ALLOTROPER AV KOL: AMORFT KOL, GRAFIT, GRAFENER, NANORÖR - KEMI

De allotropes av kol är olika fysikaliska former sorterbara och binder deras atomer. Var och en motsvarar en solid med sina egna speciella egenskaper. Molekylärt och strukturellt skiljer de sig från varandra. Det finns två huvudtyper av dessa allotroper: kristallin och amorf.

Kristallina allotroper är de som har ett upprepande mönster av deras atomer i rymden. Under tiden, i amorfa allotroper, är atomerna arrangerade oordning, utan att det finns två identiska regioner i det fasta materialet. Så de förstnämnda är beordrade, och de senare är oroliga.

Huvudsakliga kolototroppar. Källa: Jozef Sivek

Bland de kristallina är diamant (a) och grafit (e) par excellence. I den övre bilden observeras olika strukturer som har en gemensam aspekt: de består endast av kolatomer (svarta sfärer).

Och bland de amorfa allotroperna har vi det amorfa kolet (b), som, som framgår, dess struktur är oordning. Men det finns många typer av amorfa kolatomer, så det är en familj av fasta ämnen.

Kolatomer kan också bilda supramolekyler, såsom fullerener (c) och nanorör (d). Dessa supramolekyler kan variera i storlek och form, men de har samma geometrier; sfäriska och rörformade för fullerener respektive nanorör.

Kovalenta bindningar av kol

Innan man tar upp några av de kända allotroperna kol, är det nödvändigt att granska hur kolatomer är bundna.

Enligt valensbindningsteorin har kol fyra elektroner i sitt valensskal, med vilket de bildar kovalenta bindningar. Tack vare elektronisk marknadsföring och hybridisering kan de fyra elektronerna placeras i fyra separata orbitaler, vare sig de är rena eller hybrid.

Därför har kol förmågan att bilda upp till maximalt fyra bindningar.

DC. Med fyra CC-bindningar når atomerna valensoktetten och de blir mycket stabila. Detta betyder dock inte att det inte bara kan finnas tre av dessa länkar, till exempel de som ses i sexhörningar.

Hexagons

Beroende på hybridiseringarna av kolatomen kan dubbla eller trippelbindningar återfinnas i strukturen för deras respektive allotrop. Men ännu tydligare än förekomsten av sådana bindningar är geometrien som kolhydraterna använder.

Till exempel, om en hexagon observeras, betyder det att kolerna har sp ^2- hybridisering och därför har en ren p-orbital med en ensam elektron. Kan du se perfekta sexhörningar i den första bilden? De allotroper som innehåller dem antyder att deras kol är sp ² , oavsett om det finns dubbelbindningar eller inte (till exempel bensenringen).

Ett nät-, plan- eller hexagonalt lager består sedan av sp ² kolatomer som har ett elektroniskt "tak" eller "moln", en produkt från p-orbitalens oparade elektron. Denna elektron kan bilda kovalenta bindningar med andra molekyler eller locka till sig de positiva laddningarna av metalljoner; som K ⁺ och Na ⁺ .

På samma sätt tillåter dessa elektroner att dessa skal staplas ovanpå varandra utan bindning (på grund av en geometrisk och rumslig hinder för överlappningen mellan de två p-orbitalerna). Detta innebär att allotroper med hexagonala geometrier får eller inte får order att bygga en kristall.

tetrae

Om en tetrahedron observeras, vilket kommer att förklaras i det sista avsnittet, betyder det att kolerna har sp ^3- hybridisering . I dem finns fyra enkla CC-bindningar, och de bildar ett tetraedralt kristallgitter. I sådana tetraedrar finns det inga fria elektroner som det finns i hexagoner.

Amorft kol

Kolbitar, representativt för amorft kol. Källa: Pxhere.

Amorft kol kan föreställas som en slags porös svamp, med massor av godtyckligt arrangerade hexagonala och tetraedriska nätverk. I denna mineralmatris kan de fånga andra element, som kan kompaktera eller expandera nämnda svamp; och på samma sätt kan dess strukturella kärnor vara större eller mindre.

Beroende på% kol, härleds således olika typer av amorfa kolatomer; såsom sot, kol, antracit, kimrök, torv, koks och aktivt kol.

Vid första anblicken ser de alla på distans likadana (toppbild), med graderingar till kanten av svarta, tråkiga eller metalliska och gråaktiga yttoner.

Inte alla amorfa kolatomer har samma ursprung. Vegetabiliskt kol är, som namnet antyder, produkten av förbränning av grönsaksmassor och trä. Medan kimrök och koks är produkter av olika stadier och villkor för petroleumprocesser.

Även om de inte verkar särskilt attraktiva och det kan antas att de endast fungerar som bränslen, lockar porositeten på deras fasta ämnen uppmärksamheten vid tekniska reningstillämpningar, som absorberande ämnen och lagring av ämnen, och även som katalytiska bärare.

