ALLOTROPY UHLÍKU: AMORFNÍ UHLÍK, GRAFIT, GRAFENY, NANOTRUBICE - CHEMIE - 2025

K allotropes uhlíku různé fyzikální formy sortable a vázání jejich atomů. Každý odpovídá pevné látce s vlastními zvláštními vlastnostmi. Molekulárně a strukturálně se od sebe liší. Existují dva hlavní typy těchto allotropů: krystalický a amorfní.

Krystalické allotropy jsou ty, které mají opakující se strukturu svých atomů v prostoru. Mezitím jsou v amorfních allotropech atomy uspořádány nepořádně, aniž by v pevné látce existovaly dvě identické oblasti. Takže první z nich jsou nařízena a druhá jsou neuspořádaná.

Hlavní allotropy uhlíku. Zdroj: Jozef Sivek

Mezi krystalické patří diamant (a) a grafit (e) par excellence. Na horním obrázku je vidět různé struktury, které mají společný aspekt: ​​jsou složeny pouze z atomů uhlíku (černé koule).

A mezi amorfními allotropy máme amorfní uhlík (b), který, jak je vidět, jeho struktura je narušena. Existuje však mnoho typů amorfních uhlíků, takže se jedná o rodinu pevných látek.

Atomy uhlíku mohou také vytvářet supramolekuly, jako jsou fullereny (c) a nanotrubice (d). Tyto supramolekuly se mohou lišit velikostí a tvarem, ale zachovávají si stejné geometrie; kulovité a trubkové pro fullereny a nanotrubice.

Kovalentní vazby uhlíku

Před oslovením některých známých allotropů uhlíku je nutné přezkoumat, jak jsou atomy uhlíku vázány.

Podle teorie valenčních vazeb má uhlík ve svém valenčním plášti čtyři elektrony, s nimiž tvoří kovalentní vazby. Díky elektronické podpoře a hybridizaci mohou být čtyři elektrony umístěny do čtyř samostatných orbitálů, ať už jsou čisté nebo hybridní.

Proto má uhlík schopnost tvořit maximálně čtyři vazby.

DC. Se čtyřmi CC vazbami atomy dosáhnou valenčního oktetu a stanou se velmi stabilní. To však neznamená, že nemohou existovat pouze tři z těchto vazeb, jako jsou ty, které lze vidět v hexagonech.

Šestiúhelníky

V závislosti na hybridizaci atomu uhlíku lze ve struktuře příslušných allotropů nalézt dvojné nebo trojné vazby. Ale ještě jasnější než existence takových vazeb je geometrie, kterou uhlíky přijímají.

Například, pokud je pozorováno šestiúhelník, to znamená, že uhlíky mají sp ² hybridizaci, a proto mají čistý p orbitální s osamělý elektronu. Vidíte na prvním obrázku dokonalé šestiúhelníky? Ty allotropy, které je obsahují, znamenají, že jejich uhlíky jsou sp ², ať už existují dvojné vazby (jako jsou vazby benzenového kruhu).

Síťová, rovinná nebo hexagonální vrstva pak sestává z uhlíků sp ^2, které mají elektronickou „střechu“ nebo „cloud“, produkt nepárového elektronu orbitálu. Tento elektron může vytvářet kovalentní vazby s jinými molekulami nebo přitahovat kladné náboje kovových iontů; jako K ⁺ a Na ⁺.

Podobně tyto elektrony umožňují, aby se tyto skořápky stohovaly na sebe, aniž by se vázaly (kvůli geometrické a prostorové překážce překrývání dvou orbitálů). To znamená, že allotropy s hexagonálními geometriemi mohou nebo nemusí být objednány, aby vytvořily krystal.

Tetrahedra

Objeví-li se čtyřstěn, jak bude vysvětleno v předchozí části, to znamená, že uhlíky mají sp ³ hybridizaci. V nich jsou čtyři jednoduché vazby CC a tvoří tetrahedrální křišťálovou mříž. V takové tetrahedře neexistují žádné volné elektrony jako v hexagonech.

