אלוטרופים של פחמן: פחמן אמורפי, גרפיט, גרפנים, צינורות ננו - כִּימִיָה - 2025

Allotropes של פחמן הוא צורות פיזי שונות שאפשר למיין לאגד האטומים שלהם. כל אחד מתאים למוצק בעל מאפיינים מיוחדים משלו. מבחינה מולקולרית ומבנית הם נבדלים זה מזה. ישנם שני סוגים עיקריים של האלוטרופים הללו: גבישיים ואמורפיים.

אלוטרופים גבישיים הם אלה שיש להם דפוס חוזר של האטומים שלהם בחלל. בינתיים, באלוטרופים אמורפיים, האטומים מסודרים בצורה לא מסודרת, מבלי שיהיו שני אזורים זהים במוצק. אז הראשונים מסודרים, והאחרונים לא מפריעים.

אלוטרופים עיקריים של פחמן. מקור: יוזף סייב

בין הגבישים הם יהלומים (א) וגרפיט (ה) מצוינים. ניתן לראות בתמונה העליונה מבנים שונים שיש להם היבט משותף: הם מורכבים רק מאטומי פחמן (כדורים שחורים).

ובין האלוטרופים האמורפיים, יש לנו את הפחמן האמורפי (ב), שכפי שניתן לראות, המבנה שלו אינו מסודר. עם זאת, ישנם סוגים רבים של פחמן אמורפי, כך שמדובר במשפחה של מוצקים.

כמו כן, אטומי פחמן יכולים ליצור סופרמולקולולות, כגון פולרנים (ג) וננו-צינורות (ד). מולקולות סופר-פרמול אלו יכולות להשתנות בגודלן ובצורתן, אך הן שומרות על אותן גיאומטריות; כדורי וצינורי עבור fullerenes ו צינורות, בהתאמה.

קשרים קוולנטיים של פחמן

לפני שמתייחסים לכמה מהאטלוטרופים הידועים של פחמן, יש לבדוק כיצד קשורים אטומי הפחמן.

על פי תורת קשרי הערכים, לפחמן יש ארבעה אלקטרונים במעטפת הערכיות שלהם, איתם הם יוצרים קשרים קוולנטיים. הודות לקידום והכלאה אלקטרונית, ניתן להציב את ארבעת האלקטרונים בארבעה אורביטלים נפרדים, בין אם הם טהורים או היברידיים.

לפיכך, לפחמן יכולת ליצור עד ארבעה קשרים לכל היותר.

זֶרֶם יָשָׁר. עם ארבעה קשרי CC, האטומים מגיעים למשמחת הערכיות והם הופכים ליציבים מאוד. עם זאת, אין זה אומר שלא יכולים להיות רק שלושה מקשרים אלה, כמו אלה הנראים במשושים.

משושים

בהתאם להכלאות של אטום הפחמן, ניתן למצוא קשרים כפולים או משולשים במבנה האלוטרופים שלהם. אבל, אפילו יותר ברור מקיומם של קשרים כאלה, היא הגיאומטריה שהפחמימות מאמצות.

לדוגמה, אם נצפה משושה, פירושו שלפחמן יש הכלאה של Sp ² ולכן יש אורביטל p טהור עם אלקטרון בודד. האם אתה יכול לראות משושים מושלמים בתמונה הראשונה? אותם אלוטרופים המכילים אותם מרמזים כי הפחמן שלהם הוא sp ² , בין אם יש קשרים כפולים או לא (כמו אלה של טבעת הבנזן).

שכבה של רשת, מטוס או משושה מורכבת אז משני פחמימות ² שיש בהן "גג" או "ענן" אלקטרוניים, תוצר של האלקטרון הלא מותאם של האורביטל p. אלקטרון זה יכול ליצור קשרים קוולנטים עם מולקולות אחרות, או למשוך את המטענים החיוביים של יוני מתכת; כמו אלה של K ⁺ ו- Na ⁺ .

כמו כן האלקטרונים הללו מאפשרים לקונכיות אלה לערום זו על גבי זו, מבלי להיקשר (עקב מכשול גאומטרי ומרחבי לחפיפה של שני האורביטלים p). משמעות הדבר היא כי אלוטרופיות עם גיאומטריות משושים עשויות להיות או שלא ניתן להורות עליהן לבנות גביש.

טטרהדרה

אם נצפתה טטרהדרון, כפי שיוסבר בסעיף האחרון, פירושו שלפחמן יש הכלאה Sp ³ . בתוכם ישנם ארבעה קשרי CC פשוטים, והם יוצרים סריג גבישי טטרהדרלי. בטטרה-טרה כזו אין אלקטרונים חופשיים כמו שיש במשושים.

