คาร์บอนอสัณฐาน: ประเภทคุณสมบัติและการใช้งาน - เคมี

คาร์บอนอสัณฐานเป็นโครงสร้าง allotropic ใด ๆ ที่เต็มไปด้วยข้อบกพร่องโมเลกุลคาร์บอนและความผิดปกติ คำว่า allotrope หมายถึงองค์ประกอบทางเคมีเดียวเช่นอะตอมของคาร์บอนซึ่งสร้างโครงสร้างโมเลกุลที่แตกต่างกัน ผลึกบางชนิดและอื่น ๆ เช่นในกรณีนี้สัณฐาน

คาร์บอนอสัณฐานขาดโครงสร้างผลึกระยะยาวที่แสดงลักษณะของเพชรและกราไฟต์ ซึ่งหมายความว่ารูปแบบโครงสร้างจะคงที่เล็กน้อยเมื่อดูบริเวณของของแข็งที่อยู่ใกล้กันมาก และเมื่อพวกเขาอยู่ห่างไกลความแตกต่างก็ปรากฏชัด

การเผาถ่าน ที่มา: Pixabay

ลักษณะทางกายภาพและทางเคมีหรือคุณสมบัติของคาร์บอนอสัณฐานยังแตกต่างจากกราไฟต์และเพชร ตัวอย่างเช่นมีถ่านที่มีชื่อเสียงซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์จากการเผาไม้ (ภาพบน) นี่ไม่ใช่การหล่อลื่นและไม่เป็นมันวาวด้วย

มีคาร์บอนอสัณฐานหลายประเภทในธรรมชาติและพันธุ์เหล่านี้ยังสามารถสังเคราะห์ได้ ในรูปแบบต่างๆของคาร์บอนอสัณฐาน ได้แก่ คาร์บอนดำถ่านกัมมันต์เขม่าและถ่าน

คาร์บอนอสัณฐานมีประโยชน์ที่สำคัญในอุตสาหกรรมการผลิตไฟฟ้าเช่นเดียวกับในอุตสาหกรรมสิ่งทอและสุขภาพ

ประเภทของคาร์บอนอสัณฐาน

มีเกณฑ์หลายประการในการจัดประเภทเช่นที่มาองค์ประกอบและโครงสร้าง หลังขึ้นอยู่กับความสัมพันธ์ระหว่างคาร์บอนกับ sp ²และ sp ^{3 การ}ผสมพันธ์; นั่นคือผู้ที่กำหนดระนาบหรือจัตุรมุขตามลำดับ ดังนั้นเมทริกซ์อนินทรีย์ (แร่วิทยา) ของของแข็งเหล่านี้จึงซับซ้อนมาก

ตามที่มาของมัน

มีคาร์บอนอสัณฐานจากแหล่งกำเนิดตามธรรมชาติเนื่องจากเป็นผลิตภัณฑ์จากการออกซิเดชั่นและรูปแบบของการสลายตัวของสารประกอบอินทรีย์ คาร์บอนประเภทนี้ ได้แก่ เขม่าถ่านหินและคาร์บอนที่ได้จากคาร์ไบด์

คาร์บอนอสัณฐานสังเคราะห์ผลิตโดยเทคนิคการสะสมอาร์กคาโธดิกและสปัตเตอร์ นอกจากนี้ยังมีการผลิตสารเคลือบคาร์บอนอสัณฐานคล้ายเพชรหรือฟิล์มคาร์บอนอสัณฐาน

โครงสร้าง

คาร์บอนอสัณฐานสามารถแบ่งออกเป็นสามประเภทใหญ่ ๆ ขึ้นอยู่กับสัดส่วนของพันธะ sp ²หรือ sp ^{3 ที่}มีอยู่ มีคาร์บอนอสัณฐานซึ่งเป็นของธาตุที่เรียกว่าคาร์บอนอสัณฐาน (aC), คาร์บอนอสัณฐานที่เติมไฮโดรเจน (aC: H) และคาร์บอนอสัณฐานเตตระฮีดอล (ta-C)

