HIILEN ALLOTROOPPISET YHDISTEET: AMORFINEN HIILI, GRAFIITTI, GRAFEENIT, NANOPUTKET - KEMIA

Allotrooppeja hiili on erilaisia fyysisiä muotoja, lajitella ja sitoutuvat niiden atomien. Jokainen vastaa kiinteää ainetta, jolla on omat erityispiirteensä. Molekyylisesti ja rakenteellisesti ne erotetaan toisistaan. Näitä allotrooppeja on kahta päätyyppiä: kiteinen ja amorfinen.

Kiteiset allotroopit ovat niitä, joilla on toistuva kuvio atomiensa avaruudessa. Samaan aikaan amorfisissa allotropeissa atomit on järjestetty epäsäännöllisesti, ilman että kiinteässä aineessa on kaksi identtistä aluetta. Joten ensimmäiset on tilattu, ja jälkimmäiset ovat epäjärjestyksessä.

Tärkeimmät hiilen allotroopit. Lähde: Jozef Sivek

Kiteisiä ovat timantti (a) ja grafiitti (e) par excellence. Yläkuvassa havaitaan erilaisia rakenteita, joilla on yhteinen näkökulma: ne koostuvat vain hiiliatomeista (mustat pallot).

Ja amorfisten allotrooppien joukossa meillä on amorfista hiiltä (b), jonka rakenne, kuten voidaan nähdä, on epäsäännöllinen. Amorfisia hiilejä on kuitenkin monen tyyppisiä, joten se on kiinteiden aineiden perhe.

Hiiliatomit voivat myös muodostaa supramolekyylejä, kuten fullereenit (c) ja nanoputket (d). Nämä supramolekyylit voivat vaihdella kooltaan ja muodoltaan, mutta ne säilyttävät samat geometriat; pallomainen ja putkimainen fullereenien ja nanoputkien osalta.

Hiilen kovalenttiset sidokset

Ennen kuin käsittelemme joitain tunnetuista hiilen allotropeista, on tarpeen tarkistaa, kuinka hiiliatomit sitoutuvat.

Valenssisidosteorian mukaan hiilellä on valenssikuoressaan neljä elektronia, joiden kanssa ne muodostavat kovalenttisia sidoksia. Sähköisen edistämisen ja hybridisaation ansiosta neljä elektronia voidaan sijoittaa neljään erilliseen kiertoradalle, olivatpa ne sitten puhdasta tai hybridiä.

Siksi hiilellä on kyky muodostaa korkeintaan neljä sidosta.

DC. Neljällä CC-sidoksella atomit saavuttavat valenssin oktetin ja niistä tulee erittäin vakaita. Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että näitä linkkejä ei voisi olla vain kolme, kuten kuusikulmioissa nähden.

laput

Riippuen hiiliatomin hybridisaatioista, niiden vastaavien allotrooppien rakenteessa voi löytyä kaksois- tai kolmoissidoksia. Mutta vielä selvempi kuin tällaisten sidosten olemassaolo on hiilien omaksuma geometria.

Esimerkiksi, jos kuusikulmio havaitaan, se tarkoittaa sitä, että hiiltä on sp ² hybridisaatio- ja siksi on puhdas p kiertoradan kanssa yksinäinen elektroni. Näetkö ensimmäisessä kuvassa täydelliset kuusikulmio? Ne allotropes, jotka sisältävät niitä tarkoita, että niiden hiilien ovat sp ², onko vai ei kaksoissidoksia (kuten bentseenirenkaan).

Verkon, tason tai kuusikulmainen kerros koostuu sitten sp ² -hiileistä, joissa on elektroninen "katto" tai "pilvi", p-kiertoradan parittoman elektronin tuote. Tämä elektroni voi muodostaa kovalenttisia sidoksia muiden molekyylien kanssa tai houkutella metalli-ionien positiivisia varauksia; kuten K ^{+: n} ja Na ^{+: n}.

Samoin nämä elektronit sallivat näiden kuorien pinota toistensa päälle ilman sitoutumista (johtuen geometrisestä ja spatiaalisesta esteestä kahden p-kiertoradan päällekkäisyydelle). Tämä tarkoittaa, että kuusikulmaisilla geometrioilla varustettuja allotroppeja voidaan määrätä rakentamaan kide.

tetrahedra

Jos havaitaan tetraedronia, kuten viimeisessä osassa selitetään, se tarkoittaa, että hiileillä on sp ³ -hybridisaatio. Niissä on neljä yksinkertaista CC-sidosta, ja ne muodostavat tetraedrisen kidehilan. Tällaisissa tetraedreissa ei ole vapaita elektroneja, kuten heksagoneissa.

Amorfinen hiili

Hiilipalat, edustavat amorfista hiiltä. Lähde: Pxhere.

