ALLOTROPES ของคาร์บอน: คาร์บอนอสัณฐาน, กราไฟต์, กราฟีน, ท่อนาโน - เคมี

allotropes ของคาร์บอนจะแตกต่างกันรูปแบบทางกายภาพและจัดเรียงผูกอะตอมของพวกเขา แต่ละคนสอดคล้องกับของแข็งที่มีลักษณะพิเศษของตัวเอง โมเลกุลและโครงสร้างมีความแตกต่างจากกันและกัน มีสองประเภทหลักของ allotropes เหล่านี้: ผลึกและอสัณฐาน

Allotropes ผลึกคือสิ่งที่มีรูปแบบการทำซ้ำของอะตอมในอวกาศ ในขณะเดียวกันใน allotropes อสัณฐานอะตอมจะถูกจัดเรียงอย่างไม่เป็นระเบียบโดยที่ไม่มีบริเวณที่เหมือนกันสองแห่งในของแข็ง ดังนั้นคำสั่งในอดีตจึงไม่เป็นระเบียบ

แอลโลทรอปหลักของคาร์บอน ที่มา: Jozef Sivek

ในบรรดาผลึก ได้แก่ เพชร (a) และกราไฟต์ (e) ความยอดเยี่ยม สังเกตได้จากโครงสร้างที่แตกต่างกันในภาพบนซึ่งมีลักษณะร่วมกัน: ประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนเท่านั้น (ทรงกลมสีดำ)

และในบรรดาอะมอร์ฟัสแอลโลโทรสเรามีคาร์บอนอสัณฐาน (b) ซึ่งตามที่เห็นได้โครงสร้างของมันไม่เป็นระเบียบ อย่างไรก็ตามมีคาร์บอนอสัณฐานหลายประเภทดังนั้นจึงเป็นกลุ่มของแข็ง

นอกจากนี้อะตอมของคาร์บอนยังสามารถสร้างโมเลกุลเหนือโมเลกุลได้เช่นฟุลเลอรีน (c) และท่อนาโน (ง) supramolecules เหล่านี้อาจมีขนาดและรูปร่างแตกต่างกันไป แต่ยังคงรูปทรงเรขาคณิตไว้เหมือนเดิม ทรงกลมและท่อสำหรับฟูลเลอรีนและท่อนาโนตามลำดับ

พันธะโควาเลนต์ของคาร์บอน

ก่อนที่จะกล่าวถึง allotropes ของคาร์บอนที่รู้จักกันจำเป็นต้องทบทวนว่าอะตอมของคาร์บอนมีพันธะอย่างไร

ตามทฤษฎีพันธะวาเลนซ์คาร์บอนมีอิเล็กตรอน 4 ตัวในเปลือกวาเลนซ์ซึ่งพวกมันสร้างพันธะโควาเลนต์ ด้วยการส่งเสริมทางอิเล็กทรอนิกส์และการผสมพันธุ์ทำให้อิเล็กตรอนทั้งสี่ตัวสามารถอยู่ในวงโคจรแยกกันสี่วงไม่ว่าจะเป็นแบบบริสุทธิ์หรือแบบไฮบริด

ดังนั้นคาร์บอนจึงมีความสามารถในการสร้างพันธะได้สูงสุดสี่พันธะ

กระแสตรง. ด้วยพันธะสี่ CC อะตอมจึงมีความเป็นเวเลนซ์ออคเต็ตและเสถียรมาก อย่างไรก็ตามนี่ไม่ได้หมายความว่าจะมีเพียงสามลิงก์เหล่านี้เท่านั้นเช่นลิงก์ที่เห็นเป็นรูปหกเหลี่ยม

รูปหกเหลี่ยม

ขึ้นอยู่กับการผสมพันธุ์ของอะตอมของคาร์บอนพันธะคู่หรือสามพันธะสามารถพบได้ในโครงสร้างของแอลโลโทรปตามลำดับ แต่ที่ชัดเจนยิ่งกว่าการมีอยู่ของพันธะดังกล่าวคือรูปทรงเรขาคณิตที่คาร์บอนรับมาใช้

