læringsmål

• beskriv egenskaberne af allotroper af kulstof.

Term

• allotroperforskellige former for et kemisk element.

allotropi er egenskaben af nogle kemiske elementer til at eksistere i to eller flere forskellige former eller allotroper, når de findes i naturen. Der er flere allotroper af kulstof.

Diamond

Diamond er nok den mest kendte carbon allotrope. Carbonatomerne er arrangeret i et gitter, som er en variation af den ansigtscentrerede kubiske krystalstruktur. Det har superlative fysiske kvaliteter, hvoraf de fleste stammer fra den stærke kovalente binding mellem dets atomer. Hvert carbonatom i en diamant er kovalent bundet til fire andre carbonatomer i en tetraeder. Disse tetrahedroner danner sammen et tredimensionelt netværk af seksledede carbonringe i stolens konformation, hvilket giver mulighed for belastning af nulbindingsvinkel. Dette stabile netværk af kovalente bindinger og sekskantede ringe er grunden til, at diamant er så utrolig stærk som et stof.

som følge heraf udviser diamant den højeste hårdhed og termiske ledningsevne af ethvert bulkmateriale. Desuden forhindrer dets stive gitter forurening af mange elementer. Overfladen af diamant er lipofil og hydrofob, hvilket betyder, at den ikke kan blive våd af vand, men kan være i olie. Diamanter reagerer generelt ikke med kemiske reagenser, herunder stærke syrer og baser. Anvendelser af diamant omfatter skæring, boring og slibning; smykker; og i halvlederindustrien.

grafit

grafit er en anden allotrope af kulstof; i modsætning til diamant er det en elektrisk leder og et halvmetal. Grafit er den mest stabile form for kulstof under standardbetingelser og anvendes i termokemi som standardtilstand til at definere varmen ved dannelse af carbonforbindelser. Der er tre typer naturlig grafit:krystallinsk flakegrafit: isolerede, flade, pladelignende partikler med sekskantede kanter

grafit har en lagdelt, plan struktur. I hvert lag er carbonatomerne anbragt i et sekskantet gitter med adskillelse på 0,142 nm, og afstanden mellem planer (lag) er 0,335 nm. De to kendte former for grafit, alfa (sekskantet) og beta (rhombohedral), har meget lignende fysiske egenskaber (bortset fra at lagene stabler lidt anderledes). Den sekskantede grafit kan enten være flad eller spændt. Alfaformen kan omdannes til betaformen gennem mekanisk behandling, og betaformen vender tilbage til alfaformen, når den opvarmes over 1300 liter C. grafit kan lede elektricitet på grund af den store elektrondelokalisering inden i carbonlagene; da elektronerne er fri til at bevæge sig, bevæger elektricitet sig gennem lagets plan. Grafit har også selvsmørende og tørre smøreegenskaber. Grafit har anvendelser i proteseblodholdige materialer og varmebestandige materialer, da det kan modstå temperaturer op til 3000 liter C.

et enkelt lag grafit kaldes grafen. Dette materiale viser ekstraordinære elektriske, termiske og fysiske egenskaber. Det er en allotrope af kulstof, hvis struktur er et enkelt plan ark med sp2-bundne carbonatomer, der er tæt pakket i et bikagekrystallgitter. Carbon-carbon bindingslængden i grafen er ~0.142 nm, og disse ark stables for at danne grafit med en interplanar afstand på 0,335 nm. Graphene er det grundlæggende strukturelle element i carbon allotroper såsom grafit, trækul, carbon nanorør og fullerener. Graphene er en halvmetal eller nul-gap halvleder, der gør det muligt at vise høj elektronmobilitet ved stuetemperatur. Graphene er en spændende ny klasse af materiale, hvis unikke egenskaber gør det til genstand for løbende forskning i mange laboratorier.

amorft kulstof

amorft kulstof henviser til kulstof, der ikke har en krystallinsk struktur. Selvom amorft kulstof kan fremstilles, findes der stadig nogle mikroskopiske krystaller af grafitlignende eller diamantlignende kulstof. Egenskaberne af amorft kulstof afhænger af forholdet mellem sp2 og sp3 hybridiserede bindinger, der er til stede i materialet. Grafit består udelukkende af sp2 hybridiserede bindinger, hvorimod diamant udelukkende består af sp3 hybridiserede bindinger. Materialer med et højt indhold af SP3-hybridiserede bindinger kaldes tetraedrisk amorft kulstof (på grund af den tetraedriske form dannet af sp3-hybridiserede bindinger) eller diamantlignende kulstof (på grund af ligheden mellem mange af dets fysiske egenskaber og diamantens).

fullerener og nanorør

Carbon nanomaterialer udgør en anden klasse af carbon allotroper. Fullerener (også kaldet buckyballs) er molekyler i forskellige størrelser, der udelukkende består af kulstof, der tager form af hule kugler, ellipsoider eller rør. Buckyballs og buckytubes har været genstand for intens forskning, både på grund af deres unikke Kemi og for deres teknologiske anvendelser, især inden for materialevidenskab, elektronik og nanoteknologi. Carbon nanorør er cylindriske carbonmolekyler, der udviser ekstraordinær styrke og unikke elektriske egenskaber og er effektive ledere af varme. Carbon nanobuds er nyopdagede allotroper, hvor fullerenlignende” knopper ” er kovalent fastgjort til de ydre sidevægge af en carbon nanorør. Nanobuds udviser derfor egenskaber for både nanorør og fullerener.

glasagtig kulstof

glasagtig eller glasagtig kulstof er en klasse af kulstof, der i vid udstrækning anvendes som elektrodemateriale i elektrokemi såvel som i proteser og digler ved høj temperatur. Dens vigtigste egenskaber er høj temperaturbestandighed, hårdhed, lav densitet, lav elektrisk modstand, lav friktion, lav termisk modstand, ekstrem modstand mod kemiske angreb og uigennemtrængelighed for gasser og væsker.

andre allotroper

andre allotroper af kulstof inkluderer carbon nanofoam, som er en klyngesamling med lav densitet af carbonatomer spændt sammen i en løs tredimensionel bane; rent atom-og diatomisk kulstof; og lineært acetylenisk kulstof, som er en endimensionel carbonpolymer med strukturen-(C:::C)n -.