ALOTROPE DE CARBON: CARBON AMORF, GRAFIT, GRAFENE, NANOTUBURI - CHIMIE - 2025

De forme alotropice de carbon sunt diferite forme fizice sortabile și leagă atomii lor. Fiecare corespunde unui solid cu propriile sale caracteristici speciale. Molecular și structural se disting între ele. Există două tipuri principale ale acestor alotrope: cristalin și amorf.

Alotropele cristaline sunt cele care au un model repetat al atomilor lor în spațiu. Între timp, în alotropele amorfe, atomii sunt aranjați dezordonat, fără să existe două regiuni identice în solid. Deci primele sunt ordonate, iar cele din urmă sunt dezordonate.

Principalele alotrope de carbon. Sursa: Jozef Sivek

Printre cele cristaline se numără diamantul (a) și grafitul (e) prin excelență. Se observă în imaginea superioară diferite structuri care au un aspect comun: sunt compuse numai din atomi de carbon (sfere negre).

Și printre alotropele amorfe, avem carbonul amorf (b), care, după cum se poate vedea, structura sa este dezordonată. Cu toate acestea, există multe tipuri de carbuni amorfi, deci este o familie de solide.

De asemenea, atomii de carbon pot forma supramolecule, cum ar fi fullerenele (c) și nanotuburile (d). Aceste supramolecule pot varia ca mărime și formă, dar păstrează aceleași geometrii; sferice și tubulare pentru fullereni și respectiv nanotuburi.

Legături covalente de carbon

Înainte de a aborda unele dintre alotropele cunoscute ale carbonului, este necesar să revizuiți modul în care se leagă atomii de carbon.

Conform teoriei legăturilor de valență, carbonul are patru electroni în carcasa sa de valență, cu care formează legături covalente. Datorită promovării electronice și hibridizării, cei patru electroni pot fi plasați în patru orbitale separate, fie ele pure sau hibride.

Prin urmare, carbonul are capacitatea de a forma până la maximum patru legături.

DC. Cu patru legături CC, atomii ajung la octetul de valență și devin foarte stabili. Cu toate acestea, aceasta nu înseamnă că nu pot exista doar trei dintre aceste legături, cum ar fi cele văzute în hexagoane.

hexagoane

În funcție de hibridizările atomului de carbon, în structura alotropelor lor pot fi găsite legături duble sau triple. Dar, chiar mai evidentă decât existența unor astfel de legături, este geometria pe care o adoptă carbonii.

De exemplu, dacă se observă un hexagon, înseamnă că atomii de carbon au sp ² hibridizare și de aceea au un p pur orbital cu un electron singuratic. Puteți vedea hexagoane perfecte în prima imagine? Acele alotrope care le conțin implică faptul că carbonii lor sunt sp ² , indiferent dacă există sau nu legături duble (cum ar fi cele ale inelului benzenului).

Un strat, plan sau hexagonal constă apoi din carbuni sp ² care au un „acoperiș” sau „nor” electronic, un produs al electronului nepereche al orbitalului p. Acest electron poate forma legături covalente cu alte molecule sau poate atrage sarcinile pozitive ale ionilor metalici; ca cele ale lui K ⁺ și Na ⁺ .

De asemenea, acești electroni permit acestor cochilii să se stivească una peste alta, fără a se lega (datorită unui impediment geometric și spațial la suprapunerea celor două orbite p). Aceasta înseamnă că alotrope cu geometrii hexagonale pot fi sau nu comandate pentru a construi un cristal.

tetraedre

Dacă se observă un tetraedru, așa cum se va explica în ultima secțiune, înseamnă că carbonii au hibridizare sp ³ . În ele există patru legături CC simple și formează o rețea de cristal tetraedrică. În astfel de tetraedre nu există electroni liberi, așa cum există în hexagoane.

Carbon amorf

Bucăți de cărbune, reprezentative pentru carbon amorf. Sursa: Pxhere.

