таким образом, в зависимости от процентного содержания углерода получают различные типы аморфных углеродов; такие как сажа, древесный уголь, антрацит, технический углерод, торф, кокс и активированный уголь.

На первый взгляд, все они выглядят отдаленно похожими (верхнее изображение), с градациями черного, тусклого или металлического и сероватого оттенков.

Не все аморфные атомы углерода имеют одинаковое происхождение. Растительный углерод, как следует из названия, является продуктом сгорания растительных масс и древесины. А технический углерод и кокс являются продуктами различных стадий и условий нефтяных процессов.

Хотя они не кажутся очень привлекательными и можно полагать, что они служат только в качестве топлива, пористость их твердых частиц привлекает внимание в технологических процессах очистки, в качестве абсорбентов и хранилищ веществ, а также в качестве каталитических носителей.

Politypism

Структуры аморфных углеродов сложны и неупорядочены; Однако кристаллографические исследования показали, что на самом деле это тетраэдрические (алмаз) и гексагональные (графит) политипы, произвольно расположенные по слоям.

Например, если T и H являются тетраэдрическим и гексагональным слоями, соответственно, то аморфный углерод может быть структурно описан как: THTHHTH; или HTHTTHTHHHT и т. д. Определенные последовательности слоев T и H определяют тип аморфного углерода; но внутри них нет повторяющейся тенденции или модели.

По этой причине структурно сложно охарактеризовать эти аллотропы углерода; и вместо этого предпочтителен процент углерода, который является переменной, которая способствует его различиям, а также его физическим свойствам и его склонности к горению или горению.

Функциональные группы

Было упомянуто, что гексагональные плоскости имеют неспаренный электрон, с которым он может образовывать связь с другими молекулами или атомами. Если, скажем, окружающие молекулы представляют собой H ₂ O и CO ₂ , можно ожидать образования групп OH и COOH соответственно. Они также могут связываться с атомами водорода, образуя связи CH.

Возможности очень разнообразны, но в целом аморфные атомы углерода могут содержать кислородсодержащие функциональные группы. Когда эти гетероатомы присутствуют, они находятся не только на краях плоскостей, но и даже внутри них.

графитовый

Кристаллическая структура гексагональных слоев графита. Источник: MartinThoma.

На верхнем изображении представлена ​​модель со сферами и нитями кристаллической структуры графита. К счастью, тени сфер помогают визуализировать π-облака, являющиеся продуктом делокализации их неспаренных электронов. Об этом упоминалось в первом разделе без особых подробностей.

Эти π-облака можно сравнить с двумя системами: системой бензольных колец и системой «электронных морей» в металлических кристаллах.

Р-орбитали соединяются друг с другом, образуя трек, по которому электроны свободно перемещаются; но только между двумя шестиугольными слоями; перпендикулярно им, нет потока электронов или тока (электроны должны пройти через атомы углерода).

Поскольку происходит постоянная миграция электронов, постоянно образуются мгновенные диполи, которые индуцируют другие диполи атомов углерода, расположенные выше или ниже; то есть слои или листы графита остаются едиными благодаря лондонским силам дисперсии.

Эти гексагональные слои, как и следовало ожидать, создают гексагональный кристалл графита; или, скорее, серия маленьких кристаллов, соединенных под разными углами. Π-облака ведут себя так, как если бы они были «электрическим маслом», позволяя слоям скользить до любого внешнего воздействия на кристаллы.

Физические свойства

Физические свойства графита легко понять, если изучить его молекулярную структуру.

Например, температура плавления графита очень высока (выше 4400ºC) из-за того, что энергия, подводимая в виде тепла, должна необратимо разделить гексагональные слои, а также разрушить их шестиугольники.

Просто было сказано, что их слои могут скользить друг по другу; И не только, но они также могут оказаться на других поверхностях, таких как целлюлоза, из которой состоит бумага при нанесении из графита карандашей. Это свойство позволяет графиту действовать как отличная смазка.

И, как уже было сказано, это хороший проводник электричества, а также тепла и звука.

графены

Лист графена без двойных связей. Источник: Jynto

Хотя это не было показано на первом изображении, этот углеродный аллотроп нельзя не учитывать. Предположим, что слои графита были схвачены и сконденсированы в один лист, открытый и покрывающий большую площадь. Если бы это было сделано на молекулярном уровне, родились бы графены (верхнее изображение).

Итак, графены - это индивидуальный графитовый лист, который не взаимодействует с другими и который может развеваться, как флаг. Обратите внимание, что это имеет сходство со стенками сот.

Эти графеновые листы сохраняют и приумножают свойства графита. Его шестиугольники очень трудно разделить, поэтому они обладают ужасным механическим сопротивлением; даже выше стали. Кроме того, они очень легкие и тонкие, и теоретически одного грамма их хватит, чтобы покрыть все футбольное поле.

Если вы снова посмотрите на верхнее изображение, вы увидите, что двойных связей нет. Конечно, могут быть и тройные связи (граффины). Именно здесь, скажем, начинается химия графена.

Подобно графиту и другим гексагональным слоям, другие молекулы могут ковалентно связываться с поверхностью графена, функционализируя его структуру для электронных и биологических приложений.

Углеродные нанотрубки

Три типа углеродных нанотрубок. Источник: Mstroeck через Википедию.