Amorfista hiiltä voidaan kuvitella eräänlaisena huokoisena sienena, jossa on paljon mielivaltaisesti järjestettyjä kuusikulmaisia ja tetraedrisia verkkoja. Tässä mineraalimatriisissa ne voivat vangita muita elementtejä, jotka voivat tiivistää tai laajentaa mainittua sieniä; ja samalla tavalla sen rakenteelliset ytimet voivat olla suurempia tai pienempiä.

Siten, riippuen hiilen prosenttimäärästä, johdetaan erityyppisiä amorfisia hiilejä; kuten noki, puuhiili, antrasiitti, hiilimusta, turve, koksi ja aktiivihiili.

Ensi silmäyksellä ne kaikki näyttävät etäältä samanlaisilta (ylhäältä otettu kuva), ja niiden asteikot ovat mustan, tylsän tai metallisen ja harmahtavan ylikivun reunaan.

Kaikilla amorfisilla hiileillä ei ole samaa alkuperää. Kasvihiili, kuten nimensä osoittaa, on kasvismassojen ja puun palamisen tuote. Hiilimusta ja koksi ovat öljyprosessien eri vaiheiden ja olosuhteiden tuotteita.

Vaikka ne eivät näytä kovin houkuttelevilta ja voidaan uskoa, että ne toimivat vain polttoaineina, niiden kiintoaineiden huokoisuudet houkuttelevat huomiota teknisen puhdistuksen sovelluksissa, absorbenttien ja aineiden varastoinnissa sekä myös katalyyttisinä tukiaineina.

Politypism

Amorfisten hiilien rakenteet ovat monimutkaisia ja epäjärjestyneitä; Kristalografiset tutkimukset ovat kuitenkin osoittaneet, että ne ovat todella tetraedrisiä (timantti) ja heksagonaalisia (grafiitti) polytyyppejä, jotka on järjestetty mielivaltaisesti kerroksiin.

Esimerkiksi, jos T ja H ovat vastaavasti tetraedriset ja kuusikulmaiset kerrokset, niin amorfinen hiili voidaan kuvata rakenteellisesti seuraavasti: THTHHTH; tai HTHTTHTHHHT jne. Tietyt T- ja H-kerrossekvenssit määrittelevät amorfisen hiilen tyypin; mutta niiden sisällä ei ole toistuvaa trendiä tai kuviota.

Tästä syystä näitä hiilialotrooppeja on rakenteellisesti vaikea karakterisoida; ja sen sijaan sen prosentuaalinen hiili on edullinen, mikä on muuttuja, joka helpottaa sen eroja, samoin kuin sen fysikaalisia ominaisuuksia ja taipumusta palamaan tai palamaan.

Toiminnalliset ryhmät

Mainittiin, että kuusikulmaisissa tasoissa on pariton elektroni, jonka kanssa se voi muodostaa sidoksen muiden molekyylien tai atomien kanssa. Jos sanoa, ympäröivä molekyylit ovat H ₂ O: n ja CO ₂, OH ja COOH-ryhmiä voidaan odottaa muodossa, vastaavasti. Ne voivat myös sitoutua vetyatomeihin muodostaen CH-sidoksia.

Mahdollisuudet ovat hyvin erilaisia, mutta yhteenvetona voidaan todeta, että amorfiset hiilit voivat isännöidä hapetettuja funktionaalisia ryhmiä. Kun näitä heteroatomia on läsnä, ne eivät sijaitse vain tasojen reunoilla, vaan myös ja jopa niiden sisällä.

Grafiitti

Grafiitin kuusikulmaisten kerrosten kiderakenne. Lähde: MartinThoma.

Yläkuvassa on malli, jossa on pallot ja jouset grafiitin kiteisestä rakenteesta. Pallojen varjot auttavat onneksi näkemään π-pilvituotteen parittomien elektroniensa sijoittumisesta. Tämä mainittiin ensimmäisessä osassa ilman niin monia yksityiskohtia.

Näitä π-pilviä voidaan verrata kahteen järjestelmään: bentseenirenkaiden ja metallisissa kiteissä olevien "elektronisten merien" järjestelmiin.

P-kiertoradat liittyvät toisiinsa rakentaakseen radan, jossa elektronit liikkuvat vapaasti; mutta vain kahden kuusikulmaisen kerroksen välillä; kohtisuorassa heihin nähden, ei ole elektronien virtaa tai virtaa (elektronien tulisi kulkea hiiliatomien läpi).

Koska elektronien muuttuminen tapahtuu jatkuvasti, hetkellisesti muodostuu dipoleja, jotka indusoivat muita hiiliatomien dipoleja, jotka ovat ylä- tai alapuolella; ts. grafiitin kerrokset tai levyt pysyvät yhtenäisinä Lontoon hajontavoimien ansiosta.