Carbonul amorf poate fi imaginat ca un fel de burete poros, cu o mulțime de rețele hexagonale și tetraedre aranjate arbitrar. În această matrice minerală pot captura alte elemente, care pot compacta sau extinde numitul burete; și în același mod, nucleele sale structurale pot fi mai mari sau mai mici.

Astfel, în funcție de% carbon, sunt derivate diverse tipuri de carbuni amorfi; cum ar fi funingine, cărbune, antracit, negru de carbon, turbă, cocs și carbon activat.

La prima vedere, toate arată la distanță asemănătoare (imagine de sus), cu gradații până la marginea coloanelor negre, pline sau metalice și cenușii.

Nu toate carbonii amorfi au aceeași origine. Carbonul vegetal, după cum indică numele său, este produsul arderii maselor vegetale și a lemnului. În timp ce negrul de carbon și cocsul sunt produse ale diferitelor etape și condiții ale proceselor petroliere.

Deși nu par foarte atractive și se poate crede că servesc doar ca combustibili, porozitățile solidelor lor atrag atenția în aplicațiile de purificare tehnologică, cum ar fi depozitarea absorbantelor și a substanțelor, precum și ca suport catalitic.

Politypism

Structurile carbunilor amorfi sunt complexe și dezordonate; Cu toate acestea, studiile cristalografice au arătat că sunt de fapt polipuri tetraedrice (diamant) și hexagonale (grafit), dispuse în mod arbitrar în straturi.

De exemplu, dacă T și H sunt straturile tetraedrice și hexagonale, respectiv, un carbon amorf poate fi descris structural ca: THTHHTH; sau HTHTTHTHHHT etc. Anumite secvențe de strat T și H definesc un tip de carbon amorf; dar în interiorul lor, nu există o tendință sau un model repetitiv.

Din acest motiv este structural dificilă caracterizarea acestor alotrope de carbon; și în loc de aceasta, se preferă% carbonul său, care este o variabilă care îi facilitează diferențele, precum și proprietățile fizice și tendința sa de a arde sau arde.

Grup functional

S-a menționat că planurile hexagonale au un electron nepereche cu care poate forma o legătură cu alte molecule sau atomi. Dacă, să zicem, moleculele din jur sunt H ₂ O și CO ₂ , OH și grupări COOH poate fi de așteptat la forma, respectiv. De asemenea, se pot lega la atomii de hidrogen, formând legături CH.

Posibilitățile sunt foarte variate, dar în rezerve, carbonii amorfi pot găzdui grupuri funcționale oxigenate. Când acești heteroatomi sunt prezenți, ei nu sunt situați numai la marginile planurilor, ci și chiar și în interiorul lor.

Grafit

Structura cristalină a straturilor hexagonale de grafit. Sursa: MartinThoma.

Imaginea superioară prezintă un model cu sfere și șiruri din structura cristalină a grafitului. Din fericire, umbrele sferelor ajută la vizualizarea produsului de nori π al delocalizării electronilor lor neperecheți. Acest lucru a fost menționat în prima secțiune, fără atât de multe detalii.

Acești π nori pot fi comparați cu două sisteme: cel al inelelor de benzen și cel al „mărilor de electroni” din cristale metalice.

Orbitalii p se unesc între ei pentru a construi o pistă unde electronii călătoresc liber; dar numai între două straturi hexagonale; perpendicular pe ele, nu există flux de electroni sau curent (electronii ar trebui să treacă prin atomii de carbon).

Deoarece există o migrare constantă a electronilor, dipolii instantanei sunt formați în mod constant, ceea ce induce alți dipoli de atomi de carbon care sunt deasupra sau de dedesubt; adică straturile sau foile de grafit rămân unite datorită forțelor de dispersie londoneze.

Aceste straturi hexagonale, cum era de așteptat, creează un cristal de grafit hexagonal; sau mai bine zis, o serie de cristale mici conectate în unghiuri diferite. Norii π se comportă ca și cum ar fi un „unt electric”, permițând straturilor să alunece înaintea oricărei perturbări externe pe cristale.