פחמן אמורפי

נתחי פחם, מייצגים פחמן אמורפי. מקור: Pxhere.

ניתן לדמיין פחמן אמורפי כסוג של ספוג נקבובי, עם המון רשתות משושים וסידורים שרירותיים. במטריצה ​​מינרלית זו הם יכולים ללכוד אלמנטים אחרים, שיכולים לדחוס או להרחיב את הספוג האמור; ובאותה דרך גרעינים מבניים יכולים להיות גדולים יותר או קטנים יותר.

לפיכך, בהתאם לשיעור הפחמן, נגזרים סוגים שונים של פחמן אמורפי; כמו פיח, פחם, אנתרציט, שחור פחמן, כבול, קוקה ופחם פעיל.

במבט ראשון, כולם נראים דומים מרחוק (תמונה עליונה), עם מדרגות לקצה גוונים צבעוניים שחורים, משעממים או מטאליים ואפורים.

לא לכל הפחמימות האמורפיות יש מקור זהה. פחמן צמחי, כשמו כן הוא, הוא תוצר של בעירה של המוני ירקות ועץ. בעוד שחור פחמן וקולה הם מוצרים בשלבים שונים בתנאים של תהליכי נפט.

למרות שהם לא נראים אטרקטיביים במיוחד וניתן להאמין שהם משמשים רק כדלקים, נקבוביות המוצקים שלהם מושכים את תשומת הלב ביישומי טיהור טכנולוגיים, כחומרים סופגים ואגירת חומרים, וגם כתומכים קטליטיים.

פוליטיפיזם

מבני הפחמן האמורפיים מורכבים ומופרעים; עם זאת, מחקרים קריסטלוגרפיים הראו כי הם למעשה פוליטיפים טטרה -דרדרליים (יהלומים) ומשושים (גרפיט), מסודרים באופן שרירותי בשכבות.

לדוגמא, אם T ו- H הם השכבות הטטרהדרליות והמשושה בהתאמה, ניתן לתאר פחמן אמורפי באופן מבני כ- THTHHTH; או HTHTTHTHHHT וכו '. רצפי שכבת T ו- H מסוימים מגדירים סוג של פחמן אמורפי; אך בתוכם אין מגמה או תבנית חוזרים.

מסיבה זו קשה מבחינה מבנית לאפיין את אלוטרופי הפחמן הללו; ובמקום זאת, עדיף% הפחמן שלו, שהוא משתנה המאפשר את ההבדלים שלו, כמו גם את התכונות הפיזיקליות שלו ואת הנטייה שלו לשרוף או לשרוף.

קבוצות פונקציונליות

הוזכר שלמטוסים משושים יש אלקטרון לא מותאם עמו הוא יכול ליצור קשר עם מולקולות או אטומים אחרים. אם נניח, המולקולות הסובבות הן H ₂ O , וניתן לצפות להיווצרות קבוצות CO ₂ , OH ו- COOH בהתאמה. הם יכולים גם להיקשר לאטומי מימן, ויוצרים קשרי CH.

האפשרויות מגוונות מאוד, אך לסיכום פחמן אמורפי יכול לארח קבוצות תפקודיות מחומצן. כאשר ההטרואטומים הללו קיימים, הם לא ממוקמים רק בשולי המטוסים, אלא גם ואפילו בתוכם.

גרָפִיט

מבנה קריסטל של שכבות משושה של גרפיט. מקור: MartinThoma.

בתמונה העליונה נראה דגם עם כדורים ומיתרים של המבנה הגבישי של הגרפיט. צללי הכדורים, למרבה המזל, עוזרים לדמיין את תוצר העננים π של מיקומם של האלקטרונים הבלתי מותאמים שלהם. זה הוזכר בחלק הראשון, ללא כל כך הרבה פרטים.

ניתן להשוות בין ענני π אלה לשתי מערכות: זו של טבעות בנזן, ושל "ים אלקטרונים" בגבישים מתכתיים.

האורביטלים p מצטרפים זה לזה לבניית מסלול בו אלקטרונים נודדים בחופשיות; אך רק בין שתי שכבות משושים; בניצב להם, אין זרימת אלקטרונים או זרם (האלקטרונים יצטרכו לעבור דרך אטומי הפחמן).

מכיוון שישנה הגירה מתמדת של אלקטרונים, נוצרים ללא הרף דיפולנים מיידיים, אשר גורמים דיפולולים אחרים של אטומי פחמן הנמצאים מעל או מתחת; כלומר שכבות או גיליונות הגרפיט נשארים מאוחדים בזכות כוחות הפיזור של לונדון.