Politypism

Strukturerna i amorfa kolatomer är komplexa och oroliga; Kristallografiska studier har emellertid visat att de faktiskt är tetraedrala (diamant) och hexagonala (grafit) polytyper, arrangerade godtyckligt i lager.

Till exempel, om T och H är de tetraedrala respektive hexagonala skikten, kan ett amorft kol strukturellt beskrivas som: THTHHTH; eller HTHTTHTHHHT, etc. Vissa T- och H-skiktsekvenser definierar en typ av amorft kol; men inom dem finns det ingen repetitiv trend eller mönster.

Det är av detta skäl som det är strukturellt svårt att karakterisera dessa kolatomer; och i stället för detta föredras dess% kol, vilket är en variabel som underlättar dess skillnader, liksom dess fysiska egenskaper och dess tendens att bränna eller bränna.

Funktionella grupper

Det nämndes att hexagonala plan har en oparad elektron med vilken den kan bilda en bindning med andra molekyler eller atomer. Om, säg, de omgivande molekylerna är H ₂ O och CO ₂ , OH och COOH-grupper kan förväntas form, respektive. De kan också binda till väteatomer och bilda CH-bindningar.

Möjligheterna är mycket varierande, men i korthet kan amorfa kol kolla syresättade funktionella grupper. När dessa heteroatomer finns finns de inte bara på planens kanter utan också och till och med inuti dem.

Grafit

Kristallstruktur av sexkantiga lager av grafit. Källa: MartinThoma.

Den övre bilden visar en modell med sfärer och strängar av den kristallina strukturen i grafit. Sfärernas skuggor hjälper lyckligtvis till att visualisera π-molnprodukten av avlokaliseringen av deras oparade elektroner. Detta nämndes i det första avsnittet, utan så många detaljer.

Dessa π-moln kan jämföras med två system: det av bensenringar, och för "elektronhav" i metalliska kristaller.

P orbitalerna sammanfogar varandra för att bygga ett spår där elektroner rör sig fritt; men bara mellan två hexagonala lager; vinkelrätt mot dem finns det inget flöde av elektroner eller ström (elektronerna måste passera genom kolatomerna).

Eftersom det sker en konstant migration av elektroner, bildas ständiga momentana dipoler som inducerar andra dipoler kolatomer som är över eller under; det vill säga lagren eller ark med grafit förblir enade tack vare Londons spridningskrafter.

Dessa sexkantiga skikt skapar, som förväntat, en hexagonal grafitkristall; eller snarare en serie små kristaller kopplade i olika vinklar. Π-molnen beter sig som om de var ett "elektriskt smör", vilket gör att lagren kan glida innan någon yttre störning på kristallerna.

Fysikaliska egenskaper

Grafites fysiska egenskaper är lätta att förstå när dess molekylstruktur har adresserats.

Exempelvis är smältpunkten för grafit mycket hög (över 4400 ºC), på grund av att energin som tillförs i form av värme måste irreversibelt separera de sexkantiga skikten och också bryta deras sexhörningar.

Det sades bara att deras lager kan glida över varandra; Och inte bara, utan de kan också hamna på andra ytor, till exempel cellulosa som utgör papperet när de deponeras från pennans grafit. Den här egenskapen gör att grafit kan fungera som ett utmärkt smörjmedel.

Och, redan nämnt, är det en bra ledare för elektricitet, och också värme och ljud.

Graphenes

Grafark utan dubbelbindningar. Källa: Jynto

Även om det inte visades i den första bilden, kan denna kolatototrop inte utelämnas. Anta att skikten av grafit grep och kondenserades till ett enda ark, öppet och täckte ett stort område. Om detta gjordes molekylärt skulle grafener föds (toppbild).

Så är grafenes ett enskilt grafitiskt ark, som inte interagerar med andra och som kan vinka som en flagga. Observera att det liknar väggarna i honungskakor.

Dessa grafenark bevarar och multiplicerar grafitens egenskaper. Dess sexhörningar är mycket svåra att separera, så de uppvisar en avgränsad mekanisk motstånd; ännu högre än stål. Dessutom är de extremt lätta och tunna, och teoretiskt sett skulle ett gram av dem räcka för att täcka ett helt fotbollsplan.

Om du tittar på toppbilden igen kan du se att det inte finns några dubbelbindningar. Visst kan det finnas dem, liksom trippelbindningar (graffins). Det är här grafenkemi öppnas, säger.

Liksom grafit och de andra hexagonala skikten, kan andra molekyler binda kovalent till ytan av grafen och funktionalisera dess struktur för elektroniska och biologiska tillämpningar.

Kolnanorör

De tre typerna av kolananorör. Källa: Mstroeck via Wikipedia.

Anta nu att vi tog tag i grafenarken och började rulla dem i ett rör; Dessa är kolananorör. Längden och radien för dessa rör är varierande, liksom deras rumsliga konformationer. Tillsammans med grafen och fullerener utgör dessa nanorör triaden av de mest överraskande kolallotropema.

