Einführung in die Chemie
Lernziel
- Beschreiben Sie die Eigenschaften der Allotrope des Kohlenstoffs.
Schlüsselpunkte
- Diamant ist ein bekanntes Allotrop aus Kohlenstoff, das Härte und hohe Lichtstreuung aufweist. Es ist das härteste bekannte natürliche Mineral und findet Anwendungen beim Schneiden, Bohren und Schmuck sowie als potenzielles Halbleitermaterial.Graphen ist eine einzelne Schicht von Kohlenstoffatomen, die in einer Ebene angeordnet sind; Graphenschichten bilden Graphit. Graphen ist aufgrund seiner hohen Elektronenmobilität und seiner möglichen Anwendungen in der Elektronik ein Material von Interesse.Fullerene sind eine Klasse von Kohlenstoffallotropen, bei denen Kohlenstoff die Form einer Hohlkugel, eines Ellipsoids oder einer Röhre annimmt. Diese Klasse von Materialien umfasst Kohlenstoff-Nanoröhren, Buckyballs und die neu entdeckten Nanobuds.
Term
- Allotropeverschiedene Formen eines chemischen Elements.Allotropie ist die Eigenschaft einiger chemischer Elemente, in zwei oder mehr verschiedenen Formen oder Allotropen zu existieren, wenn sie in der Natur gefunden werden. Es gibt mehrere Allotrope von Kohlenstoff.
Allotrope von Kohlenstoffallotrope von Kohlenstoff: a) Diamant, b) Graphit, c) Lonsdaleit, d) C60 (Buckminsterfullerene oder Buckyball), e) C540, f) C70, g) Amorpher Kohlenstoff und h) einwandige Kohlenstoff-Nanoröhre , oder buckytube. Diamant
Diamant ist wahrscheinlich das bekannteste Kohlenstoffallotrop. Die Kohlenstoffatome sind in einem Gitter angeordnet, das eine Variation der flächenzentrierten kubischen Kristallstruktur darstellt. Es hat hervorragende physikalische Eigenschaften, von denen die meisten auf die starke kovalente Bindung zwischen seinen Atomen zurückzuführen sind. Jedes Kohlenstoffatom in einem Diamanten ist kovalent an vier andere Kohlenstoffatome in einem Tetraeder gebunden. Diese Tetraeder bilden zusammen ein dreidimensionales Netzwerk von sechsgliedrigen Kohlenstoffringen in der Stuhlkonformation, die eine Dehnung des Bindungswinkels von Null ermöglichen. Dieses stabile Netzwerk aus kovalenten Bindungen und sechseckigen Ringen ist der Grund dafür, dass Diamant als Substanz so unglaublich stark ist.
Infolgedessen weist Diamant die höchste Härte und Wärmeleitfähigkeit aller Schüttgüter auf. Darüber hinaus verhindert sein starres Gitter eine Kontamination durch viele Elemente. Die Oberfläche des Diamanten ist lipophil und hydrophob, was bedeutet, dass er nicht durch Wasser nass werden kann, sondern in Öl sein kann. Diamanten reagieren im Allgemeinen nicht mit chemischen Reagenzien, einschließlich starker Säuren und Basen. Verwendungen von Diamant umfassen Schneiden, Bohren und Schleifen; Schmuck; und in der Halbleiterindustrie.
Diamant und GRAPHITDIAMANT und Graphit sind zwei Allotrope von Kohlenstoff — reine Formen desselben Elements, die sich in ihrer Struktur unterscheiden. Graphit
Graphit ist ein weiteres Allotrop von Kohlenstoff; Im Gegensatz zu Diamant ist es ein elektrischer Leiter und ein Halbmetall. Graphit ist die stabilste Form von Kohlenstoff unter Standardbedingungen und wird in der Thermochemie als Standardzustand zur Definition der Bildungswärme von Kohlenstoffverbindungen verwendet. Es gibt drei Arten von natürlichem Graphit:
- Kristalliner Flockengraphit: isolierte, flache, plattenartige Partikel mit hexagonalen Kanten
- Amorpher Graphit: feine Partikel, das Ergebnis der thermischen Metamorphose von Kohle; manchmal Meta-Anthrazit genannt
- Klumpen- oder Venengraphit: tritt in Fissurenvenen oder Frakturen auf, erscheint als Wachstum von faserigen oder nadelförmigen kristallinen Aggregaten
Graphit hat eine geschichtete, ebene Struktur. In jeder Schicht sind die Kohlenstoffatome in einem hexagonalen Gitter mit einem Abstand von 0,142 nm angeordnet, und der Abstand zwischen den Ebenen (Schichten) beträgt 0,335 nm. Die beiden bekannten Formen von Graphit, Alpha (hexagonal) und Beta (rhomboedrisch), haben sehr ähnliche physikalische Eigenschaften (außer dass sich die Schichten etwas unterschiedlich stapeln). Der sechseckige Graphit kann entweder flach oder geknickt sein. Die Alpha-Form kann durch mechanische Behandlung in die Beta-Form umgewandelt werden, und die Beta-Form kehrt zur Alpha-Form zurück, wenn sie über 1300 ° C erhitzt wird. Graphit hat auch selbstschmierende und trockene Schmiereigenschaften. Graphit hat Anwendungen in prothetischen bluthaltigen Materialien und hitzebeständigen Materialien, da es Temperaturen bis zu 3000 ° C widerstehen kann.
