OGLEKĻA ALOTROPI: AMORFS OGLEKLIS, GRAFĪTS, GRAFĒNI, NANOCAURULES - ĶĪMIJA - 2025

Par oglekļa allotropes ir atšķirīgas fiziskās formas Sortable un saistošs to atomi. Katrs no tiem atbilst cietajam materiālam ar savām īpašajām īpašībām. Molekulāri un strukturāli tie ir atšķirīgi viens no otra. Pastāv divi galvenie šo allotropu veidi: kristālisks un amorfs.

Kristāliskie alotropi ir tie, kuriem kosmosā ir atkārtojušies to atomi. Tikmēr amorfos alotropos atomi ir sakārtoti nesakārtoti, cietā stāvoklī nav divu identisku reģionu. Tātad pirmie ir pasūtīti, un pēdējie ir nesakārtoti.

Galvenie oglekļa alotropi. Avots: Jozefs Siveks

Starp kristāliskajiem ir izcils dimanta (a) un grafīta (e). Augšējā attēlā tiek novērotas dažādas struktūras, kurām ir kopīgs aspekts: tās sastāv tikai no oglekļa atomiem (melnajām sfērām).

Starp amorfiem alotropiem mums ir amorfs ogleklis (b), kura struktūra, kā redzams, ir nesakārtota. Tomēr ir daudz amorfu oglekļa veidu, tāpēc tā ir cietvielu saime.

Arī oglekļa atomi var veidot supramolekulas, piemēram, fullerēnus (c) un nanocaurules (d). Šīs supramolekulas var atšķirties pēc lieluma un formas, taču tās saglabā to pašu ģeometriju; lodveida un cauruļveida attiecīgi fullerēniem un nanocaurulēm.

Oglekļa kovalentās saites

Pirms pievērsties dažiem zināmajiem oglekļa alotropiem, ir jāpārskata, kā oglekļa atomi ir saistīti.

Saskaņā ar valences saites teoriju, oglekļa valences apvalkā ir četri elektroni, ar kuriem tie veido kovalento saiti. Pateicoties elektroniskajai reklamēšanai un hibridizācijai, četrus elektronus var ievietot četrās atsevišķās orbitālēs, neatkarīgi no tā, vai tās ir tīras vai hibrīdas.

Tāpēc ogleklis spēj veidot ne vairāk kā četras saites.

DC. Ar četrām CC saitēm atomi sasniedz valences oktetu, un tie kļūst ļoti stabili. Tomēr tas nenozīmē, ka nevar būt tikai trīs no šīm saitēm, piemēram, tās, kas redzamas sešstūros.

Sešstūri

Atkarībā no oglekļa atoma hibridizācijām to atbilstošo alotropu struktūrā var atrast divkāršās vai trīskāršās saites. Bet vēl acīmredzamāka par šādu saišu esamību ir ģeometrija, ko pieņem oglekļi.

Piemēram, ja tiek novērots sešstūris, tas nozīmē, ka oglekļiem ir sp ² hibridizācija un tāpēc tiem ir tīra p orbitāle ar vientuļo elektronu. Vai pirmajā attēlā var redzēt perfektus sešstūrus? Tie allotropi, kas tos satur, nozīmē, ka viņu ogleklis ir sp ² , neatkarīgi no tā, vai ir divkāršās saites (piemēram, benzola gredzena).

Tīkla, plaknes vai sešstūra slānis sastāv no sp ² oglekļiem , kuriem ir elektronisks “jumts” vai “mākonis”, kas ir p pāra orbītas nepāra elektronu produkts. Šis elektrons var veidot kovalentās saites ar citām molekulām vai piesaistīt metāla jonu pozitīvos lādiņus; piemēram, K ⁺ un Na ⁺ .

Šie elektroni arī ļauj šiem apvalkiem sakrauties viens otram virspusē, nesaistoties (divu p orbitālu pārklāšanās ģeometrisko un telpisko traucējumu dēļ). Tas nozīmē, ka alotropus ar sešstūra ģeometriju var vai nevar pasūtīt kristāla veidošanai.

Tetrahedra

Ja tiek novērots tetraedrs, kā tiks skaidrots pēdējā sadaļā, tas nozīmē, ka oglekļiem ir sp ³ hibridizācija . Tajās ir četras vienkāršas CC saites, un tās veido tetraedrisku kristāla režģi. Šādā tetraedrā nav brīvu elektronu, kā ir sešstūros.

Amorfs ogleklis

Ogļu gabali, amorfā oglekļa pārstāvis. Avots: Pxhere.

