KARBON ALLOTROPLARI: AMORF KARBON, GRAFIT, GRAFENLER, NANOTÜPLER - KIMYA - 2024

Karbon allotroplarıdır farklı fiziksel formlar içerisinde sıralama ve bağlanan kendi atomlarıdır. Her biri kendine has özellikleri olan bir katıya karşılık gelir. Moleküler ve yapısal olarak birbirlerinden ayrılırlar. Bu allotropların iki ana türü vardır: kristal ve amorf.

Kristalin allotroplar, uzayda atomlarının tekrar eden bir modeline sahip olanlardır. Bu arada, amorf allotroplarda atomlar, katıda iki özdeş bölge olmaksızın düzensiz bir şekilde düzenlenir. Yani birincisi düzenlenir ve ikincisi düzensizdir.

Ana karbon allotropları. Kaynak: Jozef Sivek

Kristal olanlar arasında elmas (a) ve grafit (e) mükemmeldir. Yukarıdaki resimde ortak bir yönü olan farklı yapılar görülmektedir: bunlar sadece karbon atomlarından (siyah küreler) oluşur.

Ve şekilsiz allotroplar arasında, görülebileceği gibi, yapısı düzensiz olan amorf karbon (b) var. Bununla birlikte, birçok amorf karbon türü vardır, bu nedenle bir katı ailesidir.

Ayrıca karbon atomları, fullerenler (c) ve nanotüpler (d) gibi süper moleküller oluşturabilir. Bu supramoleküller boyut ve şekil bakımından değişebilir, ancak aynı geometrileri korurlar; sırasıyla fullerenler ve nanotüpler için küresel ve tübüler.

Kovalent karbon bağları

Karbonun bilinen allotroplarından bazılarına değinmeden önce, karbon atomlarının nasıl bağlandığını gözden geçirmek gerekir.

Değerlik bağı teorisine göre, karbonun değerlik kabuğunda kovalent bağlar oluşturdukları dört elektron vardır. Elektronik promosyon ve hibridizasyon sayesinde, dört elektron saf veya hibrit olmak üzere dört ayrı orbitalde yerleştirilebilir.

Bu nedenle, karbon en fazla dört bağ oluşturma yeteneğine sahiptir.

DC. Dört CC bağı ile atomlar değerlik sekizlisine ulaşır ve çok kararlı hale gelirler. Ancak bu, altıgenlerde görülenler gibi bu bağlantılardan yalnızca üçünün olamayacağı anlamına gelmez.

altıgenler

Karbon atomunun hibridizasyonlarına bağlı olarak, ilgili allotroplarının yapısında çift veya üçlü bağlar bulunabilir. Ancak, bu tür bağların varlığından daha da belirgin olan, karbonların benimsediği geometridir.

Bir altıgen görülmektedir, örneğin, bu karbon sp var demektir ² hibridizasyon ve bu nedenle yalnız bir elektron yörünge saf p var. İlk resimde mükemmel altıgenler görebiliyor musunuz? Bunları içeren bu allotroplarıdır kendi karbon sp anlamına ² (örneğin, benzen halkası olduğu gibi) çift bağ olup olmadığı.

Bir ağ, uçak veya altıgen tabaka daha sonra sp oluşmaktadır ² karbon atomu , bir elektronik “çatı” ya da “bulut”, yörünge p çiftlenmemiş elektrona sahip bir ürün olması. Bu elektron, diğer moleküllerle kovalent bağlar oluşturabilir veya metal iyonlarının pozitif yüklerini çekebilir; K ⁺ ve Na ^{+ '} nınki gibi .

Aynı şekilde, bu elektronlar, bu kabukların bağlanmadan (iki p orbitalinin üst üste gelmesine geometrik ve uzamsal bir engel nedeniyle) üst üste yığılmasına izin verir. Bu, altıgen geometrili allotropların bir kristal oluşturmak için sipariş edilebileceği veya verilmeyebileceği anlamına gelir.

tetrahedra'nın

Bir dörtyüzlü gözlenirse, geçen bölümde açıklanacaktır, bu karbon sp var demektir ³ hibridizasyon . İçlerinde dört basit CC bağı vardır ve bunlar bir tetrahedral kristal kafes oluştururlar. Bu tür dörtyüzlülerde, altıgenlerde olduğu gibi serbest elektron yoktur.

Amorf karbon

Amorf karbonun temsilcisi olan kömür parçaları. Kaynak: Pxhere.

