ALLOTROPY UHLÍKA: AMORFNÝ UHLÍK, GRAFIT, GRAFÉNY, NANORÚRKY - CHÉMIA

K allotropes uhlíka rôzne fyzikálne formy sortable a viazanie ich atómov. Každá z nich zodpovedá pevnej látke s vlastnými osobitnými vlastnosťami. Molekulárne a štruktúrne sa od seba líšia. Existujú dva hlavné typy týchto alotrópov: kryštalický a amorfný.

Kryštalické allotropy sú tie, ktoré majú opakujúci sa vzorec svojich atómov v priestore. Medzitým v amorfných alotrópoch sú atómy usporiadané narušene, bez toho, aby v tuhej látke existovali dve identické oblasti. Takže prvé sú usporiadané a druhé sú neusporiadané.

Hlavné alotrópy uhlíka. Zdroj: Jozef Sivek

Medzi kryštalické látky patrí diamant (a) a grafit (e) par excellence. Na hornom obrázku sú pozorované rôzne štruktúry, ktoré majú spoločný aspekt: sú zložené iba z atómov uhlíka (čierne gule).

A medzi amorfnými allotropmi máme amorfný uhlík (b), ktorý, ako je vidieť, jeho štruktúra je narušená. Existuje však veľa druhov amorfných uhlíkov, takže je to skupina tuhých látok.

Atómy uhlíka môžu tiež vytvárať supramolekuly, ako sú fullerény (c) a nanotrubice (d). Tieto supramolekuly sa môžu líšiť veľkosťou a tvarom, ale zachovávajú si rovnaké geometrie; sférické a rúrkové pre fullerény a nanotrubice.

Kovalentné väzby uhlíka

Predtým, ako sa budeme zaoberať niektorými známymi allotropmi uhlíka, je potrebné preskúmať, ako sú atómy uhlíka viazané.

Podľa teórie valenčných väzieb má uhlík vo svojom valenčnom obale štyri elektróny, s ktorými tvoria kovalentné väzby. Vďaka elektronickej propagácii a hybridizácii môžu byť tieto štyri elektróny umiestnené na štyroch samostatných orbitaloch, či už sú čisté alebo hybridné.

Preto má uhlík schopnosť tvoriť maximálne štyri väzby.

DC. So štyrmi väzbami CC dosiahnu atómy valenčný oktet a stanú sa veľmi stabilnými. Neznamená to však, že nemôžu existovať iba tri z týchto spojení, ako napríklad tie, ktoré sa nachádzajú v šesťuholníkoch.

šesťuholníky

V závislosti od hybridizácie atómu uhlíka sa v štruktúre ich príslušných alotrópov nachádzajú dvojité alebo trojité väzby. Ale ešte jasnejšia ako existencia takýchto väzieb je geometria, ktorú uhlíky prijímajú.

Napríklad, ak sa pozoruje šesťuholník, to znamená, že uhlíky majú sp ² hybridizácii , a preto majú čistý p orbitálne s osamelý elektrónu. Vidíte na prvom obrázku dokonalé šesťuholníky? Tieto allotropes, ktoré ich obsahujú vyplýva, že ich uhlíky sú sp ² , či existuje alebo nie, sú dvojité väzby (ako sú tie, benzenového kruhu).

Sieťovina, rovina alebo šesťuholníková vrstva sa potom skladá z uhlíkov sp ^2, ktoré majú elektronickú „strechu“ alebo „oblak“, produkt nespáreného elektrónu orbitálu. Tento elektrón môže vytvárať kovalentné väzby s inými molekulami alebo priťahovať kladné náboje kovových iónov; ako K ⁺ a Na ⁺ .

Podobne tieto elektróny umožňujú, aby sa tieto škrupiny stohovali jeden na druhého bez toho, aby sa spájali (kvôli geometrickej a priestorovej prekážke prekrývaniu dvoch orbitálov). To znamená, že alotrópy so šesťuholníkovými geometriami môžu alebo nemusia byť usporiadané, aby vytvorili kryštál.

štvorsten

Ak sa objaví štvorsten, ako bude vysvetlené v predchádzajúcej časti, to znamená, že uhlíky majú sp ³ hybridizácii . V nich sú štyri jednoduché väzby CC a tvoria štvorstennú kryštálovú mriežku. V takom tetrahedre neexistujú žiadne voľné elektróny ako v hexagónoch.

Amorfný uhlík

Kusy uhlia predstavujúce amorfný uhlík. Zdroj: Pxhere.

