Introduksjon Til Kjemi
Læringsmål
- Beskriv egenskapene til allotroper av karbon.
Nøkkelpunkter
- Diamant Er en velkjent allotrope av karbon som utviser hardhet og høy spredning av lys. Det er det vanskeligste kjente naturlige mineralet og finner applikasjoner i kutting, boring og smykker, og som et potensielt halvledermateriale.
- Grafen er et enkelt lag av karbonatomer arrangert i ett plan; lag av grafen utgjør grafitt. Graphene er et materiale av interesse på grunn av sin høye elektronmobilitet og mulige anvendelser i elektronikk.Fullerener Er en klasse av karbon allotroper der karbon tar form av en hul sfære, ellipsoid eller rør. Denne klassen av materialer inkluderer karbonnanorør, buckyballs og de nylig oppdagede nanobudene.
Term
- allotroperforskjellige former for et kjemisk element.Allotropi er egenskapen til noen kjemiske elementer å eksistere i to eller flere forskjellige former, eller allotroper, når de finnes i naturen. Det er flere allotroper av karbon.
Allotroper Av Karbonallotroper av karbon: a) Diamant, B) Grafitt, c) Lonsdaleite, d) C60 (Buckminsterfullerene eller buckyball), e) C540, f) C70, g) Amorft karbon, og h) enkeltvegget karbon nanorør eller buckytube. Diamant
Diamant er trolig den mest kjente karbon allotrope. Karbonatomer er arrangert i et gitter, som er en variasjon av den ansikts-sentrert kubiske krystallstrukturen. Den har superlative fysiske egenskaper, hvorav de fleste stammer fra den sterke kovalente bindingen mellom atomene. Hvert karbonatom i en diamant er kovalent bundet til fire andre karboner i et tetraeder. Disse tetraeder sammen danner et tredimensjonalt nettverk av seks-ledd karbonringer i stolen konformasjon, noe som åpner for null binding-vinkel belastning. Dette stabile nettverket av kovalente bindinger og sekskantede ringer er grunnen til at diamant er så utrolig sterk som et stoff.som et resultat utviser diamant den høyeste hardheten og varmeledningsevnen til noe bulkmateriale. I tillegg forhindrer dets stive gitter forurensning av mange elementer. Overflaten av diamant er lipofillisk og hydrofob, noe som betyr at den ikke kan bli våt av vann, men kan være i olje. Diamanter reagerer vanligvis ikke med kjemiske reagenser, inkludert sterke syrer og baser. Bruk av diamant inkluderer skjæring, boring og sliping; smykker; og i semi-dirigent industrien.
Diamant Og Grafittdiamant og grafitt er to allotroper av karbon — rene former av samme element som varierer i struktur. Grafitt
Grafitt er en annen allotrope av karbon; i motsetning til diamant er Det en elektrisk leder og et halvmetall. Grafitt er den mest stabile formen for karbon under standardbetingelser og brukes i termokjemi som standardstatus for å definere varmen for dannelse av karbonforbindelser. Det finnes tre typer naturlig grafitt:Krystallinsk flakgrafitt: isolerte, flate, platelignende partikler med sekskantede kanter Amorft grafitt: fine partikler, resultatet av termisk metamorfisme av kull; noen ganger kalt meta-antrasitt Klump eller venegrafitt: forekommer i fissurårer eller brudd, vises som vekst av fibrøse eller acikulære krystallinske aggregater
Grafitt har en lagdelt, plan struktur. I hvert lag er karbonatomer anordnet i et sekskantet gitter med separasjon på 0,142 nm, og avstanden mellom fly (lag) er 0,335 nm. De to kjente former for grafitt, alfa (sekskantet) og beta (rhomboedral), har svært like fysiske egenskaper (bortsett fra at lagene stabler litt annerledes). Den sekskantede grafitt kan være enten flat eller spent. Alfa-formen kan konverteres til beta-formen gjennom mekanisk behandling, og beta-formen går tilbake til alfa-formen når den oppvarmes over 1300 °C. Grafitt kan lede strøm på grunn av den store elektrondelokaliseringen i karbonlagene; da elektronene er frie til å bevege seg, beveger elektrisitet seg gjennom lagets plan. Grafitt har også selvsmørende og tørre smøreegenskaper. Grafitt har anvendelser i protese blodholdige materialer og varmebestandige materialer som det kan motstå temperaturer opp til 3000 °C.
et enkelt lag grafitt kalles grafen. Dette materialet viser ekstraordinære elektriske, termiske og fysiske egenskaper. Det er en allotrope av karbon hvis struktur er et enkelt plan ark med sp2 bundet karbonatomer som er tett pakket i en honeycomb krystallgitter. Karbon – karbonbindingslengden i grafen er ~0.142 nm, og disse arkene stables for å danne grafitt med en interplanar avstand på 0,335 nm. Grafen er det grunnleggende strukturelle elementet i karbon allotroper som grafitt, trekull, karbonnanorør og fullerener. Grafen er en halvmetall eller null-gap halvleder, slik at den kan vise høy elektronmobilitet ved romtemperatur. Graphene er en spennende ny klasse av materiale hvis unike egenskaper gjør det gjenstand for pågående forskning i mange laboratorier.
Amorft Karbon
Amorft karbon refererer til karbon som ikke har en krystallinsk struktur. Selv om amorft karbon kan produseres, eksisterer det fortsatt noen mikroskopiske krystaller av grafittlignende eller diamantlignende karbon. Egenskapene til amorft karbon avhenger av forholdet mellom sp2 og sp3 hybridiserte bindinger tilstede i materialet. Grafitt bestar rent av sp2 hybridiserte bindinger, mens diamant bestar rent av sp3 hybridiserte bindinger. Materialer som er høye i sp3 hybridiserte bindinger refereres til som tetrahedral amorf karbon (på grunn av den tetrahedrale formen dannet av sp3 hybridiserte bindinger), eller diamantlignende karbon (på grunn av likheten til mange av dens fysiske egenskaper til diamant).
Fullerener og Nanorør
Karbon nanomaterialer utgjør en annen klasse av karbon allotroper. Fullerener (også kalt buckyballs) er molekyler av varierende størrelser som består helt av karbon som tar form av hule kuler, ellipsoider eller rør. Buckyballs og buckytubes har vært gjenstand for intens forskning, både på grunn av deres unike kjemi og for deres teknologiske applikasjoner, spesielt innen materialvitenskap, elektronikk og nanoteknologi. Karbon nanorør er sylindriske karbonmolekyler som utviser ekstraordinær styrke og unike elektriske egenskaper og er effektive ledere av varme. Karbon nanobuds er nyoppdagede allotroper der fullerenlignende «knopper» er kovalent festet til ytre sidevegger av en karbonnanorør. Nanobuds viser derfor egenskaper av både nanorør og fullerener.
Glassaktig Karbon
Glassaktig eller glassaktig karbon er en klasse av karbon som er mye brukt som elektrodemateriale i elektrokjemi, så vel som i proteser og smeltedigler med høy temperatur. Dens viktigste egenskaper er høy temperaturmotstand, hardhet, lav tetthet, lav elektrisk motstand, lav friksjon, lav termisk motstand, ekstrem motstand mot kjemisk angrep og ugjennomtrengelighet for gasser og væsker.
Andre allotroper
Andre allotroper av karbon inkluderer karbon nanofoam, som er en klynge med lav tetthet av karbonatomer satt sammen i en løs tredimensjonal bane; rent atomisk og diatomisk karbon; og lineært acetylenisk karbon, som er en endimensjonal karbonpolymer med strukturen-(C:::C)n -.