مولدات الكربون: الكربون غير المتبلور ، الجرافيت ، الجرافين ، الأنابيب النانوية ، الفوليرين ، الماس

موازين الكربون هي الأشكال الفيزيائية المختلفة التي يمكن بها فرز ذراتها وربطها. كل واحد يتوافق مع الصلبة مع خصائصها الخاصة والخاصة. من الناحية الجزيئية والهيكلية يتم تمييزها عن بعضها البعض. هناك نوعان رئيسيان من هذه الخواص: البلورية وغير المتبلورة.

المتآثرات البلورية هي تلك التي لها نمط متكرر من ذراتها في الفضاء. وفي الوقت نفسه ، في الذرات غير المتبلورة ، ترتب الذرات نفسها بشكل غير منتظم ، دون أن يكون هناك منطقتان متطابقتان في المادة الصلبة. بعد ذلك ، يتم ترتيب الأولين ، واختلال الثاني.

من بين بلورات الماس (أ) والجرافيت (ه) بامتياز. تُظهر الصورة العلوية هياكل مختلفة لها جانب واحد مشترك: فهي تتكون فقط من ذرات الكربون (الكرات السوداء).

ومن بين الكائنات غير المتبلورة ، لدينا الكربون غير المتبلور (ب) ، والذي ، كما نرى ، له هيكل غير منظم. ومع ذلك ، هناك أنواع كثيرة من الكربون غير المتبلور ، لذلك هي عائلة من المواد الصلبة.

أيضا ، يمكن أن تشكل ذرات الكربون فوق الجزيئات ، مثل الفوليرين (ج) والأنابيب النانوية (د). قد تختلف هذه الجزيئات العليا في الحجم والشكل ، لكنها تحتفظ بنفس الأشكال الهندسية ؛ كروية وأنبوبية للفوليرين والأنابيب النانوية ، على التوالي.

روابط الكربون التساهمية

قبل معالجة بعض allotropes المعروفة للكربون ، من الضروري مراجعة الطريقة التي تترابط بها ذرات الكربون.

وفقًا لنظرية رابطة التكافؤ ، يحتوي الكربون على أربعة إلكترونات في قشرة التكافؤ ، والتي تشكل بها روابط تساهمية. بفضل الترويج الإلكتروني والتهجين ، يمكن وضع الإلكترونات الأربعة في أربع مدارات منفصلة ، سواء كانت نقيًا أو هجينًا.

لذلك ، الكربون لديه القدرة على تشكيل ما يصل إلى أربعة روابط

CC. بوجود أربعة روابط من CC ، تصل الذرات إلى ثمان التكافؤ ، وتصبح مستقرة للغاية. ومع ذلك ، هذا لا يعني أنه لا يمكن أن يكون هناك سوى ثلاث روابط من هذا القبيل ، مثل تلك التي لوحظت في السداسي.

السداسي

اعتمادًا على تهجين ذرة الكربون ، يمكن العثور على روابط ثنائية أو ثلاثية في هيكل متآثراتها الخاصة. ولكن ، حتى أكثر وضوحا من وجود مثل هذه الروابط ، هي الهندسة التي اعتمدتها الكربونات.

على سبيل المثال ، إذا لوحظ وجود مسدس ، فإن هذا يعني أن الكربونات لها تهجين sp2 ، وبالتالي فهي تمتلك مدارات ص نقية مع إلكترون انفرادي. يمكنك أن ترى السداسي الكمال في الصورة الأولى؟ تعني تلك الخواص التي تحتويها أن الكربونات هي sp2 ، سواء كانت هناك روابط ثنائية أم لا (مثل تلك الموجودة في حلقة البنزين).

تتكون الطبقة الشبكية أو المستوية أو السداسية بعد ذلك من كربون sp2 يحتوي على "سقف" إلكتروني أو "سحابة" ، وهو منتج للإلكترون غير المقرب من المدار p . يمكن لهذا الإلكترون تكوين روابط تساهمية مع جزيئات أخرى ، أو جذب الشحنات الإيجابية للأيونات المعدنية ؛ مثل تلك K + و Na +.

أيضا ، تسمح هذه الإلكترونات بتكديس هذه الطبقات فوق بعضها البعض ، دون الربط (نتيجة لعرقلة هندسية ومكانية للتداخل بين المدارين ع ). هذا يعني أن allotropes مع هندسة سداسية قد تكون أو لا تكون قد أمرت لبناء الكريستال.