Eine einzelne Schicht Graphit wird Graphen genannt. Dieses Material zeigt außergewöhnliche elektrische, thermische und physikalische Eigenschaften. Es ist ein Allotrop aus Kohlenstoff, dessen Struktur eine einzelne ebene Schicht aus sp2-gebundenen Kohlenstoffatomen ist, die dicht in einem Wabenkristallgitter gepackt sind. Die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungslänge in Graphen beträgt ~ 0.142 nm, und diese Bleche stapeln sich zu Graphit mit einem interplanaren Abstand von 0,335 nm. Graphen ist das grundlegende Strukturelement von Kohlenstoffallotropen wie Graphit, Holzkohle, Kohlenstoffnanoröhren und Fullerenen. Graphen ist ein Halbmetall- oder Nullspalthalbleiter, der eine hohe Elektronenbeweglichkeit bei Raumtemperatur ermöglicht. Graphen ist eine aufregende neue Materialklasse, deren einzigartige Eigenschaften es zum Gegenstand laufender Forschung in vielen Labors machen.
Amorpher Kohlenstoff
Amorpher Kohlenstoff bezieht sich auf Kohlenstoff, der keine kristalline Struktur aufweist. Obwohl amorpher Kohlenstoff hergestellt werden kann, gibt es immer noch einige mikroskopisch kleine Kristalle aus graphitähnlichem oder diamantähnlichem Kohlenstoff. Die Eigenschaften von amorphem Kohlenstoff hängen vom Verhältnis der im Material vorhandenen hybridisierten sp2- zu sp3-Bindungen ab. Graphit besteht rein aus sp2-hybridisierten Bindungen, während Diamant rein aus sp3-hybridisierten Bindungen besteht. Materialien mit einem hohen Anteil an sp3-hybridisierten Bindungen werden als tetraedrischer amorpher Kohlenstoff (aufgrund der tetraedrischen Form, die durch sp3-hybridisierte Bindungen gebildet wird) oder diamantähnlicher Kohlenstoff (aufgrund der Ähnlichkeit vieler seiner physikalischen Eigenschaften mit denen von Diamant) bezeichnet.
Fullerene und Nanoröhren
Kohlenstoffnanomaterialien bilden eine weitere Klasse von Kohlenstoffallotropen. Fullerene (auch Buckyballs genannt) sind Moleküle unterschiedlicher Größe, die vollständig aus Kohlenstoff bestehen und die Form von Hohlkugeln, Ellipsoiden oder Röhren annehmen. Buckyballs und Buckytubes waren Gegenstand intensiver Forschung, sowohl wegen ihrer einzigartigen Chemie als auch wegen ihrer technologischen Anwendungen, insbesondere in der Materialwissenschaft, Elektronik und Nanotechnologie. Kohlenstoff-Nanoröhren sind zylindrische Kohlenstoffmoleküle, die außergewöhnliche Festigkeit und einzigartige elektrische Eigenschaften aufweisen und effiziente Wärmeleiter sind. Kohlenstoff-Nanobuds sind neu entdeckte Allotrope, bei denen fullerenartige „Knospen“ kovalent an die äußeren Seitenwände einer Kohlenstoffnanoröhre gebunden sind. Nanobuds weisen daher Eigenschaften von Nanoröhren und Fullerenen auf.
Glaskohlenstoff
Glas- oder Glaskohlenstoff ist eine Klasse von Kohlenstoff, die häufig als Elektrodenmaterial in der Elektrochemie sowie in Prothesen und Hochtemperaturtiegeln verwendet wird. Seine wichtigsten Eigenschaften sind hohe Temperaturbeständigkeit, Härte, geringe Dichte, geringer elektrischer Widerstand, geringe Reibung, geringer thermischer Widerstand, extreme Beständigkeit gegen chemische Angriffe und Undurchlässigkeit für Gase und Flüssigkeiten.
Andere Allotrope
Andere Allotrope von Kohlenstoff umfassen Kohlenstoff-Nanoschaum, der eine Clusteranordnung mit niedriger Dichte von Kohlenstoffatomen ist, die in einem losen dreidimensionalen Netz aneinandergereiht sind; reiner atomarer und zweiatomiger Kohlenstoff; und linearer acetylenischer Kohlenstoff, der ein eindimensionales Kohlenstoffpolymer mit der Struktur – (C :::C) n- ist.
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