Proprietăți fizice

Proprietățile fizice ale grafitului sunt ușor de înțeles odată ce structura sa moleculară a fost abordată.

De exemplu, punctul de topire al grafitului este foarte mare (mai mare de 4400ºC), deoarece energia furnizată sub formă de căldură trebuie să separe ireversibil straturile hexagonale și, de asemenea, să le rupă hexagonele.

S-a spus doar că straturile lor pot aluneca unul peste altul; Și nu numai, dar pot ajunge și pe alte suprafețe, cum ar fi celuloza care alcătuiește hârtia atunci când este depusă din grafitul creioanelor. Această proprietate permite grafitului să acționeze ca un lubrifiant excelent.

Și, deja menționat, este un bun conductor de electricitate, dar și de căldură și sunet.

Graphenes

Foaie de grafen fără legături duble. Sursa: Jynto

Deși nu a fost arătat în prima imagine, acest alotrop carbon nu poate fi lăsat în afara. Să presupunem că straturile de grafit au fost prinse și condensate într-o singură coală, deschise și acoperind o suprafață mare. Dacă acest lucru s-ar face molecular, s-ar naște grafene (imaginea de sus).

Deci, grafhenes este o foaie grafică individuală, care nu interacționează cu ceilalți și care se poate undui ca un steag. Rețineți că are o asemănare cu pereții fagurilor.

Aceste foi de grafen păstrează și înmulțesc proprietățile grafitului. Hexagonii săi sunt foarte greu de separat, deci prezintă o rezistență mecanică abisală; chiar mai mare decât oțelul. În plus, sunt extrem de ușoare și subțiri și, teoretic, un gram din ele ar fi suficient pentru a acoperi un întreg teren de fotbal.

Dacă priviți din nou imaginea de sus, puteți vedea că nu există legături duble. Cu siguranță pot exista ele, precum și legături triple (graffins). Aici se deschide chimia grafenului.

Ca și grafitul și celelalte straturi hexagonale, alte molecule se pot lega covalent de suprafața grafenului, funcționalizând structura sa pentru aplicații electronice și biologice.

Nanotuburi de carbon

Cele trei tipuri de nanotuburi de carbon. Sursa: Mstroeck prin Wikipedia.

Să presupunem acum că am apucat foile de grafen și am început să le rostogolim într-un tub; Acestea sunt nanotuburile de carbon. Lungimile și raza acestor tuburi sunt variabile, la fel și conformațiile lor spațiale. Împreună cu grafenul și fullerenele, acești nanotuburi alcătuiesc triada celor mai uimitoare alotrope de carbon.

Conformatii structurale

În imaginea superioară sunt prezentate trei nanotuburi de carbon. Care este diferența dintre ele? Toți trei au pereți cu model hexagonal și prezintă aceleași proprietăți de suprafață discutate deja. Răspunsul constă apoi în orientările relative ale acestor hexagoane.

Prima conformație corespunde tipului zig-zag (colțul din dreapta sus). Dacă se observă cu atenție, se va aprecia că are rânduri de hexagoane poziționate perfect perpendicular pe axa longitudinală a tubului.

În schimb, pentru conformația de tip fotoliu (colțul din dreapta jos), hexagonele sunt dispuse în rânduri în aceeași direcție cu axa longitudinală a tubului. În primul nanotub, hexagonele se execută pe toată suprafața în sensul diametrului său, iar în cel de-al doilea nanotub, acestea se desfășoară de-a lungul suprafeței, de la "capăt la capăt".

Și în final, există nanotubul chiral (colțul din stânga jos). Comparați cu o scară în spirală care merge spre stânga sau spre dreapta. La fel se întâmplă și cu acest nanotub de carbon: hexagonii săi sunt aranjați ascendent spre stânga sau spre dreapta. Deoarece există două versiuni spațiale, se spune atunci că prezintă chiralitate.

fullerene

Molecula de fulleren C60. Sursa: Benjah-bmm27.

