VISI ANGLIES ALLITROPAI: AMORFINĖ ANGLIS, GRAFITAS, GRAFENAI, NANOVAMZDELIAI - CHEMIJA - 2025

Visi anglies allotropai yra skirtingos fizinės formos, rūšiuojami ir suriša jų atomus. Kiekvienas iš jų atitinka tvirtą medžiagą, turinčią savo ypatingas savybes. Molekuliniu ir struktūriniu požiūriu jie yra atskirti vienas nuo kito. Yra du pagrindiniai šių allotropų tipai: kristalinis ir amorfinis.

Kristaliniai allotropai yra tie, kurių erdvėje yra besikartojantys jų atomai. Tuo tarpu amorfiniuose alotropuose atomai yra išdėstyti netvarkingai, o kietoje vietoje nėra dviejų tapačių sričių. Taigi pirmieji yra užsakyti, o pastarieji yra netvarkingi.

Pagrindiniai anglies allotropai. Šaltinis: Jozefas Sivekas

Tarp kristalinių yra deimantas (a) ir grafitas (e). Viršutiniame paveikslėlyje pastebimos skirtingos struktūros, turinčios bendrą aspektą: jas sudaro tik anglies atomai (juodosios sferos).

Tarp amorfinių alotropų turime amorfinę anglį (b), kurios struktūra, kaip matyti, yra netvarkinga. Tačiau yra daugybė amorfinių anglies rūšių, taigi tai yra kietų medžiagų šeima.

Taip pat anglies atomai gali sudaryti supramolekules, tokias kaip fullenai (c) ir nanovamzdeliai (d). Šių supramolekulių dydis ir forma gali skirtis, tačiau jos išlaiko tas pačias geometrijas; sferinis ir vamzdinis atitinkamai fulleno ir nanovamzdeliams.

Kovalentiniai anglies ryšiai

Prieš nagrinėdami kai kuriuos žinomus anglies allotropus, būtina peržiūrėti, kaip anglies atomai yra sujungti.

Pagal valentinių ryšių teoriją, anglies valentiniame apvalkale yra keturi elektronai, su kuriais jie sudaro kovalentinius ryšius. Dėl elektroninio reklamavimo ir hibridizacijos keturi elektronai gali būti dedami į keturias atskiras orbitas, nesvarbu, ar tai gryni, ar hibridiniai.

Todėl anglis gali sudaryti iki keturių jungčių.

DC. Turėdami keturis CC ryšius, atomai pasiekia valentinį oktetą ir tampa labai stabilūs. Tačiau tai nereiškia, kad negali būti tik trys iš šių sąsajų, pavyzdžiui, matomų šešiakampiuose.

Šešiakampiai

Atsižvelgiant į anglies atomo hibridizaciją, jų atitinkamų alotropų struktūroje galima rasti dvigubus ar trigubus ryšius. Bet dar akivaizdžiau už tokių jungčių egzistavimą yra geometrija, kurią priima angliavandeniliai.

Pvz., Jei stebimas šešiakampis, tai reiškia, kad angliavandeniliai turi sp ² hibridizaciją ir todėl turi gryną p orbitalę su vienišu elektronu. Ar pirmame paveikslėlyje galite pamatyti tobulus šešiakampius? Šie allotropes, kurių sudėtyje yra juos reiškia, kad jų anglies yra sp ² , ar ne yra dvigubų jungčių (pavyzdžiui, iš benzeno žiedu).

Tuomet tinklo, plokštumos arba šešiakampio sluoksnį sudaro sp ² angliai , turintys elektroninį „stogą“ arba „debesį“, nesusijusio p orbitalės elektroną. Šis elektronas gali sudaryti kovalentinius ryšius su kitomis molekulėmis arba pritraukti teigiamus metalo jonų krūvius; kaip K ⁺ ir Na ⁺ .

Taip pat šie elektronai leidžia šiems apvalkalams sukrauti vienas ant kito, nesisiejant (dėl geometrinių ir erdvinių kliūčių dviejų p orbitalių sutapimui). Tai reiškia, kad allotropams su šešiakampėmis geometrijomis gali būti liepta sukurti kristalą arba jo negalima.

Tetrahedra

Jei tetraedro stebima, kaip bus paaiškinta skyriaus paskutinėje, tai reiškia, kad atomai turi Sp ³ hibridizacija . Juose yra keturios paprastos CC jungtys ir jos sudaro tetraedrinę kristalinę gardelę. Tokiuose tetraedruose nėra laisvų elektronų, kaip yra šešiakampiuose.