ตัวอย่างเช่นหากสังเกตเห็นรูปหกเหลี่ยมหมายความว่าคาร์บอนนั้นมีการผสมพันธุ์ sp ²ดังนั้นจึงมี p ออร์บิทัลบริสุทธิ์ที่มีอิเล็กตรอนตัวเดียว คุณเห็นรูปหกเหลี่ยมที่สมบูรณ์แบบในภาพแรกหรือไม่? allotropes ที่มีมันบ่งบอกว่าคาร์บอนของมันคือ sp ²ไม่ว่าจะมีพันธะคู่หรือไม่ก็ตาม (เช่นวงแหวนเบนซิน)

ชั้นตาข่ายระนาบหรือหกเหลี่ยมประกอบด้วย sp ²คาร์บอนที่มี "หลังคา" หรือ "เมฆ" แบบอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ของอิเล็กตรอนที่ไม่มีการจับคู่ของ p ออร์บิทัล อิเล็กตรอนนี้สามารถสร้างพันธะโควาเลนต์กับโมเลกุลอื่นหรือดึงดูดประจุบวกของไอออนโลหะ เหมือนพวก K ⁺และ Na +

ในทำนองเดียวกันอิเล็กตรอนเหล่านี้อนุญาตให้เปลือกหอยเหล่านี้ซ้อนทับกันโดยไม่เกิดพันธะ (เนื่องจากมีสิ่งกีดขวางทางเรขาคณิตและเชิงพื้นที่ต่อการทับซ้อนกันของวงโคจรสอง p) ซึ่งหมายความว่า allotropes ที่มีรูปทรงหกเหลี่ยมอาจได้รับคำสั่งให้สร้างคริสตัลหรือไม่ก็ได้

tetrahedra

หากจัตุรมุขเป็นที่สังเกตเป็นจะอธิบายในส่วนสุดท้ายก็หมายความว่าก๊อบปี้มี SP ³ผสมพันธุ์ ในนั้นมีพันธะ CC แบบธรรมดาสี่ชิ้นและสร้างตาข่ายคริสตัลแบบ tetrahedral ในเตตราเฮดราดังกล่าวไม่มีอิเล็กตรอนอิสระเนื่องจากมีอยู่ในรูปหกเหลี่ยม

คาร์บอนอสัณฐาน

ก้อนถ่านหินซึ่งเป็นตัวแทนของคาร์บอนอสัณฐาน ที่มา: pxhere.

คาร์บอนอสัณฐานสามารถจินตนาการได้ว่าเป็นฟองน้ำที่มีรูพรุนชนิดหนึ่งซึ่งมีเครือข่ายหกเหลี่ยมและจัตุรมุขจำนวนมาก ในเมทริกซ์แร่นี้สามารถดักจับองค์ประกอบอื่น ๆ ซึ่งสามารถอัดหรือขยายฟองน้ำดังกล่าวได้ และในทำนองเดียวกันนิวเคลียสโครงสร้างของมันอาจมีขนาดใหญ่ขึ้นหรือเล็กลง

ดังนั้นขึ้นอยู่กับ% คาร์บอนจึงได้รับคาร์บอนอสัณฐานประเภทต่างๆ เช่นเขม่าถ่านแอนทราไซต์คาร์บอนแบล็กพีทโค้กและถ่านกัมมันต์

เมื่อมองแวบแรกพวกมันทั้งหมดดูคล้ายกันจากระยะไกล (ภาพบนสุด) โดยมีการไล่ระดับไปที่ขอบสีดำทึมๆหรือโลหะและสีเทาหม่น

คาร์บอนอสัณฐานบางชนิดไม่ได้มีแหล่งกำเนิดเดียวกัน คาร์บอนตามชื่อของมันบ่งบอกถึงผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ของมวลผักและไม้ ในขณะที่คาร์บอนแบล็คและโค้กเป็นผลิตภัณฑ์ของขั้นตอนและเงื่อนไขที่แตกต่างกันของกระบวนการปิโตรเลียม

แม้ว่าจะดูไม่น่าสนใจมากนักและเชื่อได้ว่าเป็นเพียงเชื้อเพลิงเท่านั้น แต่ความพรุนของของแข็งก็ดึงดูดความสนใจในการใช้งานด้านเทคโนโลยีเช่นสารดูดซับและการกักเก็บสารและยังเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาอีกด้วย