رباعيات الأسطح

إذا لوحظ رباعي السطوح ، كما سيتم شرحه في القسم الأخير ، فهذا يعني أن الكربونات لها تهجين sp3. فيها أربعة روابط CC بسيطة ، وأنها تجمع شبكة شعرية الكريستال رباعي السطوح. في مثل هذا رباعي السطوح لا توجد إلكترونات حرة كما هو الحال مع السداسي.

الكربون غير المتبلور

يمكن للمرء أن يتخيل الكربون غير المتبلور كنوع من الإسفنج المسامي ، مع أكوام من شبكات سداسية ورباعية السطوح مرتبة بشكل تعسفي. في هذه المصفوفة المعدنية ، يمكنهم احتجاز العناصر الأخرى ، والتي يمكنها ضغط أو توسيع الإسفنج المذكور ؛ وبالمثل ، يمكن أن تكون النوى الهيكلية أكبر أو أصغر.

وبالتالي ، اعتمادًا على نسبة الكربون ، يتم اشتقاق عدة أنواع من الكربون غير المتبلور ؛ مثل السخام ، الفحم ، أنثراسايت ، أسود الكربون ، الخث ، فحم الكوك والكربون المنشط.

للوهلة الأولى ، تبدو جميعها متشابهة عن بعد (الصورة العلوية) ، مع تدهور على حافة الأسود أو إيقاف التشغيل أو مع ألوان رمزية معدنية.

ليس كل الكربون غير المتبلور له نفس الأصل. الكربون النباتي ، كما يوحي اسمه ، هو نتاج احتراق كتل النباتات والخشب. بينما الكربون الأسود وفحم الكوك ، هي نتاج مراحل وظروف مختلفة لعمليات النفط.

على الرغم من أنها لا تبدو جذابة للغاية ويمكن الاعتقاد أنها لا تعمل إلا كوقود ، إلا أن مسامات المواد الصلبة تثير الانتباه في التطبيقات التكنولوجية للتنقية ، مثل الامتصاص وتخزين المواد ، وأيضًا كدعم حفاز.

Politipismo

هياكل الكربونات غير المتبلورة معقدة ومضطربة. ولكن ، أظهرت الدراسات البلورية أن أنواع الأنابيب الرباعية السطوح (الماس) وأنابيب سداسية (الجرافيت) ، مرتبة بشكل تعسفي في طبقات ، يتم علاجها بالفعل.

على سبيل المثال ، إذا كانت T و H هما الطبقات الرباعية السطوح والسداسية ، على التوالي ، فيمكن وصف الكربون غير المتبلور هيكلياً على النحو التالي: THTHHTH ؛ أو HTHTTHTHHHT ، إلخ. تحدد تسلسلات معينة من طبقات T و H نوعًا من الكربون غير المتبلور ؛ ولكن داخلها ، لا يوجد نمط أو اتجاه متكرر.

ولهذا السبب يصعب هيكلياً وصف خواص الكربون هذه ؛ وبدلاً من ذلك ، يفضل أن يكون الكربون٪ الخاص بهم ، وهو متغير يسهل اختلافاتهم ، بالإضافة إلى خواصهم الفيزيائية وميلهم للحرق أو الاحتراق.

المجموعات الوظيفية

وذُكر أن الطائرات السداسية لها إلكترون غير متزاوج يمكنه من خلالها تكوين صلة مع جزيئات أو ذرات أخرى. إذا ، على سبيل المثال ، إذا كانت الجزيئات المحيطة هي H2 O و CO 2 ، فمن المتوقع أن يتم تشكيل مجموعات OH و COOH ، على التوالي. وبالمثل ، يمكن ربطها بذرات الهيدروجين ، والتي تشكل روابط CH.

الاحتمالات متنوعة للغاية ، ولكن باختصار ، يمكن للكربونات غير المتبلورة استضافة مجموعات وظيفية مؤكسدة. عند وجود هذه الذرات غير المتجانسة ، فإنها لا تقع فقط على حواف الطائرات ، ولكن أيضًا ، وحتى داخلها.

الجرافيت

تُظهر الصورة العلوية نموذجًا ذو كرات وسلاسل من التركيب البلوري للجرافيت. لحسن الحظ ، تساعد ظلال الكرات في تصور الغيوم π ناتجة عن إلغاء إلكتروناتها غير المربوطة. جاء هذا في القسم الأول ، دون الكثير من التفاصيل.