Amorfinė anglis

Anglies gabaliukai, amorfinės anglies tipai. Šaltinis: Pxhere.

Amorfinę anglį galima įsivaizduoti kaip savotišką porėtą kempinę su daugybe savavališkai išdėstytų šešiakampių ir tetraedrinių tinklų. Šioje mineralinėje matricoje jie gali įstrigti kitiems elementams, kurie gali sutankinti ar išplėsti minėtą kempinę; ir tuo pačiu būdu jo struktūriniai branduoliai gali būti didesni arba mažesni.

Taigi, atsižvelgiant į anglies% procentą, gaunami įvairių tipų amorfiniai angliavandeniliai; tokių kaip suodžiai, anglis, antracitas, suodžiai, durpės, koksas ir aktyvuota anglis.

Iš pirmo žvilgsnio jie visi atrodo tolygiai (vaizdas iš viršaus) su gradientais iki juodo, nuobodaus ar metalo ir pilkšvo atspalvio krašto.

Ne visi amorfiniai angliai turi tą pačią kilmę. Augalinė anglis, kaip rodo jos pavadinimas, yra daržovių masės ir medienos degimo produktas. Nors anglis ir koksas yra skirtingų naftos procesų stadijų ir sąlygų produktai.

Nors jie neatrodo labai patrauklūs ir galima tikėti, kad jie naudojami tik kaip kuras, jų kietųjų dalelių akytumas atkreipia dėmesį į technologinio valymo programas, kaip absorbentus ir medžiagas, taip pat kaip katalizines atramas.

Politypizmas

Amorfinių anglies struktūros yra sudėtingos ir netvarkingos; Tačiau kristalografiniai tyrimai parodė, kad jie iš tikrųjų yra tetraedriniai (rombiniai) ir šešiakampiai (grafito) polipai, savavališkai išdėstyti sluoksniais.

Pavyzdžiui, jei T ir H yra atitinkamai tetraedriniai ir šešiakampiai sluoksniai, tada amorfinę anglį struktūriškai galima apibūdinti taip: THTHTHTH; ar HTHTTHTHHHT ir kt. Tam tikros T ir H sluoksnių sekos apibūdina amorfinės anglies tipą; tačiau juose nėra pasikartojančių tendencijų ar modelio.

Būtent dėl ​​šios priežasties yra sunku apibūdinti šiuos anglies alotropus; vietoj to pirmenybė teikiama anglies%%, o tai yra kintamasis, palengvinantis jo skirtumus, taip pat jo fizikines savybes ir polinkį degti ar degti.

Funkcinės grupės

Buvo minėta, kad šešiakampės plokštumos turi neporinį elektroną, su kuriuo jis gali sudaryti ryšį su kitomis molekulėmis ar atomais. Jei tarkime, aplinkinės molekulės yra H ₂ O ir CO ₂ , galima tikėtis, kad susidarys atitinkamai OH ir COOH grupės. Jie taip pat gali jungtis prie vandenilio atomų, sudarydami CH ryšius.

Galimybės yra labai įvairios, tačiau apibendrinant galima pasakyti, kad amorfiniai angliavandeniliai gali sudaryti deguonimi prisotintas funkcines grupes. Kai yra šie heteroatomai, jie yra ne tik plokštumų kraštuose, bet ir net jų viduje.

Grafitas

Grafito šešiakampių sluoksnių kristalinė struktūra. Šaltinis: MartinThoma.

Viršutiniame paveikslėlyje pavaizduotas modelis su grafito kristalinės struktūros rutuliais ir eilutėmis. Sferų šešėliai, laimei, padeda vizualizuoti π debesų produktą iš jų nesusijusių elektronų delokalizacijos. Tai buvo paminėta pirmame skyriuje, neturint tiek daug detalių.

Šiuos π debesis galima palyginti su dviem sistemomis: benzeno žiedų ir metalų kristalų „elektronų jūrų“.

P orbitalės jungiasi viena prie kitos, kad sukurtų trasą, kurioje elektronai laisvai juda; bet tik tarp dviejų šešiakampių sluoksnių; statmenai jiems, nėra nei elektronų, nei srovės (elektronai turėtų praeiti per anglies atomus).

Kadangi vyksta nuolatinė elektronų migracija, nuolat susidaro momentiniai dipoliai, kurie indukuoja kitus anglies atomų dipolius, esančius aukščiau arba žemiau; tai yra, grafito sluoksniai ar lakštai išlieka vieningi dėl Londono dispersinių jėgų.