Politypism

โครงสร้างของคาร์บอนอสัณฐานมีความซับซ้อนและไม่เป็นระเบียบ อย่างไรก็ตามการศึกษาทางผลึกแสดงให้เห็นว่าจริง ๆ แล้วพวกมันเป็นรูปหลายเหลี่ยม (เพชร) และหกเหลี่ยม (กราไฟต์) ซึ่งจัดเรียงเป็นชั้น ๆ โดยพลการ

ตัวอย่างเช่นถ้า T และ H เป็นชั้นจัตุรมุขและหกเหลี่ยมตามลำดับคาร์บอนอสัณฐานสามารถอธิบายโครงสร้างได้ว่า: THTHHTH; หรือ HTHTTHTHHT เป็นต้น ลำดับชั้น T และ H บางอย่างกำหนดชนิดของคาร์บอนอสัณฐาน แต่ภายในนั้นไม่มีแนวโน้มหรือรูปแบบซ้ำ ๆ

ด้วยเหตุนี้จึงเป็นเรื่องยากที่จะอธิบายลักษณะของคาร์บอนเหล่านี้ในเชิงโครงสร้าง และแทนที่จะเป็นเช่นนั้น% คาร์บอนเป็นที่ต้องการซึ่งเป็นตัวแปรที่เอื้อต่อความแตกต่างตลอดจนคุณสมบัติทางกายภาพและแนวโน้มที่จะเผาไหม้หรือเผาไหม้

กลุ่มฟังก์ชัน

มีการกล่าวถึงว่าระนาบหกเหลี่ยมมีอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่ซึ่งสามารถสร้างพันธะกับโมเลกุลหรืออะตอมอื่นได้ ถ้ากล่าวได้ว่าโมเลกุลรอบข้างคือ H ₂ O และ CO ₂กลุ่ม OH และ COOH สามารถก่อตัวได้ตามลำดับ นอกจากนี้ยังสามารถจับกับอะตอมของไฮโดรเจนทำให้เกิดพันธะ CH

ความเป็นไปได้นั้นแตกต่างกันมาก แต่โดยสรุปคาร์บอนอสัณฐานสามารถโฮสต์หมู่ฟังก์ชันที่มีออกซิเจนได้ เมื่อมีความแตกต่างกันเหล่านี้ไม่เพียง แต่ตั้งอยู่ที่ขอบของเครื่องบินเท่านั้น แต่ยังรวมถึงภายในด้วย

กราไฟท์

โครงสร้างผลึกของกราไฟท์ชั้นหกเหลี่ยม ที่มา: MartinThoma

ภาพด้านบนแสดงแบบจำลองที่มีทรงกลมและสายโครงสร้างผลึกของกราไฟต์ โชคดีที่เงาของทรงกลมช่วยให้เห็นภาพของผลิตภัณฑ์เมฆ of จากการแยกตัวของอิเล็กตรอนที่ไม่มีการจับคู่ของพวกมัน สิ่งนี้ถูกกล่าวถึงในส่วนแรกโดยไม่มีรายละเอียดมากมาย

เมฆπเหล่านี้สามารถเปรียบเทียบได้กับสองระบบคือวงแหวนเบนซีนและ "ทะเลอิเล็กตรอน" ในผลึกโลหะ

p ออร์บิทัลเชื่อมต่อกันเพื่อสร้างแทร็กที่อิเล็กตรอนเดินทางอย่างอิสระ แต่ระหว่างสองชั้นหกเหลี่ยมเท่านั้น ตั้งฉากกับพวกมันไม่มีการไหลของอิเล็กตรอนหรือกระแสไฟฟ้า (อิเล็กตรอนจะต้องผ่านอะตอมของคาร์บอน)

เนื่องจากมีการเคลื่อนย้ายของอิเล็กตรอนอย่างต่อเนื่องไดโพลในทันทีจึงเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องซึ่งทำให้เกิดไดโพลของคาร์บอนอะตอมอื่น ๆ ที่อยู่ด้านบนหรือด้านล่าง นั่นคือชั้นหรือแผ่นกราไฟท์ยังคงรวมกันเป็นหนึ่งเนื่องจากกองกำลังกระจายตัวของลอนดอน