Amorfní uhlík

Kusy uhlí, představující amorfní uhlík. Zdroj: Pxhere.

Amorfní uhlík si lze představit jako druh porézní houby se spoustou libovolně uspořádaných hexagonálních a čtyřstěnných sítí. V této minerální matrici mohou zachytit další prvky, které mohou zhutnit nebo rozšířit uvedenou houbu; a stejným způsobem mohou být jeho strukturální jádra větší nebo menší.

Tak, v závislosti na% uhlíku, jsou odvozeny různé typy amorfních uhlíků; jako je saze, uhlí, antracit, saze, rašelina, koks a aktivní uhlí.

Na první pohled vypadají všechny vzdáleně (horní obrázek), s odstupňováním k okraji černé, matné nebo kovové a šedivé podtóny.

Ne všechny amorfní uhlíky mají stejný původ. Rostlinný uhlík, jak název napovídá, je produktem spalování rostlinných hmot a dřeva. Zatímco saze a koks jsou produkty různých fází a podmínek ropných procesů.

Ačkoli se nezdají příliš atraktivní a lze se domnívat, že slouží pouze jako palivo, pórovitost jejich pevných látek přitahuje pozornost v technologických čisticích aplikacích, jako ukládání absorbentů a látek a také jako katalytické nosiče.

Politypismus

Struktury amorfních uhlíků jsou komplexní a neuspořádané; Krystalografické studie však ukázaly, že se jedná o skutečně tetrahedrální (diamantový) a hexagonální (grafitový) polytyp, uspořádaný libovolně do vrstev.

Pokud jsou například T a H tetrahedrální a hexagonální vrstva, lze amorfní uhlík strukturně popsat jako: THTHHTH; nebo HTHTTHTHHHT atd. Některé sekvence vrstvy T a H definují typ amorfního uhlíku; ale uvnitř nich není opakující se trend nebo vzorec.

Z tohoto důvodu je strukturálně obtížné charakterizovat tyto uhlíkové allotropy; a místo toho je upřednostňováno jeho% uhlíku, což je proměnná, která usnadňuje její rozdíly, jakož i jeho fyzikální vlastnosti a jeho tendenci hořet nebo hořet.

Funkční skupiny

Bylo zmíněno, že hexagonální roviny mají nepárový elektron, se kterým může tvořit vazbu s jinými molekulami nebo atomy. Pokud je, řekněme, okolní molekuly H ₂ O a CO ₂, OH a COOH skupiny, lze očekávat, že forma, resp. Mohou se také vázat na atomy vodíku a vytvářet vazby CH.

Možnosti jsou velmi rozmanité, ale v souhrnu mohou amorfní uhlíky hostit okysličené funkční skupiny. Když jsou tyto heteroatomy přítomny, nejsou umístěny pouze na okrajích rovin, ale také, dokonce i uvnitř nich.

Grafit

Krystalová struktura hexagonálních vrstev grafitu. Zdroj: MartinThoma.

Horní obrázek ukazuje model s koulí a řetězci krystalické struktury grafitu. Stíny koulí naštěstí pomáhají vizualizovat produkt mraků z delokalizace jejich nepárových elektronů. To bylo zmíněno v první sekci, bez tolika detailů.

Tyto π mraky lze přirovnat ke dvěma systémům: benzenovým kruhům a „elektronovým mořím“ v kovových krystalech.

Orbitaly se spojí, aby vytvořily stopu, kde se elektrony volně pohybují; ale pouze mezi dvěma hexagonálními vrstvami; kolmo k nim není žádný tok elektronů nebo proudu (elektrony by musely procházet atomy uhlíku).

Protože dochází k neustálé migraci elektronů, neustále se vytvářejí okamžité dipóly, které indukují další dipóly atomů uhlíku, které jsou nad nebo pod; to znamená, že vrstvy nebo listy grafitu zůstávají sjednoceny díky londýnským rozptylovým silám.

Tyto hexagonální vrstvy, jak by se dalo očekávat, vytvářejí hexagonální grafitový krystal; nebo spíš řada malých krystalů spojených pod různými úhly. Mraky π se chovají, jako by šlo o „elektrické máslo“, což umožňuje vrstvám klouzat před vnějším narušením krystalů.