Šie šešiakampiai sluoksniai, kaip ir galima tikėtis, sukuria šešiakampį grafito kristalą; arba veikiau mažų kristalų, sujungtų skirtingais kampais, serija. Π debesys elgiasi taip, tarsi būtų „elektrinis sviestas“, leisdami sluoksniams slysti prieš bet kokius išorinius kristalų trikdžius.

Fizinės savybės

Fizines grafito savybes nesunku suprasti, kai tik atsižvelgiama į jo molekulinę struktūrą.

Pavyzdžiui, grafito lydymosi temperatūra yra labai aukšta (aukštesnė nei 4400ºC), nes šilumos pavidalu tiekiama energija turi negrįžtamai atskirti šešiakampius sluoksnius, taip pat sulaužyti jų šešiakampius.

Tiesiog buvo pasakyta, kad jų sluoksniai gali slysti vienas ant kito; Ir ne tik, bet jie taip pat gali patekti į kitus paviršius, pavyzdžiui, celiuliozę, kuri sudaro popierių, kai nusėda nuo pieštukų grafito. Ši savybė leidžia grafitui veikti kaip puikų tepalą.

Ir, kaip jau minėta, jis yra geras elektros, šilumos ir garso laidininkas.

Grafenai

Grafeno lapas be dvigubų jungčių. Šaltinis: Jynto

Nors ji nebuvo parodyta pirmame paveikslėlyje, šios anglies allotropės negalima palikti. Tarkime, kad grafito sluoksniai buvo sugriebti ir sutankinti į vieną lapą, atidaryti ir uždengti didelį plotą. Jei tai būtų padaryta molekuliškai, gimtų grafenai (vaizdas viršuje).

Taigi, grafenai yra atskiras grafikos lapas, nesąveikaujantis su kitais ir galintis banguoti kaip vėliava. Atminkite, kad jis panašus į korių sienas.

Šie grafeno lakštai išsaugo ir padaugina grafito savybes. Jos šešiakampius labai sunku atskirti, todėl jie pasižymi mechaniniu atsparumu; net aukščiau už plieną. Be to, jie yra ypač lengvi ir ploni, o teoriškai jų užtektų vieno gramo, kad būtų uždengtas visas futbolo laukas.

Jei dar kartą pažvelgsite į viršutinį vaizdą, pamatysite, kad nėra dvigubų jungčių. Be abejo, gali būti jų, taip pat trigubų jungčių (grafinų). Tarkime, atsidaro grafeno chemija.

Kaip ir grafitas bei kiti šešiakampiai sluoksniai, kitos molekulės gali kovalentiškai jungtis prie grafeno paviršiaus, funkcionalizuodamos jo struktūrą elektroninėms ir biologinėms reikmėms.

Anglies nanovamzdeliai

Trijų tipų anglies nanovamzdeliai. Šaltinis: „Mstroeck“ per Vikipediją.

Dabar tarkime, kad mes patraukėme grafeno lakštus ir pradėjome juos sukti į vamzdelį; Tai yra anglies nanovamzdeliai. Šių vamzdžių ilgis ir spindulys, taip pat jų erdvinės konformacijos, yra kintami. Šie nanovamzdeliai kartu su grafenu ir fullerinais sudaro nuostabiausių anglies alotropų triadą.

Konstrukcijų suderinimai

Viršutiniame paveikslėlyje parodyti trys anglies nanovamzdeliai. Kuo jie skiriasi? Visos trys sienos yra šešiakampės, raštuotos ir turi tas pačias jau aptartas paviršiaus savybes. Tada atsakymas slypi santykinėse šių šešiakampių orientacijose.

Pirmoji formacija atitinka zigzago tipą (viršutinis dešinysis kampas). Jei atidžiai stebėsite, bus suprantama, kad jis turi šešiakampių eiles, išdėstytas statmenai vamzdžio išilginei ašiai.

Priešingai, fotelio tipo konformacijai (apatiniame dešiniajame kampe) šešiakampiai yra išdėstyti eilėmis ta pačia kryptimi, kaip ir išilginė vamzdžio ašis. Pirmajame nanovamzde šešiakampiai eina per paviršių jo skersmens prasme, o antrajame nanovamzdelyje jie eina išilgai paviršiaus, „eina į galą“.

Galiausiai yra chiralinis nanovamzdelis (apatinis kairiajame kampe). Palyginkite su spiraliniais laiptais, einančiais į kairę arba į dešinę. Tas pats atsitinka su šiuo anglies nanovamzde: jo šešiakampiai yra išdėstyti kylant į kairę arba į dešinę. Kadangi yra dvi erdvinės versijos, tada sakoma, kad ji pasižymi chirališkumu.