Nämä kuusikulmaiset kerrokset, kuten voidaan odottaa, muodostavat kuusikulmaisen grafiittikiteen; tai pikemminkin sarja pieniä kiteitä, jotka on kytketty eri kulmiin. Π-pilvet käyttäytyvät kuin ne olisivat "sähkövoita", antaen kerrosten liukua ennen kiteiden ulkoisia häiriöitä.

Fyysiset ominaisuudet

Grafiitin fysikaaliset ominaisuudet on helppo ymmärtää, kun sen molekyylirakenne on selvitetty.

Esimerkiksi grafiitin sulamispiste on erittäin korkea (yli 4400ºC), koska lämmön muodossa kuljetetun energian on erotettava peruuttamattomasti kuusikulmaiset kerrokset ja myös hajotettava niiden kuusikulmio.

Juuri sanottiin, että niiden kerrokset voivat liukua toistensa yli; Ja ei vain, mutta ne voivat päätyä myös muille pinnoille, kuten selluloosalle, joka muodostaa paperin, kun se lasketaan kynien grafiitista. Tämän ominaisuuden ansiosta grafiitti voi toimia erinomaisena voiteluaineena.

Ja kuten jo mainittiin, se on hyvä sähkön, myös lämmön ja äänen johtaja.

grafeenien

Grafeenilevy ilman kaksoissidoksia. Lähde: Jynto

Tätä hiilialotrooppia ei voida jättää pois, vaikka sitä ei esitetty ensimmäisessä kuvassa. Oletetaan, että grafiittikerrokset tarttuivat ja tiivistettiin yhdeksi arkiksi, avoinna ja peittäen suuren alueen. Jos tämä tapahtuisi molekyylisesti, syntyisi grafeeneja (yläkuva).

Joten, grafeenit on yksittäinen grafiittiarkki, joka ei ole vuorovaikutuksessa muiden kanssa ja joka voi aaltoida kuin lippu. Huomaa, että se muistuttaa hunajakennojen seiniä.

Nämä grafeenilevyt säilyttävät ja moninkertaistavat grafiitin ominaisuudet. Sen kuusikulmioita on erittäin vaikea erottaa, joten niiden mekaaninen vastus on epänormaali; jopa korkeampi kuin teräs. Lisäksi ne ovat erittäin kevyitä ja ohuita, ja teoreettisesti yksi gramma niistä riittäisi kattamaan koko jalkapallokentän.

Jos katsot yläkuvaa uudelleen, voit nähdä, ettei kaksoissidoksia ole. Varmasti niitä voi olla, samoin kuin kolmoissidoksia (graffineja). Sanotaan, että tässä tapahtuu grafeenin kemia.

Kuten grafiitti ja muut kuusikulmaiset kerrokset, muutkin molekyylit voivat sitoutua kovalenttisesti grafeenin pintaan funktionalisoimalla sen rakenteen elektronisia ja biologisia sovelluksia varten.

Hiilinanoputket

Kolme hiilinanoputkityyppiä. Lähde: Mstroeck Wikipedian kautta.

Oletetaan nyt, että tarttuimme grafeenilevyihin ja aloimme heittää ne putkeen; Nämä ovat hiilinanoputkia. Näiden putkien pituudet ja säde ovat muuttuvia, samoin kuin niiden tilamuodot. Yhdessä grafeenin ja fullereenien kanssa nämä nanoputket muodostavat hämmästyttävimpien hiilialotrooppien kolmion.

Rakenteelliset muodonmuutokset

Yläkuvassa on kolme hiilinanoputkea. Mitä eroa heillä on? Kaikilla kolmella on kuusikulmainen kuvioitu seinä ja niillä on samat pintaominaisuudet, joista jo keskusteltiin. Sitten vastaus on näiden kuusikulmioiden suhteellisissa suuntauksissa.

Ensimmäinen muotoilu vastaa siksak-tyyppiä (oikea yläkulma). Jos tarkkaan tarkkaillaan, on selvää, että siinä on kuusikulmirivit, jotka on sijoitettu täydellisesti kohtisuoraan putken pituusakseliin nähden.

Sitä vastoin nojatuolityyppistä muotoilua varten (oikea alakulma) kuusikulmio on järjestetty riveihin samaan suuntaan kuin putken pituusakseli. Ensimmäisessä nanoputkessa kuusikulmiat kulkevat pinnan poikki halkaisijansa suhteen, ja toisessa nanoputkessa ne kulkevat pintaa pitkin "päästä päähän".

Ja lopuksi on kiraalinen nanoputki (vasen alakulma). Vertaa kierreportaita vasemmalle tai oikealle. Sama tapahtuu tähän hiilinanoputkeen: sen kuusikulmut on järjestetty nousevan vasemmalle tai oikealle. Koska spatiaalisia versioita on kaksi, sanotaan silloin, että sillä on kiraalisuus.

fullereenit

C60-fullereenimolekyyli. Lähde: Benjah-bmm27.