Amorfo oglekli var iedomāties kā sava veida porainu sūkli, kurā ir daudz patvaļīgi izkārtotu sešstūrainu un tetraedrisku tīklu. Šajā minerālu matricā viņi var ieslodzīt citus elementus, kas var sablīvēt vai paplašināt minēto sūkli; un tādā pašā veidā tā strukturālie kodoli var būt lielāki vai mazāki.

Tādējādi, atkarībā no oglekļa%, tiek iegūti dažāda veida amorfie oglekļi; piemēram, kvēpi, kokogles, antracīts, melnais ogle, kūdra, kokss un aktivētā ogle.

No pirmā acu uzmetiena tie visi izskatās attālināti līdzīgi (augšējais attēls), ar gradācijām līdz melnai, blāvai vai metāliskai un pelēcīgai virsotnei.

Ne visiem amorfiem oglekļiem ir vienāda izcelsme. Augu ogleklis, kā norāda nosaukums, ir dārzeņu masas un koksnes sadegšanas produkts. Kamēr ogleklis un kokss ir dažādi naftas procesu posmu un apstākļu produkti.

Lai arī tie nešķiet ļoti pievilcīgi un var uzskatīt, ka tie kalpo tikai kā degviela, to cietvielu porainības piesaista uzmanību tehnoloģiskās attīrīšanas darbībās, kā absorbentiem un vielu uzglabāšanai, kā arī kā katalītiskajiem balstiem.

Politispisms

Amorfu oglekļu struktūras ir sarežģītas un nesakārtotas; Tomēr kristalogrāfiskie pētījumi parādīja, ka tie faktiski ir tetraedriski (rombveida) un sešstūraini (grafīta) polipi, kas patvaļīgi izvietoti pa slāņiem.

Piemēram, ja T un H ir attiecīgi tetraedriskie un sešstūru slāņi, tad amorfu oglekli var strukturāli aprakstīt šādi: THTHTHTH; vai HTHTTHTHHHT utt. Atsevišķas T un H slāņu secības nosaka amorfā oglekļa veidu; bet tajos nav atkārtotu tendenču vai modeļa.

Šī iemesla dēļ ir strukturāli grūti raksturot šos oglekļa alotropus; tā vietā priekšroka tiek dota tā oglekļa%, kas ir mainīgais lielums, kas atvieglo tā atšķirības, kā arī tā fizikālās īpašības un tendenci degt vai sadedzināt.

Funkcionālās grupas

Tika minēts, ka sešstūru plaknēs ir nepāra elektrons, ar kuru tas var veidot saikni ar citām molekulām vai atomiem. Ja, teiksim, apkārtējās molekulas ir H ₂ O un CO ₂ , var sagaidīt, ka attiecīgi veidosies OH un COOH grupas. Tie var saistīties arī ar ūdeņraža atomiem, veidojot CH saites.

Iespējas ir ļoti dažādas, taču kopsavilkumā amorfie oglekļi var saturēt skābekļa saturošās funkcionālās grupas. Kad šie heteroatomi ir klāt, tie atrodas ne tikai plakņu malās, bet arī un pat to iekšpusē.

Grafīts

Grafīta sešstūru slāņu kristāla struktūra. Avots: MartinThoma.

Augšējā attēlā parādīts modelis ar grafīta kristāliskās struktūras sfērām un virknēm. Sfēru ēnas, par laimi, palīdz vizualizēt π mākoņu produktu, kas saistīts ar to nepāra elektronu pārvietošanos. Tas tika minēts pirmajā sadaļā, bez tik daudz detaļu.

Šos π mākoņus var salīdzināt ar divām sistēmām: benzola gredzeniem un "elektronu jūru" metāliskajos kristālos.

P orbitāles pievienojas viena otrai, lai izveidotu sliežu ceļu, kur elektroni brīvi pārvietojas; bet tikai starp diviem sešstūra slāņiem; perpendikulāri tiem, nepastāv elektronu vai strāvas plūsma (elektroniem vajadzētu iziet cauri oglekļa atomiem).

Tā kā notiek pastāvīga elektronu migrācija, pastāvīgi veidojas momentāni dipoli, kas inducē citus oglekļa atomu dipolus, kas atrodas virs vai zem; tas ir, grafīta slāņi vai loksnes paliek vienoti, pateicoties Londonas izkliedes spēkiem.