ชั้นหกเหลี่ยมเหล่านี้ตามที่คาดไว้จะสร้างผลึกกราไฟท์หกเหลี่ยม หรือเป็นชุดของผลึกขนาดเล็กที่เชื่อมต่อกันในมุมต่างๆ เมฆπมีพฤติกรรมราวกับว่าเป็น "เนยไฟฟ้า" ทำให้ชั้นต่างๆเลื่อนออกไปก่อนที่จะเกิดการรบกวนจากภายนอกบนผลึก

คุณสมบัติทางกายภาพ

คุณสมบัติทางกายภาพของกราไฟท์สามารถเข้าใจได้ง่ายเมื่อได้กล่าวถึงโครงสร้างโมเลกุลแล้ว

ตัวอย่างเช่นจุดหลอมเหลวของกราไฟท์สูงมาก (สูงกว่า4400ºC) เนื่องจากพลังงานที่จ่ายในรูปของความร้อนจะต้องแยกชั้นหกเหลี่ยมออกจากกันอย่างไม่สามารถย้อนกลับได้และยังทำให้รูปหกเหลี่ยมแตก

มีการกล่าวเพียงว่าเลเยอร์ของมันสามารถเลื่อนทับกันได้ และไม่เพียงเท่านั้น แต่ยังสามารถจบลงบนพื้นผิวอื่น ๆ เช่นเซลลูโลสที่ประกอบเป็นกระดาษเมื่อนำมาจากกราไฟท์ของดินสอ คุณสมบัตินี้ช่วยให้กราไฟท์ทำหน้าที่เป็นน้ำมันหล่อลื่นที่ดีเยี่ยม

และตามที่กล่าวไปแล้วมันเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีและยังให้ความร้อนและเสียงอีกด้วย

Graphenes

แผ่นกราฟีนไม่มีพันธะคู่ ที่มา: Jynto

แม้ว่าจะไม่ปรากฏในภาพแรก แต่ก็ไม่สามารถทิ้งคาร์บอนนี้ได้ สมมติว่าชั้นของกราไฟท์ถูกจับและควบแน่นเป็นแผ่นเดียวเปิดและครอบคลุมพื้นที่ขนาดใหญ่ หากทำได้ในระดับโมเลกุลกราฟีนจะเกิด (ภาพบนสุด)

ดังนั้นกราฟีนจึงเป็นแผ่นกราฟิติกแต่ละแผ่นซึ่งไม่โต้ตอบกับผู้อื่นและสามารถโบกสะบัดเหมือนธง สังเกตว่ามันมีลักษณะคล้ายกับผนังรังผึ้ง

แผ่นกราฟีนเหล่านี้รักษาและเพิ่มคุณสมบัติของกราไฟท์ รูปหกเหลี่ยมของมันแยกออกจากกันได้ยากมากดังนั้นจึงมีความต้านทานเชิงกลที่รุนแรง สูงกว่าเหล็กด้วยซ้ำ นอกจากนี้ยังมีน้ำหนักเบาและบางมากและในทางทฤษฎีแล้วหนึ่งกรัมก็เพียงพอที่จะครอบคลุมทั้งสนามฟุตบอล

หากดูภาพบนสุดอีกครั้งจะเห็นว่าไม่มีพันธะคู่ แน่นอนอาจมีเช่นเดียวกับพันธะสาม (graffins) ที่นี่คือเคมีของกราฟีนเปิดขึ้นพูด

เช่นเดียวกับกราไฟต์และชั้นหกเหลี่ยมอื่น ๆ โมเลกุลอื่น ๆ สามารถจับโควาเลนต์กับพื้นผิวของกราฟีนได้โดยทำหน้าที่โครงสร้างสำหรับการใช้งานทางอิเล็กทรอนิกส์และทางชีวภาพ

ท่อนาโนคาร์บอน

ท่อนาโนคาร์บอนทั้งสามประเภท ที่มา: Mstroeck ผ่าน Wikipedia

สมมติว่าเราจับแผ่นกราฟีนแล้วเริ่มม้วนเป็นหลอด สิ่งเหล่านี้คือท่อนาโนคาร์บอน ความยาวและรัศมีของท่อเหล่านี้มีความผันแปรตามความสอดคล้องเชิงพื้นที่ เมื่อใช้ร่วมกับกราฟีนและฟูลเลอรีนท่อนาโนเหล่านี้ประกอบขึ้นเป็นสามกลุ่มของอัลโลทรอปคาร์บอนที่น่าทึ่งที่สุด