La fullerene, hexagonii sunt încă menținuți, dar în plus, apar pentagoni, toate cu carboni sp ² . Foile sau straturile sunt deja lăsate în urmă: acum au fost pliate în așa fel încât să formeze o minge, similar cu o minge de fotbal; și în funcție de numărul de carbuni, la o minge de rugby.

Fullerenele sunt molecule care diferă ca mărime. Cel mai cunoscut este C ₆₀ (imaginea de sus). Aceste alotrope de carbon trebuie tratate sub formă de baloane, care se pot strânge împreună pentru a forma cristale, în care ionii și alte molecule pot fi prinse în interstițiile lor.

Aceste bile sunt purtătoare speciale sau suporturi pentru molecule. Cum? Prin legăturile covalente la suprafața sa, în special, la carbonii adiacenți ai unui hexagon. Se spune că fullerenul a fost funcționalizat (un aduct exoedric).

Pereții săi pot fi rupți strategic pentru a depozita molecule în interior; semănând cu o capsulă sferică. De asemenea, aceste bile pot avea fisuri și pot fi funcționalizate în același timp; totul va depinde de aplicația căreia îi sunt destinate.

Structura cristalului cubic a diamantului. Sursa: GYassineMrabetTalk✉ Această structură a fost creată cu PyMOL. .

Și în final, cel mai cunoscut dintre toate alotropele carbonului: diamantul (deși nu toate sunt carbon).

Structural, este format din sp ³ atomi de carbon , formând patru legături CC și o rețea tridimensională de tetraedru (imaginea superioară) a cărei celulă cristalină este cubică. Este cel mai greu dintre minerale, iar punctul său de topire este aproape de 4000ºC.

Tetraedrele lor sunt capabile să transfere căldura eficient în întreaga rețea de cristal; dar nu la fel cu electricitatea, deoarece electronii săi sunt foarte bine localizați în cele patru legături covalente și nu pot merge nicăieri. Prin urmare, este un bun conductor termic, dar este un izolator electric.

În funcție de modul în care este fațetată, aceasta poate împrăștia lumina în multe unghiuri luminoase și atractive, motiv pentru care sunt râvnite sub formă de pietre prețioase și bijuterii.

Rețeaua este foarte rezistentă, deoarece ar avea nevoie de multă presiune pentru a-și muta tetraedrul. Această proprietate îl face un material cu rezistență mecanică și duritate ridicată, capabil să facă tăieturi precise și curate, ca și în cazul bisturiului cu vârful diamantului.

Culorile lor depind de defectele lor cristalografice și de impuritățile lor.

Referințe

1. Shiver & Atkins. (2008). Chimie anorganică. (A patra editie). Mc Graw Hill.
2. Méndez Medrano, Ma. Guadalupe, Roșu, HC, Torres González, LA (2012). Grafen: cel mai promițător alotrop al carbonului. Act universitar. vol. 22, nr. 3, aprilie-mai, 2012, pp. 20-23, Universitatea din Guanajuato, Guanajuato, Mexic.
3. IES La Magdalena. Aviles. Asturias. (Sf). Forme alotrope de carbon. . Recuperat din: fisquiweb.es
4. Wikipedia. (2019). Alotrope de carbon. Recuperat de la: es.wikipedia.org
5. Sederberg David. (Sf). Alotrope de carbon. Recuperat din: web.ics.purdue.edu
6. Sederberg, D. (2009). Alotrope de carbon: totul este în modul în care sunteți împreună. Recuperat din: physics.purdue.edu
7. Hirsh A. (2010). Era epocii alotropelor de carbon. Departamentul de Chimie și Farmacie și Centrul Interdisciplinar de Materiale Moleculare (ICMM), Universitatea Friedrich-Alexander Erlangen-Nuremberg, Henkestrasse 42, 91054 Erlangen, Germania.
8. Consiliul Regenților din Sistemul Universității din Wisconsin. (2013). Nanotuburi și alte forme de carbon. Recuperat din: chimie.beloit.edu
9. Clark Jim. (2012). Structuri covalente gigantice. Recuperat din: chemguide.co.uk