Amorf karbon, rastgele düzenlenmiş birçok altıgen ve dört yüzlü ağa sahip bir tür gözenekli sünger olarak düşünülebilir. Bu mineral matriste, söz konusu süngeri sıkıştırabilen veya genişletebilen diğer elementleri hapsedebilirler; ve aynı şekilde yapısal çekirdekleri daha büyük veya daha küçük olabilir.

Bu nedenle,% karbona bağlı olarak çeşitli amorf karbon türleri türetilir; is, odun kömürü, antrasit, karbon siyahı, turba, kok ve aktif karbon gibi.

İlk bakışta, hepsi siyah, mat veya metalik ve grimsi tonların kenarlarına geçişlerle uzaktan benzer (üstteki resim) görünüyor.

Tüm amorf karbonlar aynı kökene sahip değildir. Bitkisel karbon, adından da anlaşılacağı gibi, sebze kütlelerinin ve odunun yanmasının ürünüdür. Karbon siyahı ve kok, petrol işlemlerinin farklı aşamalarının ve koşullarının ürünleridir.

Çok çekici görünmemelerine ve sadece yakıt görevi gördüklerine inanılırsa da katılarının gözenekleri, teknolojik arıtma uygulamalarında, emici ve madde depolama olarak ve ayrıca katalitik destek olarak dikkat çekmektedir.

Politypism

Amorf karbonların yapıları karmaşık ve düzensizdir; Bununla birlikte, kristalografik çalışmalar, bunların aslında katmanlar halinde keyfi olarak düzenlenmiş dört yüzlü (elmas) ve altıgen (grafit) politipler olduklarını göstermiştir.

Örneğin, T ve H sırasıyla dört yüzlü ve altıgen katmanlarsa, o zaman amorf bir karbon yapısal olarak şu şekilde tanımlanabilir: THTHHTH; veya HTHTTHTHHHT, vb. Belirli T ve H katman dizileri, bir tür amorf karbon tanımlar; ama içlerinde tekrar eden bir eğilim ya da kalıp yoktur.

Bu nedenle, bu karbon allotroplarını karakterize etmek yapısal olarak zordur; Bunun yerine farklılıklarını, fiziksel özelliklerini ve yanma veya yanma eğilimini kolaylaştıran bir değişken olan% karbonu tercih edilmektedir.

Fonksiyonel gruplar

Altıgen düzlemlerin, diğer moleküller veya atomlarla bir bağ oluşturabileceği eşleşmemiş bir elektrona sahip olduğu belirtildi. Demek ise, çevre molekülleri, H ₂ O ve CO ₂ , OH ve COOH grupları sırasıyla forma beklenebilir. Ayrıca hidrojen atomlarına bağlanarak CH bağları oluşturabilirler.

Olasılıklar çok çeşitlidir, ancak özetle amorf karbonlar oksijenli fonksiyonel grupları barındırabilir. Bu heteroatomlar mevcut olduğunda, yalnızca düzlemlerin kenarlarında değil, aynı zamanda içlerinde de bulunurlar.

Grafit

Altıgen grafit tabakalarının kristal yapısı. Kaynak: MartinThoma.

Üstteki resim, grafitin kristal yapısının küreleri ve ipleriyle bir modeli göstermektedir. Kürelerin gölgeleri, neyse ki, eşleşmemiş elektronlarının yer değiştirmesinin π bulutları ürününü görselleştirmeye yardımcı olur. Bu, çok fazla ayrıntı olmadan ilk bölümde bahsedildi.

Bu bulut bulutları iki sistemle karşılaştırılabilir: benzen halkaları ve metalik kristallerdeki "elektron denizleri".

P orbitalleri, elektronların serbestçe hareket ettiği bir iz oluşturmak için birbirleriyle birleşirler; ancak yalnızca iki altıgen katman arasında; bunlara dik olarak, elektron akışı veya akımı yoktur (elektronların karbon atomlarından geçmesi gerekir).

Elektronların sabit bir göçü olduğu için, sürekli olarak, yukarıdaki veya altındaki karbon atomlarının diğer dipollerini indükleyen anlık dipoller oluşur; yani, grafit katmanları veya levhaları, Londra dağılım kuvvetleri sayesinde birleşik kalır.

Bu altıgen katmanlar, beklenebileceği gibi, altıgen bir grafit kristali oluşturur; veya daha doğrusu, farklı açılarda bağlanmış bir dizi küçük kristal. Π bulutları bir "elektrikli tereyağı" gibi davranarak katmanların kristaller üzerinde herhangi bir dış etkiden önce kaymasına izin verir.