Šie sešstūra slāņi, kā varētu gaidīt, rada sešstūra grafīta kristālu; vai drīzāk, mazu kristālu virkne, kas savienota dažādos leņķos. Π mākoņi izturas tā, it kā tie būtu "elektriski sviesti", ļaujot slāņiem slīdēt pirms jebkādiem ārējiem traucējumiem kristālos.

Fizikālās īpašības

Pēc grafīta molekulārās struktūras grafīta fizikālās īpašības ir viegli saprotamas.

Piemēram, grafīta kušanas temperatūra ir ļoti augsta (virs 4400ºC), sakarā ar to, ka siltuma veidā piegādātajai enerģijai ir neatgriezeniski jānodala sešstūra slāņi un jālauž arī to sešstūri.

Tikko tika teikts, ka to slāņi var slīdēt viens virs otra; Un ne tikai, bet tie var nonākt arī uz citām virsmām, piemēram, celulozes, kas veido papīru, kad nogulsnējas no zīmuļu grafīta. Šī īpašība ļauj grafītam darboties kā lieliskai smērvielai.

Un, kā jau minēts, tas ir labs elektrības, kā arī siltuma un skaņas vadītājs.

Grafēni

Grafēna loksne bez divkāršām saitēm. Avots: Jynto

Lai gan tas nebija parādīts pirmajā attēlā, šo oglekļa alotropu nevar atstāt bez ievērības. Pieņemsim, ka grafīta slāņi tika satverti un kondensēti vienā loksnē, atvērti un pārklājot lielu platību. Ja tas tiktu darīts molekulāri, radīsies grafēni (augšējais attēls).

Tātad, grafīni ir individuāla grafiska lapa, kas nav mijiedarbībā ar citiem un kas var vilkties kā karogs. Ņemiet vērā, ka tas līdzinās medus šūnu sienām.

Šīs grafēna loksnes saglabā un reizina grafīta īpašības. Tā sešstūrus ir ļoti grūti atdalīt, tāpēc tiem ir ārkārtīgi izturīga mehāniskā pretestība; pat augstāks par tēraudu. Turklāt tie ir ārkārtīgi viegli un plāni, un teorētiski pietiktu ar vienu gramu no tiem, lai aptvertu visu futbola laukumu.

Ja vēlreiz aplūkojat augšējo attēlu, varat redzēt, ka nav divkāršu saišu. Noteikti tie var būt, kā arī trīskāršās saites (grafīni). Teiksim, tieši šeit atveras grafēna ķīmija.

Tāpat kā grafīts un citi sešstūra slāņi, arī citas molekulas var kovalenti saistīties ar grafēna virsmu, funkcionalizējot tās struktūru elektroniskām un bioloģiskām vajadzībām.

Oglekļa nanocaurules

Trīs oglekļa nanocauruļu veidi. Avots: Mstroeck caur Wikipedia.

Tagad pieņemsim, ka mēs satvērām grafēna loksnes un sākām tās velmēt caurulē; Tās ir oglekļa nanocaurules. Šo cauruļu garumi un rādiuss ir mainīgi, tāpat kā to telpiskās izmaiņas. Kopā ar grafēnu un fullerēniem šie nanocaurules veido apbrīnojamo oglekļa alotropu triādi.

Konstrukciju izmaiņas

Augšējā attēlā ir parādītas trīs oglekļa nanocaurules. Kāda ir atšķirība starp viņiem? Visiem trim ir sešstūra rakstura sienas, un tiem ir tādas pašas virsmas īpašības, kas jau tika apskatītas. Tad atbilde slēpjas šo sešstūru relatīvajās orientācijās.

Pirmā konformācija atbilst zigzaga tipam (augšējais labais stūris). Ja tas tiek rūpīgi novērots, var saprast, ka tam ir sešstūru rindas, kas ir perpendikulāri caurules gareniskajai asij.

Turpretī krēsla tipa konformācijai (apakšējais labais stūris) sešstūri ir izvietoti rindās vienā virzienā ar caurules garenisko asi. Pirmajā nanocaurulē sešstūri šķērso virsmu tā diametra izpratnē, bet otrajā nanocaurulē tie virzās pa virsmu no "gala līdz galam".

Un, visbeidzot, ir hirālā nanocaurule (apakšējais kreisais stūris). Salīdziniet ar spirālveida kāpnēm, kas iet pa kreisi vai pa labi. Tas pats notiek ar šo oglekļa nanocauruli: tā sešstūri ir sakārtoti augoši pa kreisi vai pa labi. Tā kā ir divas telpiskās versijas, tad tiek teikts, ka tai piemīt hirālitāte.

Fullerenes

C60 fullēna molekula. Avots: Benjah-bmm27.