Fyzikální vlastnosti

Fyzikální vlastnosti grafitu jsou snadno pochopitelné, jakmile je řešena jeho molekulární struktura.

Například teplota tání grafitu je velmi vysoká (nad 4400 ° C), protože energie dodávaná ve formě tepla musí nevratně oddělit hexagonální vrstvy a také rozbít jejich šestiúhelníky.

Bylo řečeno, že jejich vrstvy se mohou klouzat po sobě; A nejen to, ale mohou také skončit na jiných površích, jako je celulóza, která tvoří papír, když je nanesen z grafitu tužek. Tato vlastnost umožňuje grafitu působit jako vynikající mazivo.

A jak již bylo zmíněno, je to dobrý dirigent elektřiny a také tepla a zvuku.

Graphenes

Grafický list bez dvojných vazeb. Zdroj: Jynto

Ačkoli to nebylo ukázáno na prvním obrázku, tento uhlíkový allotrop nemůže být vynechán. Předpokládejme, že vrstvy grafitu byly uchopeny a zkondenzovány do jednoho listu, otevřené a zakrývající velkou plochu. Pokud by to bylo provedeno molekulárně, zrodily by se grafeny (horní obrázek).

Takže, graphenes je individuální grafitický list, který neinteraguje s ostatními a který může mávat jako vlajka. Všimněte si, že se podobá stěnám voštin.

Tyto grafenové listy zachovávají a znásobují vlastnosti grafitu. Její šestiúhelníky je velmi obtížné oddělit, takže představují propastný mechanický odpor; dokonce vyšší než ocel. Navíc jsou extrémně lehké a tenké a teoreticky jeden gram z nich by stačil na pokrytí celého fotbalového hřiště.

Když se znovu podíváte na horní obrázek, uvidíte, že neexistují žádné dvojné vazby. Určitě tam mohou být i trojité vazby (graffiny). Právě zde se otevírá chemie grafenu, řekněme.

Podobně jako grafit a další hexagonální vrstvy se jiné molekuly mohou kovalentně vázat na povrch grafenu a funkcionalizovat svou strukturu pro elektronické a biologické aplikace.

Uhlíkové nanotrubice

Tři typy uhlíkových nanotrubic. Zdroj: Mstroeck přes Wikipedia.

Předpokládejme, že jsme chytili grafenové desky a začali je válcovat do zkumavky; Jedná se o uhlíkové nanotrubice. Délky a poloměr těchto trubek jsou variabilní, stejně jako jejich prostorové konformace. Spolu s grafenem a fullereny tvoří tyto nanotrubičky trojici nejúžasnějších alotronů uhlíku.

Strukturální konformace

Na horním obrázku jsou znázorněny tři uhlíkové nanotrubice. Jaký je mezi nimi rozdíl? Všechny tři mají stěny se šestihranným vzorem a vykazují stejné povrchové vlastnosti, jaké již byly diskutovány. Odpověď pak spočívá v relativní orientaci těchto šestiúhelníků.

První konformace odpovídá typu klikatá (pravý horní roh). Při pečlivém pozorování bude oceněno, že má řady šestiúhelníků umístěné dokonale kolmo k podélné ose trubky.

Naproti tomu pro uspořádání typu křesla (pravý dolní roh) jsou hexagony uspořádány v řadách ve stejném směru jako podélná osa trubice. V první nanotrubici přecházejí hexagony po povrchu ve smyslu jeho průměru a ve druhé nanotrubici probíhají po povrchu od „konce do konce“.

A konečně je zde chirální nanotrubice (levý dolní roh). Porovnejte točité schodiště vlevo nebo vpravo. Totéž se stane s touto uhlíkovou nanotrubicí: její šestiúhelníky jsou uspořádány vzestupně doleva nebo doprava. Protože existují dvě prostorové verze, říká se, že vykazuje chiralitu.

Fullereny

C60 fullerenová molekula. Zdroj: Benjah-bmm27.