ธาตุคาร์บอนอสัณฐาน

มักเรียกย่อว่า BC หรือ BC ประกอบด้วยถ่านกัมมันต์และคาร์บอนแบล็ก พันธุ์ของกลุ่มนี้ได้มาจากการเผาไหม้สารจากสัตว์และพืชที่ไม่สมบูรณ์ นั่นคือพวกมันเผาไหม้ด้วยการขาดออกซิเจนแบบสโตอิชิโอเมตริก

พวกเขานำเสนอพันธะ sp ²ในสัดส่วนที่สูงกว่าในโครงสร้างหรือองค์กรระดับโมเลกุล สามารถจินตนาการได้ว่าเป็นชุดของเครื่องบินที่จัดกลุ่มโดยมีทิศทางที่แตกต่างกันในอวกาศซึ่งเป็นผลคูณของคาร์บอนเตตระฮีดอลที่สร้างความแตกต่างกันในภาพรวม

จากนั้นนาโนคอมโพสิตถูกสังเคราะห์ด้วยการใช้งานอิเล็กทรอนิกส์และการพัฒนาวัสดุ

คาร์บอนอสัณฐานที่เติมไฮโดรเจน

ย่อเป็น BC: H หรือ HAC ซึ่งรวมถึงเขม่าควันถ่านหินที่สกัดได้เช่นน้ำมันดินและยางมะตอย เขม่าสามารถแยกแยะได้ง่ายเมื่อเกิดไฟไหม้ในภูเขาใกล้เมืองหรือในเมืองซึ่งสังเกตได้จากกระแสอากาศที่พัดพามันไปในรูปแบบของใบไม้สีดำที่เปราะบาง

ตามชื่อของมันประกอบด้วยไฮโดรเจน แต่โควาเลนต์เชื่อมโยงกับอะตอมของคาร์บอนไม่ใช่ประเภทโมเลกุล (H ₂ ) นั่นคือมีพันธบัตร CH ถ้าพันธะใดพันธะหนึ่งปล่อยไฮโดรเจนออกมาก็จะเป็นออร์บิทัลที่มีอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่ ถ้าอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่สองตัวนี้อยู่ใกล้กันมากพวกมันจะมีปฏิสัมพันธ์กันทำให้เกิดพันธะห้อยที่เรียกว่า

ด้วยคาร์บอนอสัณฐานประเภทนี้จะได้ฟิล์มหรือสารเคลือบที่มีความแข็งต่ำกว่าที่ทำด้วย ta-C

Tetrahedral amorphous carbon

เรียกโดยย่อว่า ta-C หรือเรียกว่าคาร์บอนคล้ายเพชร มันมีสัดส่วนที่สูงของ SP ³ไฮบริดพันธบัตร

ฟิล์มคาร์บอนอสัณฐานหรือสารเคลือบที่มีโครงสร้างเตตระฮีดอร์อสัณฐานอยู่ในการจำแนกประเภทนี้ พวกมันขาดไฮโดรเจนมีความแข็งสูงและคุณสมบัติทางกายภาพหลายอย่างคล้ายกับเพชร

โมเลกุลประกอบด้วยคาร์บอนเตตระฮีดอลที่ไม่มีรูปแบบโครงสร้างระยะยาว ในขณะที่เพชรลำดับจะคงที่ในบริเวณต่างๆของคริสตัล ta-C สามารถแสดงลำดับหรือรูปแบบลักษณะเฉพาะของคริสตัลได้ แต่ในระยะสั้นเท่านั้น

ส่วนประกอบ

ถ่านหินจัดเป็นชั้นของหินสีดำซึ่งมีองค์ประกอบอื่น ๆ เช่นกำมะถันไฮโดรเจนไนโตรเจนและออกซิเจน จากที่นี่คาร์บอนอสัณฐานจะเกิดขึ้นเช่นถ่านหินพีทแอนทราไซต์และลิกไนต์ แอนทราไซต์เป็นสารที่มีองค์ประกอบของคาร์บอนสูงที่สุดในบรรดาแอนทราไซต์

คุณสมบัติ

คาร์บอนอสัณฐานที่แท้จริงมีพันธะπที่แปลเป็นภาษาท้องถิ่นโดยมีความเบี่ยงเบนของระยะห่างระหว่างอะตอมและการแปรผันของมุมพันธะ มีพันธะไฮบริด sp ²และ sp ³ซึ่งมีความสัมพันธ์แตกต่างกันไปตามชนิดของคาร์บอนอสัณฐาน

คุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีเกี่ยวข้องกับองค์กรระดับโมเลกุลและโครงสร้างจุลภาค

โดยทั่วไปมีคุณสมบัติของความเสถียรสูงและมีความแข็งเชิงกลสูงทนต่อความร้อนและทนต่อการสึกหรอ นอกจากนี้ยังโดดเด่นด้วยความโปร่งใสทางแสงสูงค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำและความต้านทานต่อสารกัดกร่อนต่างๆ

คาร์บอนอสัณฐานไวต่อผลกระทบของการฉายรังสีมีความเสถียรทางเคมีไฟฟ้าสูงและการนำไฟฟ้ารวมถึงคุณสมบัติอื่น ๆ

การประยุกต์ใช้งาน

คาร์บอนอสัณฐานแต่ละประเภทมีลักษณะหรือคุณสมบัติของตัวเองและการใช้งานที่เฉพาะเจาะจงมาก

ถ่าน

ถ่านหินเป็นเชื้อเพลิงฟอสซิลดังนั้นจึงเป็นแหล่งพลังงานที่สำคัญซึ่งใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้าด้วย ผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อมของอุตสาหกรรมเหมืองถ่านหินและการใช้ในโรงไฟฟ้าเป็นที่ถกเถียงกันอย่างมากในปัจจุบัน

ถ่านกัมมันต์

มีประโยชน์สำหรับการดูดซึมเฉพาะส่วนหรือการกรองสารปนเปื้อนจากน้ำดื่มสารละลายลดสีและยังสามารถดูดซับก๊าซซัลเฟอร์

คาร์บอนสีดำ

คาร์บอนแบล็กถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในการทำสีหมึกพิมพ์และสีต่างๆ โดยทั่วไปคาร์บอนนี้ช่วยเพิ่มความแข็งแรงและความต้านทานของยาง

ในฐานะที่เป็นฟิลเลอร์ในขอบล้อหรือยางจะเพิ่มความต้านทานต่อการสึกหรอและปกป้องวัสดุจากการย่อยสลายที่เกิดจากแสงแดด

ฟิล์มคาร์บอนอสัณฐาน

การใช้ฟิล์มหรือสารเคลือบคาร์บอนอสัณฐานทางเทคโนโลยีในจอแบนและไมโครอิเล็กทรอนิกส์กำลังเติบโตขึ้น สัดส่วนของพันธะ sp ²และ sp ³หมายความว่าฟิล์มคาร์บอนอสัณฐานมีคุณสมบัติทางแสงและเชิงกลของความหนาแน่นและความแข็งผันแปร

ในทำนองเดียวกันพวกเขาใช้ในการเคลือบป้องกันแสงสะท้อนในการเคลือบเพื่อป้องกันรังสีและการใช้งานอื่น ๆ

อ้างอิง

ตัวสั่นและแอตกินส์ (2008) เคมีอนินทรีย์. (พิมพ์ครั้งที่สี่). Mc Graw Hill
วิกิพีเดีย (2018) ถ่านหินอสัณฐาน. สืบค้นจาก: en.wikipedia.org
Kouchi A. (2014) Amorphous Carbon. ใน: Amils R. et al. (eds) สารานุกรมโหราศาสตร์. สปริงเกอร์เบอร์ลินไฮเดลเบิร์ก
Yami (21 พฤษภาคม 2555). คาร์บอนในรูปแบบ Allotropic สืบค้นจาก: quimicaorganica-mky-yamile.blogspot.com
วิทยาศาสตร์โดยตรง. (2019) คาร์บอนอสัณฐาน ดึงมาจาก: sciencedirect.com
Rubio-Roy, M. , Corbella, C. และ Bertran, E. (2011). คุณสมบัติทางเผ่าของฟิล์มบางคาร์บอนอสัณฐานที่มีฟลูออรีน ดึงมาจาก: researchgate.net

คาร์บอนอสัณฐาน: ประเภทคุณสมบัติและการใช้งาน - เคมี - 2026