Pilnolenēs sešstūri joprojām tiek uzturēti, bet papildus parādās piecstūri, visi ar sp ² oglekļiem . Loksnes vai slāņi jau ir atstāti aizmugurē: tagad tie ir salocīti tā, lai veidotu bumbiņu, līdzīgu futbola bumbiņai; un atkarībā no oglekļa atomu skaita - uz regbija bumbu.

Fulolēni ir molekulas, kuru lielums atšķiras. Visslavenākais ir C ₆₀ (augšējais attēls). Šie oglekļa alotropi jāuztver kā baloni, kas var saspiest kopā, veidojot kristālus, kuros jonus un citas molekulas var ieslodzīt to starpsienās.

Šīs bumbiņas ir īpaši nesēji vai balsti molekulām. Kā? Caur kovalentajām saitēm tās virsmā, it īpaši, ar blakus esošajiem sešstūra oglekļiem. Pēc tam tiek uzskatīts, ka fullerēns ir funkcionējis (eksodēziskais addukts).

Tās sienas var stratēģiski salauzt, lai molekulas uzkrātos iekšpusē; kas atgādina sfērisku kapsulu. Tāpat šīm bumbiņām var būt plaisas un tās var vienlaikus funkcionēt; viss būs atkarīgs no lietojuma, kuram tie paredzēti.

Dimanta kubiskā kristāla struktūra. Avots: GYassineMrabetTalk✉Šī struktūra tika izveidota ar PyMOL. .

Visbeidzot, pazīstamākais no visiem oglekļa alotropiem: dimants (lai gan ne visi ir ogleklis).

Strukturāli tas sastāv no sp ³ oglekļa atomiem , veidojot četras CC saites un trīsdimensiju tetraedru tīklu (augšējais attēls), kura kristāliskā šūna ir kubiska. Tas ir vissmagākais no minerāliem, un tā kušanas temperatūra ir tuvu 4000ºC.

Viņu tetraedri spēj efektīvi pārvadīt siltumu visā kristāla režģī; bet ne ar elektrību, jo tā elektroni ir ļoti labi izvietoti četrās kovalentajās saitēs, un tā nekur nevar aiziet. Tāpēc tas ir labs siltumvadītājs, bet tas ir elektriskais izolators.

Atkarībā no tā, kā tas ir slīpēts, tas var izkliedēt gaismu daudzos gaišos un pievilcīgos leņķos, tāpēc tie tiek iekāroti kā dārgakmeņi un rotaslietas.

Tīkls ir ļoti izturīgs, jo tā tetraedra pārvietošanai būtu nepieciešams liels spiediens. Šis īpašums padara to par materiālu ar augstu mehānisko izturību un cietību, kas spēj veikt precīzus un tīrus griezumus, tāpat kā ar skalpeli ar dimantu.

To krāsas ir atkarīgas no kristalogrāfiskajiem defektiem un piemaisījumiem.

Atsauces

1. Šiveris un Atkins. (2008). Neorganiskā ķīmija. (Ceturtais izdevums). Mc Graw Hill.
2. Mendess Medrano, MA. Gvadalupe, Rosu, HC, Torres González, LA (2012). Grafēns: oglekļa daudzsološākā allotrope. Universitātes likums. vol. 22, nē. 3, 2012. gada aprīlis – maijs, 1. lpp. 20–23, Guanajuato universitāte, Gvanahvato, Meksika.
3. IES La Magdalena. Aviles. Astūrija. (sf). Oglekļa alotropās formas. . Atgūts no: fisquiweb.es
4. Wikipedia. (2019. gads). Oglekļa alotropi. Atgūts no: es.wikipedia.org
5. Sederbergs Dāvids. (sf). Oglekļa alotropi. Atgūts no: web.ics.purdue.edu
6. Sederbergs, D. (2009). Allotropes of carbon: Tas viss notiek tādā veidā, kā jūs esat salikti. Atgūts no: physics.purdue.edu
7. Hiršs A. (2010). Oglekļa alotropu laikmets. Erlangenas-Nirnbergas Fridriha-Aleksandra universitātes Ķīmiskās un farmācijas departaments un Molekulāro materiālu starpdisciplinārais centrs (ICMM), Henkestrasse 42, 91054 Erlangen, Vācija.
8. Viskonsinas Sistēmas Universitātes Regentu padome. (2013). Nanocaurules un citi oglekļa veidi. Atgūts no: chemics.beloit.edu
9. Klarks Džims. (2012). Milzu kovalentās struktūras. Atgūts no: chemguide.co.uk