Amorfný uhlík sa dá predstaviť ako druh pórovitej špongie s množstvom ľubovoľne usporiadaných šesťuholníkových a štvorstenných sietí. V tejto minerálnej matrici môžu zachytávať ďalšie prvky, ktoré môžu zhutniť alebo rozšíriť uvedenú špongiu; a rovnakým spôsobom môžu byť jeho štruktúrne jadrá väčšie alebo menšie.

V závislosti od% uhlíka sa teda získajú rôzne typy amorfných uhlíkov; ako sú sadze, drevené uhlie, antracit, sadze, rašelina, koks a aktívne uhlie.

Na prvý pohľad vyzerajú všetky na diaľku podobné (horný obrázok), s odstupňovaním od okraja čiernej, matnej alebo kovovej a šedivej podtóny.

Nie všetky amorfné uhlíky majú rovnaký pôvod. Rastlinný uhlík, ako už názov napovedá, je produktom spaľovania rastlinných hmôt a dreva. Kým sadze a koks sú produktmi rôznych štádií a podmienok ropných procesov.

Hoci sa nezdajú príliš atraktívne a dá sa predpokladať, že slúžia iba ako palivo, pórovitosť ich tuhých látok priťahuje pozornosť v technologických čistiacich aplikáciách, ako ukladanie absorbentov a látok a tiež ako katalytické nosiče.

Politypism

Štruktúry amorfných uhlíkov sú zložité a neusporiadané; Kryštalografické štúdie však ukázali, že sú to vlastne štvorstenové (diamantové) a hexagonálne (grafitové) polytypy, usporiadané ľubovoľne do vrstiev.

Napríklad, ak T a H sú tetrahedrálna a hexagonálna vrstva, amorfný uhlík môže byť štruktúrne opísaný ako: THTHHTH; alebo HTHTTHTHHHT atď. Určité sekvencie vrstvy T a H definujú typ amorfného uhlíka; ale v nich nie je opakujúci sa trend alebo vzorec.

Z tohto dôvodu je štrukturálne ťažké charakterizovať tieto uhlíkové alotrópy; a namiesto toho je výhodné jeho% uhlíka, čo je premenná, ktorá uľahčuje jej rozdiely, ako aj jeho fyzikálne vlastnosti a jeho tendenciu horieť alebo horieť.

Funkčné skupiny

Bolo spomenuté, že hexagonálne roviny majú nepárový elektrón, s ktorým môže vytvárať väzbu s inými molekulami alebo atómami. Ak je, povedzme, okolité molekuly H ₂ O a CO ₂ , OH a COOH skupiny, možno očakávať, že forma, resp. Môžu sa tiež viazať na atómy vodíka a vytvárať väzby CH.

Možnosti sú veľmi rôzne, ale v súhrne môžu amorfné uhlíky hostiť okysličené funkčné skupiny. Ak sú tieto heteroatómy prítomné, nie sú umiestnené iba na okrajoch rovín, ale aj vo vnútri nich.

grafit

Kryštálová štruktúra hexagonálnych vrstiev grafitu. Zdroj: MartinThoma.

Horný obrázok ukazuje model s guľami a reťazcami kryštalickej štruktúry grafitu. Tiene guľôčok, našťastie, pomáhajú vizualizovať produkt mrakov delokalizácie ich nepárových elektrónov. Toto bolo spomenuté v prvej časti bez toho, aby bolo toľko podrobností.

Tieto oblaky π sa dajú porovnávať s dvoma systémami: s benzénovými kruhmi a so „elektronovými morami“ v kovových kryštáloch.

Orbitáli sa navzájom spájajú a vytvárajú dráhu, kde elektróny voľne cestujú; ale iba medzi dvoma hexagonálnymi vrstvami; kolmo na ne neexistuje žiadny tok elektrónov alebo prúdu (elektróny by museli prechádzať atómami uhlíka).

Pretože dochádza k konštantnej migrácii elektrónov, neustále sa tvoria okamžité dipóly, ktoré indukujú ďalšie dipóly atómov uhlíka, ktoré sú nad alebo pod; to znamená, že vrstvy alebo vrstvy grafitu zostávajú zjednotené vďaka londýnskym rozptyľovacím silám.

Tieto hexagonálne vrstvy, ako by sa dalo očakávať, tvoria hexagonálny grafitový kryštál; alebo skôr rad malých kryštálov spojených pod rôznymi uhlami. Mraky π sa správajú, akoby išlo o „elektrické maslo“, čo umožňuje vrstvám kĺzať pred akýmkoľvek vonkajším narušením kryštálov.