Fiziki ozellikleri

Grafitin fiziksel özelliklerinin moleküler yapısı ele alındığında anlaşılması kolaydır.

Örneğin grafitin erime noktası çok yüksektir (4400ºC'nin üzerinde), çünkü ısı şeklinde sağlanan enerjinin altıgen katmanları geri döndürülemez bir şekilde ayırması ve altıgenlerini de kırması gerekir.

Sadece katmanlarının birbirinin üzerine kayabileceği söylendi; Ve sadece değil, aynı zamanda kalemlerin grafitinden biriktirildiğinde kağıdı oluşturan selüloz gibi başka yüzeylere de bulaşabilirler. Bu özellik grafitin mükemmel bir yağlayıcı görevi görmesine izin verir.

Ve daha önce de belirtildiği gibi, iyi bir elektrik ve ayrıca ısı ve ses iletkenidir.

Graphenes

Çift bağ içermeyen grafen levha. Kaynak: Jynto

İlk görüntüde gösterilmemesine rağmen, bu karbon allotropu dışarıda bırakılamaz. Grafit katmanlarının kavrandığını ve tek bir tabaka halinde yoğunlaştırıldığını, açık ve geniş bir alanı kapladığını varsayalım. Bu moleküler olarak yapılsaydı, grafenler doğardı (en üstteki resim).

Dolayısıyla, grafenler, başkalarıyla etkileşime girmeyen ve bir bayrak gibi dalgalanabilen ayrı bir grafitik tabakadır. Peteklerin duvarlarına benzerlik gösterdiğine dikkat edin.

Bu grafen tabakalar grafitin özelliklerini korur ve çoğaltır. Altıgenlerini ayırmak çok zordur, bu nedenle berbat bir mekanik direnç gösterirler; çelikten bile daha yüksek. Ayrıca son derece hafif ve incedirler ve teorik olarak bir gramı tüm bir futbol sahasını kaplamak için yeterli olacaktır.

En üstteki resme tekrar bakarsanız, çift bağın olmadığını görebilirsiniz. Kesinlikle bunlar olabilir, ayrıca üçlü bağlar (graffin) olabilir. Diyelim ki grafenin kimyası burada açılıyor.

Grafit ve diğer altıgen katmanlar gibi, diğer moleküller de grafenin yüzeyine kovalent olarak bağlanarak yapısını elektronik ve biyolojik uygulamalar için işlevselleştirebilir.

Karbon nanotüpler

Üç tür karbon nanotüp. Kaynak: Wikipedia aracılığıyla Mstroeck.

Şimdi, grafen levhaları yakalayıp bir tüpe yuvarlamaya başladığımızı varsayalım; Bunlar karbon nanotüplerdir. Bu tüplerin uzunlukları ve yarıçapları, uzamsal biçimleri gibi değişkendir. Grafen ve fullerenlerle birlikte bu nanotüpler, en şaşırtıcı karbon allotroplarının üçlüsünü oluşturur.

Yapısal uygunluklar

Üst görüntüde üç karbon nanotüp gösterilmektedir. Onların arasındaki fark ne? Üçünün de altıgen desenli duvarları vardır ve daha önce tartışılan aynı yüzey özelliklerini sergiler. Cevap daha sonra bu altıgenlerin göreceli yönlerinde yatıyor.

İlk şekil, zikzak tipine (sağ üst köşe) karşılık gelir. Dikkatli bir şekilde gözlemlenirse, tüpün uzunlamasına eksenine mükemmel şekilde dikey olarak yerleştirilmiş altıgen sıralarına sahip olduğu takdir edilecektir.

Aksine, koltuk tipi konformasyon için (sağ alt köşe), altıgenler tüpün uzunlamasına ekseni ile aynı yönde sıralar halinde düzenlenmiştir. Birinci nanotüpte, altıgenler çapı anlamında yüzey boyunca ilerler ve ikinci nanotüpte ise yüzey boyunca "uçtan uca" ilerler.

Ve son olarak, kiral nanotüp (sol alt köşe) var. Sola veya sağa giden sarmal bir merdivenle karşılaştırın. Aynı şey bu karbon nanotüp için de geçerli: altıgenleri sola veya sağa doğru yükselecek şekilde düzenlenmiştir. İki uzamsal versiyon olduğu için kiralite sergilediği söylenir.

Fullerene

C60 fulleren molekülü. Kaynak: Benjah-bmm27.