שכבות משושים אלה, כצפוי, יוצרים קריסטל גרפיט משושה; ליתר דיוק, סדרת גבישים קטנים המחוברים בזוויות שונות. ענני π מתנהגים כאילו הם "חמאה חשמלית", ומאפשרים לשכבות להחליק לפני כל הפרעה חיצונית בגבישים.

תכונות גשמיות

קל להבין את התכונות הפיזיקליות של גרפיט ברגע שהתייחסות למבנה המולקולרי שלה.

לדוגמא, נקודת ההיתוך של הגרפיט גבוהה מאוד (מעל 4400 מעלות צלזיוס), מכיוון שהאנרגיה המסופקת בצורת חום צריכה להפריד בצורה בלתי הפיכה בין שכבות המשושים, וגם לשבור את משושה שלהם.

רק נאמר שהשכבות שלהם יכולות להחליק זו על זו; ולא רק, אלא שהם יכולים גם לגמור על משטחים אחרים, כמו התאית המרכיבה את הנייר כשהיא מופקדת מגרפיט העפרונות. מאפיין זה מאפשר לגרפיט לפעול כחומר סיכה מעולה.

וכאמור, מדובר במוליך טוב של חשמל, וגם בחום וצליל.

גרפים

גיליון גרפן ללא קשרים כפולים. מקור: ג'ינטו

למרות שהוא לא הוצג בתמונה הראשונה, לא ניתן להשאיר את האוטוטרופיה הפחמית הזו בחוץ. נניח ששכבות הגרפיט אוחזו ועובדו לסדין בודד, פתוח וכיסוי שטח גדול. אם הדבר נעשה בצורה מולקולרית, נולדו גרפנים (תמונה עליונה).

אז גרפנים הם גיליון גרפי יחיד, שאינו מתקשר עם אחרים ואשר יכול לנופף כמו דגל. שימו לב שהוא דומה לדפנות חלת הדבש.

גיליונות גרפן אלה משמרים ומכפילים את תכונות הגרפיט. קשה מאוד להפריד בין המשושים שלו, ולכן הם מציגים עמידות מכנית תהומית; אפילו גבוה יותר מפלדה. בנוסף, הם קלילים ודקים במיוחד, ותאורטית גרם אחד מהם יספיק לכיסוי מגרש כדורגל שלם.

אם אתה מסתכל שוב על התמונה העליונה, אתה יכול לראות שאין קשרים כפולים. בהחלט יכול להיות שיש אותם, כמו גם קשרים משולשים (גתנים). כאן נפתח הכימיה של הגרפן, נניח.

בדומה לגרפיט ושכבות המשושה האחרות, מולקולות אחרות יכולות להיקשר בצורה קוולנטית אל פני הגרפן, ולתפקד את המבנה שלה ליישומים אלקטרוניים וביולוגיים.

צינורות פחמן

שלושת סוגי צינורות הפחמן. מקור: Mstroeck דרך Wikipedia.

עכשיו נניח שתפסנו את דפי הגרפן והתחלנו לגלגל אותם לצינור; אלה צינורות פחמן. אורכי הרדיוס של הצינורות הללו משתנים, כמו גם התאמות המרחביות שלהם. יחד עם גרפן ופולנרים, צינורות צינורות אלה מהווים את שלישיית האלוטרופים הפחמניים המדהימים ביותר.

התאמות מבניות

שלוש צינורות פחמן מוצגות בתמונה העליונה. מה ההבדל ביניהם? לשלושתם יש קירות בדוגמת משושה, והם מציגים את אותן תכונות שטח שכבר דנו בהן. התשובה טמונה אז בכיוונים היחסיים של משושים אלה.

הקונפורמציה הראשונה תואמת את סוג הזיגזג (הפינה הימנית העליונה). אם ייקפידו בזהירות, ניתן יהיה להעריך כי יש לו שורות של משושים המונחים בניצב בצורה מושלמת לציר האורך של הצינור.

לעומת זאת עבור קונפורמציה מסוג הכורסה (פינת ימין תחתונה) המשושים מסודרים בשורות באותו כיוון כמו ציר האורך של הצינור. במשקע הצינור הראשון, המשושים עוברים על פני השטח במובן הקוטר שלו, ובצינור השני הם עוברים על פני השטח, מ"קצה לקצה ".

ולבסוף, יש את הננו-צינור הכיראלי (הפינה השמאלית התחתונה). השווה עם גרם מדרגות לולייני שהולך שמאלה או ימינה. כך קורה גם בצינור צינור הפחמן הזה: משושיםיו מסודרים עולה שמאלה או ימינה. מכיוון שיש שתי גרסאות מרחביות, נאמר אז שהוא מפגין כיראליות.

פולרנים

מולקולת C60 פולרן. מקור: Benjah-bmm27.