รูปแบบโครงสร้าง

ท่อนาโนคาร์บอนสามท่อแสดงอยู่ในภาพบน อะไรคือความแตกต่างระหว่างพวกเขา? ทั้งสามมีผนังลวดลายหกเหลี่ยมและแสดงคุณสมบัติพื้นผิวเดียวกันที่ได้กล่าวไปแล้ว คำตอบจะอยู่ในแนวสัมพัทธ์ของรูปหกเหลี่ยมเหล่านี้

โครงสร้างแรกสอดคล้องกับประเภทซิกแซก (มุมขวาบน) หากสังเกตอย่างละเอียดจะเห็นได้ชัดว่ามีรูปหกเหลี่ยมเรียงเป็นแถวตั้งฉากกับแกนตามยาวของท่ออย่างสมบูรณ์แบบ

ในทางตรงกันข้ามสำหรับโครงสร้างแบบอาร์มแชร์ (มุมขวาล่าง) รูปหกเหลี่ยมจะเรียงเป็นแถวในทิศทางเดียวกับแกนตามยาวของท่อ ในท่อนาโนหลอดแรกรูปหกเหลี่ยมจะเคลื่อนที่ไปตามพื้นผิวตามความหมายของเส้นผ่านศูนย์กลางและในท่อนาโนที่สองจะเคลื่อนที่ไปตามพื้นผิวจาก "ปลายถึงปลาย"

และสุดท้ายคือท่อนาโน chiral (มุมล่างซ้าย) เปรียบเทียบกับบันไดวนไปทางซ้ายหรือขวา สิ่งเดียวกันนี้เกิดขึ้นกับท่อนาโนคาร์บอนนี้: รูปหกเหลี่ยมจะเรียงจากน้อยไปมากไปทางซ้ายหรือขวา เนื่องจากมีสองเวอร์ชันเชิงพื้นที่จึงมีการกล่าวกันว่ามันจัดแสดงชิรัล

ฟูลเลอรี

C60 โมเลกุลฟูลเลอรีน ที่มา: Benjah-bmm27.

ในฟูลเลอรีที่หกเหลี่ยมจะยังคงรักษา แต่ในนอกจากนี้ห้าเหลี่ยมปรากฏทั้งหมดที่มี SP ²ก๊อบปี้ แผ่นหรือเลเยอร์ถูกทิ้งไปแล้วตอนนี้ถูกพับในลักษณะที่เป็นลูกบอลคล้ายกับลูกฟุตบอล และขึ้นอยู่กับจำนวนของปืนสั้นไปจนถึงลูกรักบี้

Fullerenes เป็นโมเลกุลที่มีขนาดแตกต่างกัน ที่มีชื่อเสียงที่สุดคือ C ₆₀ (ภาพบน) allotropes คาร์บอนเหล่านี้ควรได้รับการปฏิบัติเหมือนลูกโป่งซึ่งสามารถบีบอัดเข้าด้วยกันเพื่อสร้างผลึกซึ่งไอออนและโมเลกุลอื่น ๆ สามารถติดอยู่ภายในช่องว่างได้

ลูกบอลเหล่านี้เป็นพาหะพิเศษหรือรองรับโมเลกุล อย่างไร? ผ่านพันธะโควาเลนต์กับพื้นผิวโดยเฉพาะอย่างยิ่งกับคาร์บอนที่อยู่ติดกันของรูปหกเหลี่ยม จากนั้นกล่าวกันว่าฟูลเลอรีนได้รับการใช้งานแล้ว (adduct exohedral)

ผนังของมันสามารถแตกได้อย่างมีกลยุทธ์เพื่อกักเก็บโมเลกุลไว้ภายใน คล้ายแคปซูลทรงกลม ในทำนองเดียวกันลูกบอลเหล่านี้อาจมีรอยแตกและใช้งานได้ในเวลาเดียวกัน ทุกอย่างจะขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชันที่ต้องการ

โครงสร้างลูกบาศก์คริสตัลของเพชร ที่มา: GYassineMrabetTalk✉โครงสร้างนี้สร้างขึ้นด้วย PyMOL .