Fullerenlerde, altıgenler hala korunur, ancak ek olarak, tümü sp ² karbonlu beşgenler görünür . Çarşaflar veya katmanlar zaten geride kaldı: şimdi bir futbol topuna benzer şekilde bir top oluşturacak şekilde katlandılar; ve karbon sayısına bağlı olarak bir rugby topuna.

Fullerenler, boyutları farklı olan moleküllerdir. En ünlüsü C _60'tır (üstteki resim). Bu karbon allotropları, iyonların ve diğer moleküllerin kendi boşlukları içinde hapsolabileceği kristaller oluşturmak için birlikte sıkışabilen balonlar olarak işlem görmelidir.

Bu toplar moleküller için özel taşıyıcılar veya desteklerdir. Nasıl? Yüzeyine, özellikle de bir altıgenin bitişik karbonlarına kovalent bağlar yoluyla. Fullerenin daha sonra işlevsel hale getirildiği söylenir (bir ekzohedral eklenti).

Molekülleri içeride depolamak için duvarları stratejik olarak kırılabilir; küresel bir kapsülü andırıyor. Aynı şekilde, bu toplarda çatlaklar olabilir ve aynı zamanda işlevsel hale getirilebilir; her şey amaçlandıkları uygulamaya bağlı olacaktır.

Elmasın kübik kristal yapısı. Kaynak: GYassineMrabetTalk✉Bu yapı PyMOL ile oluşturulmuştur. .

Ve son olarak, karbon allotroplarının en iyisi: elmas (hepsi karbon olmasa da).

Yapısal olarak, dört CC bağı oluşturan sp ³ karbon atomundan ve kristalin hücresi kübik olan üç boyutlu bir tetrahedra ağından (üstteki görüntü) oluşur. Mineraller içinde en sert olanıdır ve erime noktası 4000ºC'ye yakındır.

Dörtyüzlüleri, ısıyı kristal kafes boyunca verimli bir şekilde aktarabilir; ama elektrikte öyle değil, çünkü elektronları dört kovalent bağında çok iyi konumlanmış ve hiçbir yere gidemez. Bu nedenle iyi bir ısı iletkendir, ancak elektriksel bir yalıtkandır.

Yüzünün nasıl olduğuna bağlı olarak ışığı birçok parlak ve çekici açıyla dağıtabilir, bu nedenle değerli taşlar ve mücevherler olarak göze çarpmaktadırlar.

Ağ çok dirençlidir, çünkü dörtyüzlüsünü hareket ettirmek için çok fazla baskıya ihtiyaç duyar. Bu özellik, onu elmas uçlu neşterde olduğu gibi hassas ve temiz kesimler yapabilen, yüksek mekanik direnç ve sertliğe sahip bir malzeme haline getirir.

Renkleri, kristalografik kusurlarına ve safsızlıklarına bağlıdır.

Referanslar

1. Shiver ve Atkins. (2008). İnorganik kimya. (Dördüncü baskı). Mc Graw Hill.
2. Méndez Medrano, Ma. Guadalupe, Rosu, HC, Torres González, LA (2012). Grafen: Karbonun en umut verici allotropu. Üniversite Yasası. hac. 22, hayır. 3, Nisan-Mayıs 2012, s. 20-23, Guanajuato Üniversitesi, Guanajuato, Meksika.
3. IES La Magdalena. Avilés. Asturias. (Sf). Karbonun allotropik formları. . Kurtarıldığı kaynak: fisquiweb.es
4. Vikipedi. (2019). Karbon allotropları. Es.wikipedia.org adresinden kurtarıldı
5. Sederberg David. (Sf). Karbon Allotropları. Web.ics.purdue.edu adresinden kurtarıldı
6. Sederberg, D. (2009). Karbon allotropları: Hepsi bir araya getirme biçiminizdir. Elde edildi: physics.purdue.edu
7. Hirsh A. (2010). Karbon allotropları çağı. Kimya ve Eczacılık Bölümü ve Disiplinlerarası Moleküler Malzemeler Merkezi (ICMM), Friedrich-Alexander Üniversitesi Erlangen-Nürnberg, Henkestrasse 42, 91054 Erlangen, Almanya.
8. Wisconsin Üniversitesi Mütevelli Heyeti Sistemi. (2013). Nanotüpler ve Diğer Karbon Formları. Kimyadan kurtarıldı: chemistry.beloit.edu
9. Clark Jim. (2012). Dev kovalent yapılar. Kurtarıldı: chemguide.co.uk