Strukturella överensstämmelser

Tre kolananorör visas i den övre bilden. Vad är skillnaden mellan dem? Alla tre har sexkantiga mönstrade väggar och uppvisar samma ytaegenskaper som redan diskuterats. Svaret ligger då i de relativa inriktningarna på dessa sexhörningar.

Den första konformationen motsvarar sicksacktypen (övre högra hörnet). Om det noggrant observeras kommer det att inses att den har rader av sexhörningar placerade perfekt vinkelräta mot rörets längdaxel.

Däremot, för konstruktionen av fåtöljstypen (nedre högra hörnet), är sexhörningarna anordnade i rader i samma riktning som rörets längsaxel. I den första nanoröret löper sexhörningarna över ytan i betydelse av dess diameter, och i den andra nanoröret löper de längs ytan, från "ände till slut".

Och slutligen finns det den kirala nanorören (nedre vänstra hörnet). Jämför med en spiraltrappa som går åt vänster eller höger. Detsamma händer med den här kolananörröret: dess sexhörningar är arrangerade stigande till vänster eller höger. Eftersom det finns två rumsliga versioner sägs det då att det uppvisar chiralitet.

fullerener

C60 fullerenmolekyl. Källa: Benjah-bmm27.

I fullerener upprätthålls sexhörningarna fortfarande, men dessutom förekommer pentagoner, alla med sp ² kolatomer . Laken eller lagren finns redan kvar: nu har de vikts så att de bildar en boll, liknande en fotboll; och beroende på antalet kolatomer, till en rugbyboll.

Fullerener är molekyler som skiljer sig åt i storlek. Den mest kända är C ₆₀ (toppbild). Dessa kolatomer bör behandlas som ballonger, som kan pressas samman för att bilda kristaller, i vilka joner och andra molekyler kan fångas in i deras mellanrum.

Dessa bollar är speciella bärare eller stöd för molekyler. Hur? Genom de kovalenta bindningarna till dess yta, särskilt till de intilliggande kolerna i en hexagon. Fullerenen sägs sedan ha funktionaliserats (en exohedral addukt).

Väggarna kan strategiskt brytas för att lagra molekyler inuti; som liknar en sfärisk kapsel. På samma sätt kan dessa bollar ha sprickor och vara funktionaliserade på samma gång; allt beror på vilken applikation de är avsedda för.

Kubisk kristallstruktur av diamant. Källa: GYassineMrabetTalk✉Denna struktur skapades med PyMOL. .

Och slutligen, den mest kända av alla kolatomer: diamant (även om inte alla är kol).

Strukturellt består den av sp ³ kolatomer , som bildar fyra CC-bindningar och ett tredimensionellt nätverk av tetraedra (övre bild) vars kristallina cell är kubisk. Det är det hårdaste av mineralerna, och dess smältpunkt är nära 4000ºC.

Deras tetraedrar kan överföra värme effektivt över hela kristallgitteret; men inte så med elektricitet, eftersom dess elektroner är mycket väl belägna i sina fyra kovalenta bindningar och den kan inte gå någonstans. Därför är det en bra värmeledare, men det är en elektrisk isolator.

Beroende på hur den är fasetterad kan den sprida ljus i många ljusa och attraktiva vinklar, varför de är eftertraktade som ädelstenar och smycken.

Nätverket är mycket motståndskraftigt eftersom det skulle behöva mycket tryck för att flytta sin tetraeder. Den här egenskapen gör det till ett material med hög mekanisk motståndskraft och hårdhet, som kan göra exakta och rena snitt, liksom med den diamant-tippade skalpallen.

Deras färger beror på deras kristallografiska defekter och deras föroreningar.

referenser

Shiver & Atkins. (2008). Oorganisk kemi. (Fjärde upplagan). Mc Graw Hill.
Méndez Medrano, Ma. Guadalupe, Rosu, HC, Torres González, LA (2012). Grafen: Kolens mest lovande allotrop. Universitetslagen. vol. 22, nej. 3, april-maj, 2012, sid. 20-23, University of Guanajuato, Guanajuato, Mexico.
IES La Magdalena. Aviles. Asturien. (Sf). Allotropa former av kol. . Återställd från: fisquiweb.es
Wikipedia. (2019). Kolotillskott. Återställd från: es.wikipedia.org
Sederberg David. (Sf). Allotropes av kol. Återställs från: web.ics.purdue.edu
Sederberg, D. (2009). Allotropes av kol: Det är allt som du sätter ihop. Återställd från: physics.purdue.edu
Hirsh A. (2010). Åldern med kolatomer. Institutionen för kemi och farmaci och tvärvetenskapligt centrum för molekylära material (ICMM), Friedrich-Alexander University Erlangen-Nuremberg, Henkestrasse 42, 91054 Erlangen, Tyskland.
Regentstyrelsen för University of Wisconsin System. (2013). Nanorör och andra former av kol. Återställd från: chemistry.beloit.edu
Clark Jim. (2012). Jätte kovalenta strukturer. Återställd från: chemguide.co.uk

ALLOTROPER AV KOL: AMORFT KOL, GRAFIT, GRAFENER, NANORÖR - KEMI - 2026