Fyzikálne vlastnosti

Fyzikálne vlastnosti grafitu sú ľahko zrozumiteľné, keď sa rieši jeho molekulárna štruktúra.

Napríklad teplota topenia grafitu je veľmi vysoká (vyššia ako 4400 ° C), pretože energia dodávaná vo forme tepla musí ireverzibilne oddeliť hexagonálne vrstvy a tiež zlomiť ich šesťuholníky.

Bolo povedané, že ich vrstvy sa môžu navzájom posúvať; Nielen, ale môžu skončiť aj na iných povrchoch, napríklad na celulóze, ktorá tvorí papier, keď sa ukladá z grafitu ceruziek. Táto vlastnosť umožňuje grafitu pôsobiť ako vynikajúce mazivo.

A ako už bolo spomenuté, je to dobrý vodič elektriny, ako aj tepla a zvuku.

Graphenes

Grafický list bez dvojitých väzieb. Zdroj: Jynto

Aj keď to nebolo na prvom obrázku znázornené, tento uhlík alotróp nie je možné vynechať. Predpokladajme, že vrstvy grafitu boli uchopené a kondenzované do jedného listu, otvorené a pokrývajúce veľkú plochu. Keby sa to urobilo molekulárne, zrodili by sa grafény (horný obrázok).

Takže, graphenes je individuálny grafitický list, ktorý neinteraguje s ostatnými a môže mávať ako zástava. Všimnite si, že má podobnosť so stenami voštín.

Tieto grafénové listy zachovávajú a znásobujú vlastnosti grafitu. Jeho šesťuholníky sa veľmi ťažko separujú, takže vykazujú priepustnú mechanickú odolnosť; dokonca vyššia ako oceľ. Okrem toho sú extrémne ľahké a tenké a teoreticky jeden gram z nich by stačil na pokrytie celého futbalového ihriska.

Ak sa znova pozriete na horný obrázok, uvidíte, že neexistujú žiadne dvojité väzby. Určite môžu existovať aj trojité väzby (graffíny). Práve tu sa otvára chémia grafénu.

Podobne ako grafit a ďalšie hexagonálne vrstvy sa iné molekuly môžu kovalentne viazať na povrch grafénu, čím funkcionalizujú jeho štruktúru pre elektronické a biologické aplikácie.

Uhlíkové nanorúrky

Tri typy uhlíkových nanorúrok. Zdroj: Mstroeck prostredníctvom Wikipédie.

Teraz predpokladajme, že sme chytili grafénové listy a začali ich valcovať do rúrky; Sú to uhlíkové nanorúrky. Dĺžky a polomery týchto rúrok sú rôzne, rovnako ako ich priestorové usporiadania. Spolu s grafénom a fullerénmi tvoria tieto nanorúrky tri najúžasnejšie uhlíkové alotrópy.

Štrukturálne konformácie

Na hornom obrázku sú zobrazené tri uhlíkové nanorúrky. Aký je medzi nimi rozdiel? Všetky tri steny majú šesťuholníkový vzor a vykazujú rovnaké povrchové vlastnosti, aké už boli uvedené. Odpoveď potom spočíva v relatívnej orientácii týchto šesťuholníkov.

Prvá konformácia zodpovedá typu kľukatý (pravý horný roh). Ak sa pozorne pozoruje, bude zrejmé, že má rady šesťuholníkov umiestnených dokonale kolmo na pozdĺžnu os rúrky.

Naproti tomu pre usporiadanie typu kresla (pravý dolný roh) sú šesťuholníky usporiadané v radoch v rovnakom smere ako pozdĺžna os rúrky. V prvej nanotrubici prechádzajú šesťuholníky po povrchu v zmysle jeho priemeru av druhej nanotrubičke prechádzajú po povrchu „od konca do konca“.

Nakoniec je tu chirálna nanotrubica (v ľavom dolnom rohu). Porovnať s točitým schodiskom smerujúcim doľava alebo doprava. To isté sa stane s touto uhlíkovou nanorúrkou: jej šesťuholníky sú usporiadané vzostupne doľava alebo doprava. Pretože existujú dve priestorové verzie, potom sa hovorí, že vykazujú chiralitu.

fullerény

Molekula fullerénu C60. Zdroj: Benjah-bmm27.

