A SZÉN ALLOTROPJAI: AMORF SZÉN, GRAFIT, GRAFÉNEK, NANOCSÖVEK - KÉMIA - 2026

A szén allotropjai különféle fizikai formákban szétválogathatók és megkötik atomjaikat. Mindegyik szilárd anyagnak felel meg, amelynek sajátos jellemzői vannak. Molekulárisan és szerkezetileg megkülönböztetik őket egymástól. Ezen allotrópok két fő típusa létezik: kristályos és amorf.

A kristályos allotrópok azok, amelyek atomjainak ismétlődő mintája van az űrben. Eközben az amorf allotrópokban az atomok rendezetlenül vannak elrendezve, anélkül, hogy a szilárd anyagban két azonos régió lenne. Tehát az előbbi rendelt, az utóbbi pedig rendezetlen.

A szén fő alotropjai. Forrás: Jozef Sivek

A kristályosok között szerepel a gyémánt (a) és a grafit (e) par excellence. A felső képen különböző struktúrákat figyelnek meg, amelyeknek közös vonása van: csak szénatomokból állnak (fekete gömbök).

Az amorf allotrópok között van az amorf szén (b), amelynek szerkezete, amint látható, rendellenes. Vannak azonban sokféle amorf szénatom, tehát ez egy szilárd anyagcsalád.

A szénatomok szupramolekulákat is képezhetnek, például fullerének (c) és nanocsövek (d). Ezek a szupramolekulák méretben és alakban változhatnak, de ugyanazokat a geometriákat megtartják; gömb alakú és cső alakú a fullerének és a nanocsövek esetében.

A szén kovalens kötései

Mielőtt foglalkoznánk a szén egyes ismert alotrópjaival, át kell vizsgálnunk a szénatomok kötődésének módját.

A valenciakötési elmélet szerint a szénnek valenciahéjában négy elektron van, amelyekkel kovalens kötéseket képeznek. Az elektronikus promóciónak és a hibridizációnak köszönhetően a négy elektron négy különálló pályára helyezhető, legyen az tiszta vagy hibrid.

Ezért a szén legfeljebb négy kötést képezhet.

DC. Négy CC kötéssel az atomok elérték a valencia oktettet, és nagyon stabilok. Ez azonban nem azt jelenti, hogy ezeknek a kapcsolatoknak csak három lehet, például a hatszögben látható.

hatszög

A szénatom hibridizációjától függően kettős vagy hármas kötések megtalálhatók a megfelelő alotropok szerkezetében. De még ennél is nyilvánvalóbb, mint az ilyen kötések létezése, az a geometria, amelyet a szén elfogad.

Például, ha egy hatszög figyelhető meg, azt jelenti, hogy a szénatomok van SP ² hibridizáció, és ezért tiszta p orbitális egy magányos elektron. Látja a tökéletes hatszöget az első képen? Az azokat tartalmazó allotrópok azt sugallják, hogy szénatomjuk sp ², függetlenül attól, hogy vannak-e kettős kötések (például a benzolgyűrűben).

A háló-, sík- vagy hatszögletű réteg ekkor sp ² szénatomokból áll, amelyek elektronikus „tetővel” vagy „felhővel” rendelkeznek, a p orbitál páratlan elektronjának szorzata. Ez az elektron kovalens kötéseket képezhet más molekulákkal, vagy vonzza a fémionok pozitív töltését; mint a K ⁺ és a Na ⁺.

Hasonlóképpen, ezek az elektronok lehetővé teszik, hogy ezek a héjak egymásra rakódjanak egymáshoz, kötés nélkül (a két p-arbitál átfedésének geometriai és térbeli akadálya miatt). Ez azt jelenti, hogy a hatszögletű geometriájú allotropokat meg lehet rendelni, vagy nem, hogy elkészítsék a kristályokat.

tetraéder

Ha tetraédert észlelünk, amint azt az utolsó szakaszban elmagyarázzuk, ez azt jelenti, hogy a szénatomok sp ³ hibridizációval rendelkeznek. Ezekben négy egyszerű CC-kötés van, és tetraéderes kristályrácsot képeznek. Az ilyen tetraéderben nincsenek szabad elektronok, mint a hatszögben.

Amorf szén

Széndarabok, amorf szén képviselői. Forrás: Pxhere.