يمكن مقارنة هذه السحب to بنظامين: نظام حلقات البنزين ، ونظام البحار الإلكترونية في البلورات المعدنية.

يتم دمج المدارات p معًا لبناء مسار تتنقل عبره الإلكترونات بحرية ؛ ولكن ، فقط بين طبقتين سداسية ؛ عموديًا عليهم ، لا يوجد تدفق للإلكترونات أو التيار (الإلكترونات يجب أن تمر عبر ذرات الكربون).

نظرًا لوجود هجرة ثابتة للإلكترونات ، تتشكل ثنائيات الأقطاب اللحظية باستمرار ، والتي تحفز ذرات الكربون الأخرى ثنائية الأقطاب التي ترتفع أو تنخفض ؛ أي أن طبقات أو صفائح الجرافيت تظل مرتبطة بفضل قوى التشتت في لندن.

هذه الطبقات السداسية ، كما هو متوقع ، تخلق بلورة سداسية من الجرافيت ؛ أو بالأحرى سلسلة من البلورات الصغيرة متصلة بزوايا مختلفة. تتصرف السحب كما لو كانت "زبدة كهربائية" ، مما يسمح للطبقات بالانزلاق قبل أي اضطراب خارجي على البلورات.

الخصائص الفيزيائية

من السهل فهم الخواص الفيزيائية للجرافيت بمجرد معالجة تركيبها الجزيئي.

على سبيل المثال ، نقطة انصهار الجرافيت عالية جدًا (أعلى من 4400 درجة مئوية) ، لأن الطاقة المتوفرة في الحرارة يجب أن تفصل طبقات سداسية بشكل لا رجعة فيه ، بالإضافة إلى كسر سداسيها.

لقد قيل فقط أن طبقاتهم يمكن أن تنزلق فوق بعضها البعض ؛ وليس فقط ، ولكن يمكن أن ينتهي بهم الأمر أيضًا على أسطح أخرى ، مثل السليلوز التي تشكل الورق عند إيداعها من الجرافيت في أقلام الرصاص. تتيح هذه الخاصية للجرافيت العمل كمواد تشحيم ممتازة.

و ، سبق ذكره ، إنه موصل جيد للكهرباء ، وكذلك للحرارة والصوت.

graphenes

على الرغم من أنه لم يظهر في الصورة الأولى ، إلا أنه لا يمكن ترك هذا التخصيص الكربوني. لنفترض أن طبقات الجرافيت كان يجب تكثيفها في ورقة واحدة ، مفتوحة وتغطي سطحًا كبيرًا. إذا تم ذلك جزيئيًا ، فسيولد الجرافين (الصورة العليا).

بعد ذلك ، يعد الجرافين ورقة فردية من الجرافيت ، والتي لا تتفاعل مع الآخرين ويمكن أن تلوح مثل العلم. لاحظ أنه يشبه جدران عسل النحل.

تحتفظ صفائح الجرافين هذه بخصائص الجرافيت وتضاعفها. يصعب فصل سداسيها ، بحيث يكون لديهم مقاومة ميكانيكية شاقة ؛ حتى أعلى من ذلك من الصلب. بالإضافة إلى ذلك ، فهي خفيفة للغاية ورقيقة ، ونظريا ما يكفي غرام واحد منهم لتغطية ملعب لكرة القدم بأكمله.

إذا نظرت إلى الصورة العليا مرة أخرى ، يمكنك أن ترى أنه لا توجد روابط مزدوجة. بالتأكيد ، قد يكون هناك ، وكذلك روابط ثلاثية (الكتابة على الجدران). وهنا تفتح كيمياء الجرافين ، على أقل تقدير.

مثل الجرافيت والطبقات سداسية أخرى ، يمكن ربط جزيئات أخرى تساهمي مع سطح الجرافين ، وتفعيل هيكلها للتطبيقات الإلكترونية والبيولوجية.

أنابيب الكربون النانوية

الآن ، لنفترض أن أوراق الجرافين قد أمسك بها وبدأنا في لفها لتشكيل أنبوب ؛ هذه هي أنابيب الكربون النانوية. أطوال ونصف قطر هذه الأنابيب متغيرة ، وكذلك المطابقات المكانية لها. جنبا إلى جنب مع الجرافين والفوليرين ، تدمج هذه الأنابيب النانوية ثالوث من allotropes الكربون الأكثر مذهلة.