ב fullerenes המשושים עדיין נשמרים, אך בנוסף, הפנטגונים מופיעים, כולם עם sp ² פחמן . הסדינים או השכבות כבר נותרו מאחור: כעת הם מקופלים בצורה כזו שהם יוצרים כדור, בדומה לכדור כדורגל; ותלוי במספר הפחמימות, לכדור רוגבי.

פולרנים הם מולקולות השונות בגודלן. המפורסם ביותר הוא C ₆₀ (תמונה עליונה). יש להתייחס לאלוטרופי הפחמן הללו כאל בלונים, שיכולים להידחס זה לזה ליצירת גבישים, בהם ניתן לכוד יונים ומולקולות אחרות בתוך האינטרסטיות שלהם.

כדורים אלה הם נשאים או תומכים מיוחדים למולקולות. אֵיך? דרך הקשרים הקוואלנטיים אל פני השטח שלו, במיוחד לפחמימות הסמוכות של משושה. לאחר מכן נאמר שהפולרן הונפקק פונקציונליות (adduct exohedral).

קירותיו ניתנים לשבירה אסטרטגית לאחסון מולקולות בפנים; דומה לקפסולה כדורית. באופן דומה, לכדורים אלה יכולים להיות סדקים ולהיות פונקציונלי במקביל; הכל יהיה תלוי ביישום שאליו הם מיועדים.

מבנה גביש מעוקב של יהלום. מקור: GYassineMrabetTalk✉ מבנה זה נוצר באמצעות PyMOL. .

ולבסוף, הידוע מבין כל האלקטרופי פחמן: יהלום (אם כי לא כולם פחמן).

מבחינה מבנית, זה מורכב מאטומי פחמן sp ³ , ויוצרים ארבעה קשרי CC ורשת תלת מימדית של טטרהדרה (תמונה עליונה) שתא הגביש שלה הוא מעוקב. זה הקשה ביותר במינרלים, ונקודת ההיתוך שלו קרובה ל -4000 מעלות צלזיוס.

הטטרהדררה שלהם מסוגלת להעביר חום ביעילות בכל סריג הגביש; אבל לא כך עם חשמל, מכיוון שהאלקטרונים שלה ממוקמים היטב בארבעת הקשרים הקוואלנטים שלה והיא לא יכולה ללכת לשום מקום. לכן זהו מוליך תרמי טוב, אך זהו מבודד חשמלי.

תלוי איך הוא פנים, הוא יכול לפזר אור בזוויות רבות בהירות ומושכות, וזו הסיבה שהם נחשקים כאבני חן ותכשיטים.

הרשת עמידה מאוד, מכיוון שהיא תזדקק ללחץ רב כדי להזיז את הטטרהדר שלה. מאפיין זה הופך אותו לחומר בעל עמידות מכנית גבוהה וקשיחות, המסוגל לבצע חתכים מדויקים ונקיים, כמו באזמל המוטה יהלום.

צבעיהם תלויים במומים הקריסטלוגרפיים שלהם ובזיהום שלהם.

הפניות

1. שיבר ואטקינס. (2008). כימיה אורגנית. (גרסה רביעית). מק גריי היל.
2. מנדס מדראנו, מ. גוואדלופה, רוזו, HC, טורס גונזלס, לוס אנג'לס (2012). גרפן: האלוטרופ הכי מבטיח של פחמן. חוק האוניברסיטה. כרך א ' 22, לא. 3, אפריל-מאי, 2012, עמ '. 20-23, אוניברסיטת גואנאטו, גואנאחואטו, מקסיקו.
3. IES לה מגדלנה. אבילס. אסטוריאס. (sf). צורות אלוטרופיות של פחמן. . התאושש מ: fisquiweb.es
4. ויקיפדיה. (2019). אלוטרופי פחמן. התאושש מ: es.wikipedia.org
5. סדרברג דוד. (sf). אלוטרופי פחמן. התאושש מ: web.ics.purdue.edu
6. סדרברג, ד (2009). אלוטרופים של פחמן: זה הכל בדרך שאתה מחבר. התאושש מ: physics.purdue.edu
7. הירש א '(2010). עידן האלוטרופים הפחמניים. המחלקה לכימיה ורוקחות והמרכז הבינתחומי לחומרים מולקולריים (ICMM), אוניברסיטת פרידריך-אלכסנדר ארלנגן-נירנברג, Henkestrasse 42, 91054 Erlangen, גרמניה.
8. מועצת הרגנטים של מערכת אוניברסיטת ויסקונסין. (2013). צינורות צינורות וצורות אחרות של פחמן. התאושש מ: chemistry.beloit.edu
9. קלארק ג'ים. (2012). מבנים קוולנטיים ענקיים. התאושש מ: chemguide.co.uk