Az amorf szén egyfajta porózus szivacsként képzelhető el, sok önkényesen elrendezett hatszögletű és tetraéder hálózattal. Ebben az ásványi mátrixban más elemeket csapdába ejthetnek, amelyek a szivacsot tömöríthetik vagy kiterjeszthetik; és ugyanígy a szerkezeti atommagok is nagyobbak vagy kisebbek lehetnek.

Így a szén% -ától függően különféle típusú amorf szén származik; például korom, faszén, antracit, korom, tőzeg, koksz és aktív szén.

Első pillantásra mindegyik távolról hasonlónak tűnik (felső kép), a fekete, tompa vagy fémes és szürkés felszínek szélére eső fokozattal rendelkezik.

Nem minden amorf szén származik azonos módon. A növényi szén, amint a neve is mutatja, a növényi tömeg és a fa égetésének terméke. Míg a korom és a koksz a kőolajfolyamatok különböző szakaszaiban és körülményeiben állnak.

Noha nem tűnnek nagyon vonzónak, és feltételezhető, hogy csak üzemanyagként szolgálnak, szilárd anyagaik porozitása felhívja a figyelmet a technológiai tisztítási alkalmazások során, abszorbensek és anyagok tárolásakor, valamint katalitikus hordozókként.

Politypism

Az amorf szénatomok szerkezete összetett és rendezetlen; A kristálylográfiai vizsgálatok azonban azt mutatták, hogy valójában tetraéder (gyémánt) és hatszögletű (grafit) poliípusok, amelyek önkényesen vannak elrendezve rétegekben.

Például, ha T és H jelentése a tetraéder és a hatszögletű réteg, akkor egy amorf szén szerkezetileg a következőképpen írható le: THTHTH; vagy HTHTTHTHHHT stb. Bizonyos T és H réteg szekvenciák az amorf szén típusát határozzák meg; de bennük nincs ismétlődő trend vagy mintázat.

Ez az oka annak, hogy szerkezetileg nehéz jellemezni ezeket a szén allotropokat; ehelyett inkább a szén% -át részesíti előnyben, amely egy változó, amely megkönnyíti a különbségeket, valamint a fizikai tulajdonságait és az égési hajlamot.

Funkcionális csoportok

Megemlítették, hogy a hatszögletű síkok páratlan elektrontal rendelkeznek, amellyel kötést képezhet más molekulákkal vagy atomokkal. Ha mondjuk, a környező molekulák H ₂ O és CO ₂, akkor várható, hogy OH és COOH csoportok alakulnak ki. Ezek a vegyületek hidrogénatomokhoz is köthetnek, CH kötéseket képezve.

A lehetőségek nagyon változatosak, de összefoglalva az amorf szénatomok oxigénnel ellátott funkciós csoportokat tartalmazhatnak. Amikor ezek a heteroatomok vannak jelen, akkor nemcsak a síkok szélein helyezkednek el, hanem azokon belül is.

Grafit

A grafit hatszögletű rétegeinek kristályszerkezete. Forrás: MartinThoma.

A felső képen egy modell látható a grafit kristályszerkezetének gömbjeivel és húrjaival. A gömbök árnyékai szerencsére elősegítik a párosítatlan elektronok elhelyezésének π-felhők szorzata. Ezt már az első részben megemlítették, anélkül, hogy oly sok részletet tartalmaztak.

Ezeket a π-felhőket két rendszerrel lehet összehasonlítani: a benzolgyűrűk és a fémkristályok "elektron tengerei "é.

A p orbitálok csatlakoznak egymáshoz, hogy egy sávot építsenek, ahol az elektronok szabadon mozognak; de csak két hatszögletű réteg között; Rájuk merőlegesen nincs áram vagy áram (az elektronoknak át kellene haladniuk a szénatomokon).

Mivel az elektronok állandó vándorlása folyamatosan alakul ki, azonnali dipolok alakulnak ki, amelyek más szénatomok dipólusait indukálják, amelyek felette vagy alatt vannak; vagyis a grafitrétegek vagy -lemezek egységesek maradnak a londoni diszperziós erőknek köszönhetően.