V fullerény, šesťuholníky sú stále zachovaná, ale navyše sa objaví päťuholníka, to všetko s sp ² uhlíkoch . Dosky alebo vrstvy sú už pozadu: teraz sú zložené takým spôsobom, že tvoria loptu podobnú futbalovej loptičke; a v závislosti od počtu uhlíkov, do rugbyovej gule.

Fullerény sú molekuly, ktoré sa líšia veľkosťou. Najznámejší je C ₆₀ (horný obrázok). S týmito uhlíkovými alotrópmi by sa malo zaobchádzať ako s balónikmi, ktoré sa môžu navzájom stlačiť, aby vytvorili kryštály, v ktorých môžu byť ióny a ďalšie molekuly zachytené vo svojich medzerách.

Tieto gule sú špeciálnymi nosičmi alebo nosičmi molekúl. Ako? Kovalentnými väzbami na svoj povrch, najmä na susedné uhlíky šesťuholníka. O fulleréne sa potom hovorí, že bol funkcionalizovaný (exohedrálny adukt).

Jeho steny môžu byť strategicky rozbité, aby ukladali molekuly vo vnútri; pripomínajúce guľovú kapsulu. Tieto gule môžu mať tiež praskliny a môžu byť funkcionalizované súčasne; všetko bude závisieť od aplikácie, pre ktorú sú určené.

Kubická kryštalická štruktúra diamantu. Zdroj: GYassineMrabetTalk✉Táto štruktúra bola vytvorená pomocou PyMOL. ,

A nakoniec, najznámejší zo všetkých alotrópov uhlíka: diamant (aj keď nie všetky sú uhlíkom).

Štrukturálne sa skladá z sp ³ atómy uhlíka , ktoré tvoria štyri CC väzby a trojrozmerné siete tetraéderov (horný obrázok), ktorého kryštalická bunka je kubický. Je to najťažšia z minerálov a jej teplota topenia je takmer 4000 ° C.

Ich tetraedra sú schopné účinne prenášať teplo cez kryštálovú mriežku; ale nie tak s elektrinou, pretože jej elektróny sú veľmi dobre umiestnené vo svojich štyroch kovalentných väzbách a nemôžu nikam ísť. Preto je to dobrý tepelný vodič, ale je to elektrický izolátor.

V závislosti od toho, ako sa to robí, môže rozptylovať svetlo v mnohých jasných a atraktívnych uhloch, a preto sú vyhľadávané ako drahé kamene a šperky.

Sieť je veľmi odolná, pretože na presun tetrahedry by bolo potrebné vyvinúť veľký tlak. Táto vlastnosť z neho robí materiál s vysokou mechanickou odolnosťou a tvrdosťou, ktorý je schopný robiť presné a čisté rezy, rovnako ako pri skalpe s diamantovým hrotom.

Ich farby závisia od ich kryštalografických defektov a ich nečistôt.

Referencie

Shiver a Atkins. (2008). Anorganická chémia. (Štvrté vydanie). Mc Graw Hill.
Méndez Medrano, Ma. Guadalupe, Rosu, HC, Torres González, LA (2012). Graphene: najsľubnejší allotrope z uhlíka. Univerzitný zákon. vol. 22, č. 3. apríl - máj 2012, str. 20 - 23, Univerzita v Guanajuato, Guanajuato, Mexiko.
IES La Magdalena. Aviles. Asturias. (SF). Allotropné formy uhlíka. , Získané z: fisquiweb.es
Wikipedia. (2019). Uhlíkové alotrópy. Obnovené z: es.wikipedia.org
Sederberg David. (SF). Allotropy uhlíka. Obnovené z: web.ics.purdue.edu
Sederberg, D. (2009). Allotropy uhlíka: Všetko je to tak, ako ste to dali dokopy. Získané z: physics.purdue.edu
Hirsh A. (2010). Éra uhlíkových alotrópov. Katedra chémie a farmácie a interdisciplinárne centrum molekulárnych materiálov (ICMM), Univerzita Friedrich-Alexander Erlangen-Norimberg, Henkestrasse 42, 91054 Erlangen, Nemecko.
Rada regentov Univerzity vo Wisconsine. (2013). Nanotrubice a iné formy uhlíka. Získané z: chemistry.Beloit.edu
Clark Jim. (2012). Obrie kovalentné štruktúry. Získané z: chemguide.co.uk

ALLOTROPY UHLÍKA: AMORFNÝ UHLÍK, GRAFIT, GRAFÉNY, NANORÚRKY - CHÉMIA - 2025