Fullerenes

C60 fulleno molekulė. Šaltinis: „Benjah-bmm27“.

Be fulerenów, šešiakampiai vis dar išlaikė, bet to, penkiakampių atrodo, visi su sp ² angliukai . Lakštai ar sluoksniai jau yra palikti: dabar jie buvo sulankstyti taip, kad sudarytų kamuolį, panašų į futbolo kamuolį; ir priklausomai nuo angliavandenilių skaičiaus, prie regbio kamuolio.

Fullerenai yra molekulės, kurių dydis skiriasi. Garsiausias yra C ₆₀ (viršutinis vaizdas). Šie anglies alotropai turėtų būti traktuojami kaip balionai, kurie gali susispausti ir sudaryti kristalus, kuriuose jonai ir kitos molekulės gali būti įstrigę jų tarpeliuose.

Šie rutuliai yra specialūs nešėjai ar atramos molekulėms. Kaip? Per kovalentinius ryšius prie jo paviršiaus, ypač prie gretimų šešiakampio anglies. Tada sakoma, kad fullenas buvo funkcionalizuotas (egzoedrinis adduktas).

Jo sienos gali būti strategiškai sulaužytos, kad saugotų molekules viduje; primenanti sferinę kapsulę. Taip pat šie rutuliai gali turėti įtrūkimus ir tuo pat metu būti funkcionalūs; viskas priklausys nuo to, kuriai programai jie skirti.

Deimantų kubinių kristalų struktūra. Šaltinis: GYassineMrabetTalk✉Ši struktūra buvo sukurta naudojant PyMOL. .

Galiausiai, žinomiausias iš visų anglies allotropų: deimantas (nors ne visi yra anglis).

Struktūriškai jis susideda iš sp ³ anglies atomų , sudarančių keturis CC ryšius ir trimatį tinklą tetraedrų (viršutinis vaizdas), kurio kristalinė ląstelė yra kubinė. Tai sunkiausias iš mineralų, o jo lydymosi temperatūra yra artima 4000ºC.

Jų tetraedrai gali efektyviai perduoti šilumą per kristalų gardelę; bet ne su elektra, nes jos elektronai yra labai gerai išdėstyti keturiuose kovalentiniuose ryšiuose ir ji niekur negali eiti. Todėl jis yra geras šilumos laidininkas, tačiau yra ir elektros izoliatorius.

Priklausomai nuo veido briaunų, jis gali išsklaidyti šviesą įvairiais ryškiais ir patraukliais kampais, todėl jie yra geidžiami kaip brangakmeniai ir papuošalai.

Tinklas yra labai atsparus, nes tam, kad būtų galima perkelti savo tetraedrą, reikės daug spaudimo. Dėl šios savybės jis yra didelio mechaninio atsparumo ir kietumo medžiaga, galinti tiksliai ir švariai pjaustyti, kaip ir skalpelis su deimantu.

Jų spalvos priklauso nuo kristalografinių defektų ir priemaišų.

Nuorodos

1. Šiveris ir Atkinsas. (2008). Neorganinė chemija. (Ketvirtasis leidimas). Mc Graw Hill.
2. Méndez Medrano, Mada Guadalupe, Rosu, HC, Torres González, LA (2012). Grafenas: perspektyviausia anglies allotrope. Universiteto aktas. tomas 22, Nr. 3, 2012 m. Balandžio – gegužės mėn., P. 20–23, Guanajuato universitetas, Guanajuato, Meksika.
3. IES La Magdalena. Aviles. Astūrija. (sf). Allotropinės anglies formos. . Atkurta iš: fisquiweb.es
4. Vikipedija. (2019 m.). Anglies allotropai. Atkurta iš: es.wikipedia.org
5. Sederbergas Deividas. (sf). Anglies allotropai. Atkurta iš: web.ics.purdue.edu
6. Sederbergas, D. (2009). Visi anglies allotropai: Viskas taip, kaip jūs esate sudėti. Atkurta iš: fizika.purdue.edu
7. Hiršas A. (2010). Anglies alotropų era. Friedricho-Aleksandro universiteto Erlangeno-Niurnbergo universiteto Chemijos ir farmacijos bei tarpdisciplininio molekulinių medžiagų centro (ICMM) skyrius, Henkestrasse 42, 91054 Erlangen, Vokietija.
8. Viskonsino sistemos universiteto Regentų valdyba. (2013). Nanovamzdeliai ir kitos anglies formos. Atkurta iš: chemija.beloit.edu
9. Klarkas Džimas. (2012). Milžiniškos kovalentinės struktūros. Atgauta iš: chemguide.co.uk