المطابقات الهيكلية

في الصورة العليا ، يتم عرض ثلاثة أنابيب نانوية كربونية. كيف هم مختلفون؟ كل ثلاثة لها جدران مع أنماط سداسية ، وتظهر نفس خصائص السطح المكشوفة بالفعل. الجواب إذن يكمن في التوجهات النسبية لهذه السداسي.

يتوافق التشكل الأول مع نوع متعرج (الزاوية اليمنى العليا). إذا لوحظ بعناية ، سيكون موضع تقدير أنه يحتوي على صفوف من السداسي الموضوعة بشكل عمودي تمامًا على المحور الطولي للأنبوب.

في المقابل ، من أجل تشكيل نوع الكرسي أو الكرسي بذراعين (الزاوية اليمنى السفلى) ، يتم ترتيب السداسي في صفوف في نفس الاتجاه مثل المحور الطولي للأنبوب. في الأنابيب النانوية الأولى ، تعمل السداسي على طول السطح في اتجاه قطرها ، وفي الأنبوب النانوي الثاني ، تعمل على طوله ، من "النهاية إلى النهاية".

وأخيراً ، هناك الأنابيب النانوية الحلزونية (الزاوية السفلية اليسرى). قارن مع درج حلزوني في الاتجاه الأيسر أو الأيمن. يحدث الشيء نفسه بالنسبة لهذا الأنابيب النانوية الكربونية: يتم ترتيب سداسيها تصاعديًا إلى اليسار أو اليمين. وجود نسختين مكانيتين ، يقال إنه يسلك شرليتي.

الفلورين

في الفوليرين لا يزال يتم الحفاظ على السداسي ، ولكن بالإضافة إلى ذلك ، تظهر البنتاغونات ، كل ذلك مع كربون sp2. يتم الآن ترك الأوراق أو الطبقات: لقد تم طيها الآن بحيث تشكل كرة تشبه كرة القدم ؛ واعتمادا على عدد من الكربونات ، إلى كرة الركبي.

الفوليرين هي جزيئات تختلف في الحجم. الأكثر شهرة هو C 60 (الصورة العليا). يجب التعامل مع متآثرات الكربون هذه على أنها بالونات ، يمكن ضغطها معًا لتشكيل بلورات ، حيث يمكن احتجاز الأيونات والجزيئات الأخرى داخل الفواصل بينهما.

هذه البالونات هي حاملات خاصة أو دعامات للجزيئات. كيف؟ من خلال الروابط التساهمية إلى سطحه ، وخاصة ، إلى الكربونات المجاورة من مسدس. يقال بعد ذلك أن الفوليرين قد تم تفعيله (مقاربة خارجية).

يمكن كسر جدرانه بشكل استراتيجي لتخزين الجزيئات في الداخل ؛ على غرار كبسولة كروية. أيضا ، يمكن أن يكون لهذه البالونات تشققات وتكون وظيفية في نفس الوقت ؛ كل شيء يعتمد على التطبيق الذي تم توجيهه إليه.

وأخيرًا ، أشهر أنواع الكربون المختلفة: الماس (على الرغم من أنه ليس كل الكربون).

من الناحية الهيكلية ، يتكون من ذرات كربون sp3 ، مكونًا أربع روابط CC وشبكة ثلاثية الأبعاد من رباعي الوجوه (الصورة العلوية) تكون خلية بلورية مكعبة. إنها الأصعب من المعادن ، ونقطة الانصهار تقترب من 4000 درجة مئوية.

رباعياتها قادرة على نقل الحرارة وكفاءة في جميع أنحاء شعرية الكريستال. ولكن ليس بالكهرباء ، لأن إلكتروناتها تقع في مكان جيد في روابطها التساهمية الأربعة ولا يمكنها الذهاب إلى أي مكان. لذلك ، إنه موصل حراري جيد ، لكنه عازل كهربائي.

بناءً على كيفية مواجهتك ، يمكنك نثر الضوء في العديد من الزوايا الساطعة والجذابة ، وهذا ما يجعلك مطمعا بالحجارة الكريمة والمجوهرات.

الشبكة مقاومة للغاية ، لأنها ستحتاج إلى الكثير من الضغط لتحريك رباعياتها. هذه الخاصية تجعلها مادة ذات قوة ميكانيكية عالية وصلابة ، قادرة على صنع قطع دقيقة ونظيفة ، كما هو الحال مع مشرط الماس.

تعتمد ألوانها على عيوبها البلورية وشوائبها.