และในที่สุดสิ่งที่รู้จักกันดีที่สุดของ allotropes ของคาร์บอน: เพชร (แม้ว่าทั้งหมดจะไม่ใช่คาร์บอนก็ตาม)

โครงสร้างประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอน sp ³สร้างพันธะสี่ CC และเครือข่ายสามมิติของเตตระฮีดรา (ภาพบน) ที่มีเซลล์ผลึกเป็นลูกบาศก์ เป็นแร่ธาตุที่แข็งที่สุดและจุดหลอมเหลวอยู่ใกล้4000ºC

เตตราเฮดราของพวกมันสามารถถ่ายเทความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพทั่วโครงตาข่ายคริสตัล แต่ไม่เป็นเช่นนั้นกับไฟฟ้าเพราะอิเล็กตรอนของมันตั้งอยู่ได้ดีในพันธะโควาเลนต์ทั้งสี่และไม่สามารถไปไหน ดังนั้นจึงเป็นตัวนำความร้อนที่ดี แต่เป็นฉนวนไฟฟ้า

มันสามารถกระจายแสงในหลาย ๆ มุมที่สว่างและน่าดึงดูดซึ่งเป็นเหตุให้พวกมันเป็นที่ต้องการของอัญมณีและเครื่องประดับ

เครือข่ายมีความทนทานสูงเนื่องจากต้องใช้แรงกดดันอย่างมากในการเคลื่อนย้ายเตตระฮีดรา คุณสมบัตินี้ทำให้เป็นวัสดุที่มีความต้านทานเชิงกลและความแข็งสูงสามารถตัดได้อย่างแม่นยำและสะอาดเช่นเดียวกับมีดผ่าตัดปลายเพชร

สีของมันขึ้นอยู่กับข้อบกพร่องในการตกผลึกและสิ่งสกปรก

อ้างอิง

ตัวสั่นและแอตกินส์ (2008) เคมีอนินทรีย์. (พิมพ์ครั้งที่สี่). Mc Graw Hill
Méndez Medrano, Ma. Guadalupe, Rosu, HC, Torres González, LA (2012) กราฟีน: allotrope ที่มีแนวโน้มมากที่สุดของ Carbon พระราชบัญญัติมหาวิทยาลัย. ฉบับ 22 ไม่ 3 เมษายน - พฤษภาคม 2555 หน้า 20-23 มหาวิทยาลัยกวานาวาโตกวานาวาโตเม็กซิโก
IES La Magdalena Aviles Asturias (เอสเอฟ) คาร์บอนในรูปแบบ Allotropic . กู้คืนจาก: fisquiweb.es
วิกิพีเดีย (2019) allotropes คาร์บอน สืบค้นจาก: es.wikipedia.org
เซเดอร์เบิร์กเดวิด (เอสเอฟ) Allotropes ของคาร์บอน กู้คืนจาก: web.ics.purdue.edu
เซเดอร์เบิร์ก, D. (2009). Allotropes ของคาร์บอน: ทุกอย่างเป็นไปตามที่คุณรวบรวมไว้ กู้คืนจาก: phys.purdue.edu
เฮิร์ช A. (2010). ยุคของคาร์บอน allotropes ภาควิชาเคมีและเภสัชศาสตร์และศูนย์สหวิทยาการของวัสดุโมเลกุล (ICMM), Friedrich-Alexander University Erlangen-Nuremberg, Henkestrasse 42, 91054 Erlangen, Germany
คณะผู้สำเร็จราชการแทนพระองค์ของระบบมหาวิทยาลัยวิสคอนซิน (2013) ท่อนาโนและคาร์บอนในรูปแบบอื่น ๆ กู้คืนจาก: chemistry.beloit.edu
คลาร์กจิม (2012) โครงสร้างโควาเลนต์ยักษ์ สืบค้นจาก: chemguide.co.uk

ALLOTROPES ของคาร์บอน: คาร์บอนอสัณฐาน, กราไฟต์, กราฟีน, ท่อนาโน - เคมี - 2025