Ezek a hatszögletű rétegek, amint várható, hatszögletű grafitkristályt képeznek; vagy inkább egy kis kristályok sorozata, amelyek különböző szögekkel vannak összekötve. A π-felhők úgy viselkednek, mintha "elektromos vaj" lennének, lehetővé téve a rétegek elcsúszását, mielőtt a kristályok bármilyen külső zavart okoznának.

Fizikai tulajdonságok

A grafit fizikai tulajdonságai könnyen megérthetők, miután meghatározták a molekuláris szerkezetét.

Például a grafit olvadáspontja nagyon magas (több mint 4400ºC), mivel a hő formájában szolgáltatott energianak visszafordíthatatlanul el kell választania a hatszögletű rétegeket, és meg kell szakítania azok hatszögeit is.

Csak azt mondták, hogy rétegeik átcsúszhatnak egymás felett; És nem csak, hanem más felületeken is végződhetnek, például a cellulózon, amely a papírból áll, amikor a ceruza grafitjából lerakódnak. Ez a tulajdonság lehetővé teszi, hogy a grafit kiváló kenőanyagként működjön.

És, mint már említettem, ez jó elektromos, hő- és hangvezető.

Graphenes

Grafén lemez kettős kötések nélkül. Forrás: Jynto

Noha az első képen nem volt látható, ezt a szén-allotrópot nem lehet kihagyni. Tegyük fel, hogy a grafitrétegeket megragadták és egyetlen lapra kondenzálták, nyitottnak és egy nagy területet lefedőnek. Ha ezt molekulárisan hajtanák végre, grafénok születnek (felső kép).

Tehát a grafikonok egy egyedi grafikus lapok, amelyek nem lépnek kölcsönhatásba másokkal, és amelyek hullámozhatnak, mint egy zászló. Vegye figyelembe, hogy hasonlít a méhsejt falaihoz.

Ezek a grafén lemezek megőrzik és megsokszorozják a grafit tulajdonságait. Hatszögeit nagyon nehéz elválasztani, így mechanikai ellenállást mutatnak; még magasabb, mint az acél. Ezen felül rendkívül könnyűek és vékonyak, és elvileg egy gramm elegendő lenne egy teljes focipálya lefedéséhez.

Ha ismét megnézi a felső képet, láthatja, hogy nincsenek kettős kötések. Természetesen vannak ezek, valamint hármas kötések (graffinok). Mondjuk, itt nyílik a grafén kémiája.

A grafithoz és a többi hatszögletű réteghez hasonlóan más molekulák kovalensen kötődhetnek a grafén felületéhez, funkcionalizálva annak szerkezetét elektronikus és biológiai alkalmazásokhoz.

Szén nanocsövek

A szén nanocsövek három típusa. Forrás: Mstroeck a Wikipedia segítségével.

Tegyük fel, hogy megragadtuk a grafén lemezeket és elkezdtük őket egy csőbe gördíteni. Ezek szén nanocsövek. Ezen csövek hossza és sugara változó, csakúgy, mint térbeli konformációik. A grafén és a fullerének mellett ezek a nanocsövek alkotják a legcsodálatosabb szén-allotrópok hármasát.

Szerkezeti átalakulások

A felső képen három szén nanocsövek vannak feltüntetve. Mi a különbség közöttük? Mindhárom hatszögletű mintás falú, és ugyanolyan felületi tulajdonságokkal rendelkeznek, mint amelyeket már tárgyaltunk. A válasz e hatszögek relatív orientációjában rejlik.

Az első alakítás megfelel a cikk-cakk típusnak (jobb felső sarok). Gondos megfigyelés esetén nyilvánvaló, hogy hatszög sorai tökéletesen merőlegesek a cső hossztengelyére.

Ezzel szemben a fotel típusú alakításhoz (jobb alsó sarok) a hatszögek sorokba vannak elrendezve, a cső hossztengelyével azonos irányba. Az első nanocsőben a hatszög átmérője értelmében áthalad a felületen, a második nanocső pedig "a végétől a végig" fut a felület mentén.

És végül ott van egy királis nanocső (bal alsó sarok). Hasonlítsa össze a bal vagy jobb oldali spirális lépcsővel. Ugyanez történik ezzel a szén nanocsövekkel: annak hatszöge balra vagy jobbra emelkedőn van elrendezve. Mivel két térbeli változat létezik, akkor azt mondják, hogy királis.

fullerének

C60 fullerén molekula. Forrás: Benjah-bmm27.