Теперь предположим, что мы взяли листы графена и начали скатывать их в трубку; Это углеродные нанотрубки. Длина и радиус этих трубок различны, как и их пространственная форма. Вместе с графеном и фуллеренами эти нанотрубки составляют триаду самых удивительных углеродных аллотропов.

Структурные конформации

На верхнем изображении показаны три углеродные нанотрубки. В чем разница между ними? Все три имеют стены с шестиугольным рисунком и обладают теми же свойствами поверхности, о которых уже говорилось. Тогда ответ заключается в относительной ориентации этих шестиугольников.

Первая конформация соответствует типу зигзага (правый верхний угол). При внимательном наблюдении будет понятно, что он имеет ряды шестиугольников, расположенных идеально перпендикулярно продольной оси трубки.

Напротив, для конструкции типа кресло (нижний правый угол) шестиугольники расположены рядами в том же направлении, что и продольная ось трубы. В первой нанотрубке шестиугольники проходят по поверхности в смысле ее диаметра, а во второй нанотрубке они проходят по поверхности «конец в конец».

И, наконец, хиральная нанотрубка (нижний левый угол). Сравните с винтовой лестницей, идущей влево или вправо. То же самое происходит и с этой углеродной нанотрубкой: ее шестиугольники расположены восходящими влево или вправо. Поскольку существует две пространственные версии, тогда говорят, что она проявляет хиральность.

Фуллерены

Молекула фуллерена C60. Источник: Benjah-bmm27.

В фуллеренах шестиугольники все еще сохраняются, но, кроме того, появляются пятиугольники, все с атомами углерода sp ² . Листы или слои уже оставлены: теперь они сложены так, что образуют мяч, похожий на футбольный мяч; и, в зависимости от количества атомов углерода, до мяча для регби.

Фуллерены - это молекулы, различающиеся по размеру. Самый известный из них - C ₆₀ (верхнее изображение). Эти углеродные аллотропы следует рассматривать как воздушные шары, которые могут сжиматься вместе, образуя кристаллы, в которых ионы и другие молекулы могут быть захвачены в их промежутках.

Эти шарики являются специальными носителями или опорами для молекул. Как? Через ковалентные связи с его поверхностью, особенно с соседними атомами углерода шестиугольника. Затем говорят, что фуллерен функционализирован (экзоэдральный аддукт).

Его стены можно стратегически сломать, чтобы внутри могли храниться молекулы; напоминающий сферическую капсулу. Точно так же эти шары могут иметь трещины и одновременно функционировать; все будет зависеть от приложения, для которого они предназначены.

Кубическая кристаллическая структура алмаза. Источник: GYassineMrabetTalk✉Эта структура была создана с помощью PyMOL. ,

И, наконец, самый известный из всех аллотропов углерода: алмаз (хотя не все являются углеродом).

Структурно он состоит из sp ³ атомов углерода , образующих четыре CC-связи и трехмерную сеть тетраэдров (верхнее изображение), кристаллическая ячейка которой имеет кубическую форму. Это самый твердый из минералов, его температура плавления близка к 4000ºC.

Их тетраэдры способны эффективно передавать тепло по кристаллической решетке; но не так с электричеством, потому что его электроны очень хорошо расположены в его четырех ковалентных связях, и он не может никуда уйти. Следовательно, это хороший теплопроводник, но это электрический изолятор.

В зависимости от того, как он огранен, он может рассеивать свет под разными яркими и привлекательными углами, поэтому они так популярны как драгоценные камни и украшения.

Сеть очень устойчива, потому что для перемещения тетраэдров потребуется большое давление. Это свойство делает его материалом с высокой механической прочностью и твердостью, способным делать точные и чистые разрезы, как у скальпеля с алмазным наконечником.

Их цвета зависят от кристаллографических дефектов и примесей.

Ссылки

1. Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия. (Четвертое издание). Мак Гроу Хилл.
2. Мендес Медрано, Ма. Гваделупе, Росу, ХК, Торрес Гонсалес, Луизиана (2012). Графен: самый многообещающий аллотроп углерода. Закон об университете. том 22, нет. 3, апрель-май 2012 г., стр. 20–23, Университет Гуанахуато, Гуанахуато, Мексика.
3. IES La Magdalena. Авилес. Астурия. (SF). Аллотропные формы углерода. , Получено с: fisquiweb.es
4. Wikipedia. (2019). Аллотропы углерода. Получено с: es.wikipedia.org
5. Седерберг Давид. (SF). Аллотропы углерода. Получено с: web.ics.purdue.edu
6. Седерберг, Д. (2009). Аллотропы углерода: все дело в том, как вы устроены. Получено с: Physics.purdue.edu
7. Хирш А. (2010). Эпоха углеродных аллотропов. Кафедра химии и фармации и междисциплинарный центр молекулярных материалов (ICMM), Университет Фридриха-Александра, Эрланген-Нюрнберг, Henkestrasse 42, 91054 Эрланген, Германия.
8. Попечительский совет системы Висконсинского университета. (2013). Нанотрубки и другие формы углерода. Получено с: chemistry.beloit.edu
9. Кларк Джим. (2012). Гигантские ковалентные структуры. Получено с: chemguide.co.uk