Että fullereenit, kuusiokulmioiden ovat yhä voimassa, mutta lisäksi viisikulmioita näyttävät, joissa kaikissa on sp ² hiiltä. Arkit tai kerrokset ovat jo jäljessä: nyt ne on taitettu siten, että ne muodostavat pallo, samanlainen kuin jalkapallo; ja rugbipallolle hiilimäärien mukaan.

Fullereenit ovat molekyylejä, jotka eroavat kooltaan. Kuuluisin on C ₆₀ (yläkuva). Näitä hiilialotrooppeja tulisi käsitellä ilmapalloina, jotka voivat puristua yhteen muodostaen kiteitä, joihin ionit ja muut molekyylit voivat jäädä kiinni rakojensa sisäpuolelle.

Nämä pallot ovat erityisiä kantajia tai molekyylien tukiaineita. Miten? Kovalenttisten sidosten kautta sen pintaan, erityisesti kuusikulmion viereisiin hiileihin. Tällöin sanotaan, että fullereenin on funktionalisoitu (eksoedrinen addukti).

Sen seinät voidaan hajottaa strategisesti molekyylien varastoimiseksi sisälle; muistuttavat pallomaista kapselia. Samoin näissä palloissa voi olla halkeamia ja ne voidaan käyttää samanaikaisesti; kaikki riippuu sovelluksesta, johon ne on tarkoitettu.

Timantin kuutiometri. Lähde: GYassineMrabetTalk✉Tämä rakenne luotiin PyMOL: lla..

Ja lopuksi, tunnetuin kaikista hiilen allotropeista: timantti (vaikka kaikki eivät ole hiiltä).

Rakenteellisesti, se koostuu sp ³ hiiliatomia, jotka muodostavat neljä CC sidoksia ja kolmiulotteisen verkoston tetrahedra (ylempi kuva), jonka kiteinen solu on kuutio. Se on vaikein mineraaleista, ja sulamispiste on lähellä 4000ºC.

Heidän tetraedransa kykenevät siirtämään lämpöä tehokkaasti koko kidehilan läpi; mutta ei niin sähkön kanssa, koska sen elektronit sijaitsevat erittäin hyvin sen neljässä kovalenttisessa sidoksessa eikä se pääse mihinkään. Siksi se on hyvä lämmönjohdin, mutta se on sähköeriste.

Riippuen siitä, kuinka se on monipuolinen, se voi hajottaa valon monissa kirkkaissa ja houkuttelevissa kulmissa, minkä vuoksi niitä halutaan jalokiviä ja koruja.

Verkko on erittäin kestävä, koska se vaatisi paljon painostusta tetraedransa siirtämiseksi. Tämä ominaisuus tekee siitä materiaalin, jolla on korkea mekaaninen kestävyys ja kovuus ja joka pystyy tekemään tarkkoja ja puhtaita leikkauksia, kuten timanttikivellä.

Niiden värit riippuvat niiden kristallografisista virheistä ja epäpuhtauksista.

Viitteet

Shiver ja Atkins. (2008). Epäorgaaninen kemia. (Neljäs painos). Mc Graw Hill.
Méndez Medrano, DI Guadalupe, Rosu, HC, Torres González, LA (2012). Grafeeni: Hiilen lupaavin allotrooppi. Yliopistolaki. vol. 22, ei. 3, huhti-toukokuu 2012, s. 20 - 23, University of Guanajuato, Guanajuato, Meksiko.
IES La Magdalena. Aviles. Asturias. (SF). Hiilen allotrooppiset muodot.. Palautettu: fisquiweb.es
Wikipedia. (2019). Hiilidioksidit. Palautettu osoitteesta: es.wikipedia.org
Sederberg David. (SF). Allotropes of Carbon. Palautettu osoitteesta: web.ics.purdue.edu
Sederberg, D. (2009). Hiilen Allotropes: Kaikki on tavalla, jolla olet koottu. Palautettu osoitteesta: fysiikka.purdue.edu
Hirsh A. (2010). Hiilimonotrooppien aikakausi. Kemian ja farmasian laitos ja molekyylimateriaalien monitieteinen keskus (ICMM), Friedrich-Alexander University Erlangen-Nürnberg, Henkestrasse 42, 91054 Erlangen, Saksa.
Wisconsin Universityn yliopiston virkamieslautakunta. (2013). Nanoputket ja muut hiilimuodot. Palautettu: chemistry.beloit.edu
Clark Jim. (2012). Jättiläinen kovalentti rakenteet. Palautettu: kemguide.co.uk

HIILEN ALLOTROOPPISET YHDISTEET: AMORFINEN HIILI, GRAFIITTI, GRAFEENIT, NANOPUTKET - KEMIA - 2026