A fullerének, a hatszögek is fenntartja, de emellett, az ötszögekben jelenik meg, az összes SP ² szénatomot. A lapok vagy rétegek már hátramaradtak: most már oly módon hajtogatják, hogy egy labdát képezzenek, hasonlóan a futball-labdához; és a szénszámtól függően egy rögbi labdáig.

A fullerének olyan molekulák, amelyek méretükben különböznek. A leghíresebb a C ₆₀ (felső kép). Ezeket a szén-allotropokat léggömbökként kell kezelni, amelyek összepréselve képesek kristályok kialakulására, amelyekben az ionok és más molekulák csapdába eshetnek egymás közötti szakaszukban.

Ezek a golyók speciális hordozók vagy hordozók a molekulák számára. Hogyan? Kovalens kötéseken keresztül a felületén, különösképpen a hatszög szomszédos szénatomjaihoz. Ezután azt mondják, hogy a fullerén funkcionalizálódott (exoéder addukt).

Falai stratégiailag lebonthatók a molekulák belsejében való tárolására; egy gömb alakú kapszula. Hasonlóképpen, ezeknek a golyóknak repedése lehet és egyszerre működhetnek; minden attól az alkalmazástól függ, amelyre szánták.

Gyémánt köbös kristályszerkezete. Forrás: GYassineMrabetTalk✉ Ezt a struktúrát a PyMOL segítségével hozták létre..

És végül, a szén allotropjai közül a legismertebb: a gyémánt (bár nem mindegyik szén).

Szerkezetében sp ³ szénatomokból áll, négy CC kötést képezve, és egy háromdimenziós hálóból álló tetraéder (felső kép), amelynek kristályos cellája köbös. Ez az ásványok közül a legnehezebb, olvadáspontja közel 4000ºC.

A tetraéderei képesek hőt hatékonyan átvinni a kristályrácson keresztül; de nem így a villamos energiával, mert elektronjai nagyon jól elhelyezkednek a négy kovalens kötésben, és sehova sem tud menni. Ezért jó hővezető, de villamos szigetelő.

Attól függően, hogy ez milyen sokoldalú, sok fényes és vonzó szögben szórhatja a fényt, ezért drágaköveknek és ékszereknek szerepelnek.

A hálózat nagyon ellenálló, mert nagyon nagy nyomásra lenne szükség a tetraéder áthelyezéséhez. Ez a tulajdonság nagy mechanikai ellenállású és keménységű anyagból teszi pontos és tiszta vágásokat, akárcsak a gyémánt hegyű szikével.

Színeik kristálytani hibáktól és szennyeződésektől függnek.

Irodalom

1. Shiver és Atkins. (2008). Szervetlen kémia. (Negyedik kiadás). Mc Graw Hill.
2. Méndez Medrano, Guadalupe, Rosu, HC, Torres González, LA (2012). Grafén: A szén legígéretesebb allotropja. Egyetemi törvény. vol. 22., nem 3., 2012. április – május, p. 20–23, Guanajuato Egyetem, Guanajuato, Mexikó.
3. IES La Magdalena. Aviles. Asturias. (Sf). A szén allotropikus formái.. Helyreállítva: fisquiweb.es
4. Wikipedia. (2019). Szén allotropok. Helyreállítva: es.wikipedia.org
5. Sederberg David. (Sf). A szén allotropjai. Helyreállítva: web.ics.purdue.edu
6. Sederberg, D. (2009). A szén allotropjai: Mindent abban, ahogy összerakod. Helyreállítva: fizika.purdue.edu
7. Hirsh A. (2010). A szén-allotrópok kora. Vegyészeti és Gyógyszerészeti Tanszék és Molekuláris Anyagok Interdiszciplináris Központja (ICMM), Friedrich-Alexander Egyetem, Erlangen-Nürnberg, Henkestrasse 42, 91054 Erlangen, Németország.
8. A Wisconsini Rendszer Egyetemi Regensek Testülete. (2013). Nanocsövek és más szénformák. Helyreállítva: chemistry.beloit.edu
9. Clark Jim. (2012). Óriás kovalens struktúrák. Helyreállítva: chemguide.co.uk