V fullereny, šestiúhelníky jsou stále zachována, ale navíc se objeví pětiúhelníků, to vše s sp ² uhlících. Plechy nebo vrstvy jsou již pozadu: nyní byly složeny tak, že vytvářejí kouli, podobnou fotbalovému míči; a v závislosti na počtu uhlíků na rugbyový míč.

Fullereny jsou molekuly, které se liší velikostí. Nejslavnější je C ₆₀ (horní obrázek). Tyto uhlíkové allotropy by měly být považovány za balóny, které se mohou stlačovat dohromady a vytvářet krystaly, ve kterých mohou být ionty a další molekuly zachyceny ve svých mezerách.

Tyto koule jsou speciální nosiče nebo podpory molekul. Jak? Kovalentními vazbami na svůj povrch, zejména na sousední uhlíky šestiúhelníku. Fulleren je pak řekl, aby byl funkcionalizován (exohedral adduct).

Její stěny lze strategicky rozbít, aby se uvnitř uložily molekuly; připomínající kulovitou kapsli. Stejně tak mohou mít tyto koule praskliny a mohou být funkcionalizovány současně; vše bude záviset na aplikaci, pro kterou jsou určeny.

Kubická krystalická struktura diamantu. Zdroj: GYassineMrabetTalk✉Tato struktura byla vytvořena pomocí PyMOL..

A konečně, nejznámější ze všech allotropů uhlíku: diamant (i když ne všechny jsou uhlík).

Strukturálně se skládá z sp ³ atomy uhlíku, které tvoří čtyři CC vazby a trojrozměrné sítě tetraedrů (horní obrázek), jehož krystalická buňka je krychlový. Je to nejtvrdší z minerálů a jeho teplota tání je blízká 4000 ° C.

Jejich tetraedra jsou schopna účinně přenášet teplo skrz krystalovou mříž; ale ne tak s elektřinou, protože její elektrony jsou velmi dobře umístěny ve svých čtyřech kovalentních vazbách a nemůže nikam jít. Proto je to dobrý tepelný vodič, ale je to elektrický izolátor.

V závislosti na tom, jak je to provedeno, může rozptýlit světlo v mnoha jasných a atraktivních úhlech, a proto jsou vyhledávány jako drahé kameny a šperky.

Síť je velmi odolná, protože k přesunu její čtyřstěny by potřeboval velký tlak. Tato vlastnost z něj činí materiál s vysokou mechanickou odolností a tvrdostí, který je schopen provádět přesné a čisté řezy, jako u skalpelu s diamantovým hrotem.

Jejich barvy závisí na jejich krystalografických vadách a jejich nečistotách.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganická chemie. (Čtvrté vydání). Mc Graw Hill.
2. Méndez Medrano, Ma. Guadalupe, Rosu, HC, Torres González, LA (2012). Graphene: Carbon's nejslibnější allotrope. Univerzitní zákon. sv. 22, ne. 3, duben-květen 2012, str. 20-23, University of Guanajuato, Guanajuato, Mexiko.
3. IES La Magdalena. Aviles. Asturie. (sf). Allotropické formy uhlíku.. Obnoveno z: fisquiweb.es
4. Wikipedia. (2019). Uhlíkové allotropy. Obnoveno z: es.wikipedia.org
5. Sederberg David. (sf). Allotropy uhlíku. Obnoveno z: web.ics.purdue.edu
6. Sederberg, D. (2009). Allotropy uhlíku: Všechno je to tak, jak jste dali dohromady. Obnoveno z: physics.purdue.edu
7. Hirsh A. (2010). Éra uhlíkových allotropů. Katedra chemie a farmacie a interdisciplinární centrum molekulárních materiálů (ICMM), Friedrich-Alexander University Erlangen-Nuremberg, Henkestrasse 42, 91054 Erlangen, Německo.
8. Rada vladařů University of Wisconsin System. (2013). Nanotrubice a jiné formy uhlíku. Obnoveno z: chemistry.beloit.edu
9. Clark Jim. (2012). Obří kovalentní struktury. Obnoveno z: chemguide.co.uk