Introduction to Chemistry
leerdoelstelling
- Beschrijf de eigenschappen van de allotropen van koolstof.
kernpunten
- diamant is een bekende allotrope van koolstof die hardheid en hoge verspreiding van licht vertoont. Het is het hardste bekende natuurlijke mineraal en vindt toepassingen in het snijden, boren, en sieraden, en als een potentiële halfgeleidermateriaal.
- grafeen is een enkele laag koolstofatomen in één vlak; grafiet bestaat uit grafeenlagen. Grafeen is een interessant materiaal vanwege zijn hoge elektronenmobiliteit en zijn mogelijke toepassingen in elektronica.
- fullerenen zijn een klasse allotropen waarin koolstof de vorm heeft van een holle bol, ellipsoïde of buis. Deze klasse van materialen omvat koolstof Nanobuizen, buckyballs, en de nieuw ontdekte nanobuds.
Term
- allotropesverschillende vormen van een chemisch element.
allotropie is de eigenschap dat sommige chemische elementen in twee of meer verschillende vormen voorkomen, of allotropen, wanneer ze in de natuur worden gevonden. Er zijn verschillende allotropen van koolstof.
diamant
diamant is waarschijnlijk de bekendste allotrope koolstof. De koolstofatomen zijn gerangschikt in een rooster, dat is een variatie van de gezicht-gecentreerde kubieke kristalstructuur. Het heeft superlatieve fysieke kwaliteiten, waarvan de meeste afkomstig zijn van de sterke covalente binding tussen zijn atomen. Elk koolstofatoom in een diamant is covalent gebonden aan vier andere koolstofatomen in een tetraëder. Deze tetraëders vormen samen een driedimensionaal netwerk van zes-membered carbon ringen in de stoel conformatie, waardoor nul binding-Hoek Spanning. Dit stabiele netwerk van covalente bindingen en zeshoekige ringen is de reden dat diamant zo ongelooflijk sterk is als stof.
hierdoor vertoont diamant de hoogste hardheid en thermische geleidbaarheid van alle bulkmaterialen. Bovendien voorkomt het stijve rooster verontreiniging door vele elementen. Het oppervlak van diamant is lipofillisch en hydrofoob, wat betekent dat het niet nat kan worden door water, maar in olie kan zitten. Diamanten reageren over het algemeen niet met chemische reagentia, waaronder sterke zuren en basen. Gebruik van diamant omvatten snijden, boren, en slijpen; Sieraden; en in de halfgeleider industrie.
grafiet
grafiet is een andere allotrope van koolstof; in tegenstelling tot diamant is het een elektrische geleider en een halfmetaal. Grafiet is de meest stabiele vorm van koolstof onder standaardomstandigheden en wordt gebruikt in de thermochemie als de standaardtoestand voor het bepalen van de warmte van de vorming van koolstofverbindingen. Er zijn drie soorten natuurlijk grafiet:
- kristallijn vlokgrafiet: geïsoleerde, platte, plaatachtige deeltjes met zeshoekige randen
- amorf grafiet: fijne deeltjes, het resultaat van thermische metamorfisme van steenkool; soms meta-antraciet
- klomp of ader grafiet: komt voor in spleetaders of breuken, verschijnt als groeisels van vezelige of aciculaire kristallijne aggregaten
grafiet heeft een gelaagde, vlakke structuur. In elke laag worden de koolstofatomen gerangschikt in een zeshoekig rooster met scheiding van 0,142 nm, en de afstand tussen vlakken (lagen) is 0,335 nm. De twee bekende vormen van grafiet, alpha (hexagonaal) en beta (rhombohedral), hebben zeer vergelijkbare fysische eigenschappen (behalve dat de lagen stapelen iets anders). Het hexagonale grafiet kan plat of verbogen zijn. De alfavorm kan worden omgezet in de bètavorm door mechanische behandeling, en de bètavorm keert terug naar de alfavorm wanneer het wordt verwarmd boven 1300 °C. grafiet kan elektriciteit geleiden als gevolg van de enorme elektronen delokalisatie binnen de koolstoflagen; aangezien de elektronen vrij zijn om te bewegen, beweegt de elektriciteit door het vlak van de lagen. Grafiet heeft ook zelfsmerende en droge smeereigenschappen. Grafiet heeft toepassingen in bloedhoudende prothetische materialen en hittebestendige materialen omdat het bestand is tegen temperaturen tot 3000 °C.
een enkele laag grafiet wordt grafeen genoemd. Dit materiaal vertoont buitengewone elektrische, thermische en fysische eigenschappen. Het is een allotrope van koolstof waarvan de structuur is een enkele vlakke plaat van SP2 gebonden koolstofatomen die dicht zijn verpakt in een honingraat kristal rooster. De koolstof-koolstofbindingslengte in grafeen is ~0.Deze platen stapelen zich op tot grafiet met een interplanaire afstand van 0,335 nm. Grafeen is het fundamentele structurele element van koolstofaltropes zoals grafiet, houtskool, koolstof nanotubes, en fullerenen. Grafeen is een semi-metaal of zero-gap halfgeleider, waardoor het een hoge elektronenmobiliteit bij kamertemperatuur kan vertonen. Grafeen is een spannende nieuwe klasse van materiaal waarvan de unieke eigenschappen maken het het onderwerp van lopend onderzoek in vele laboratoria.
amorfe koolstof
amorfe koolstof verwijst naar koolstof die geen kristallijne structuur heeft. Hoewel amorfe koolstof kan worden vervaardigd, bestaan er nog steeds enkele microscopische kristallen van grafiet-of diamantachtige koolstof. De eigenschappen van amorfe koolstof hangen af van de verhouding van SP2 tot SP3 gehybridiseerde bindingen huidig in het materiaal. Grafiet bestaat puur uit SP2-gehybridiseerde bindingen, terwijl diamant puur uit SP3-gehybridiseerde bindingen bestaat. Materialen met een hoog gehalte aan SP3-gehybridiseerde bindingen worden tetrahedrale amorfe koolstof genoemd (vanwege de tetrahedrale vorm gevormd door SP3-gehybridiseerde bindingen), of diamantachtige koolstof (vanwege de gelijkenis van veel van zijn fysische eigenschappen met die van diamant).
fullerenen en nanobuizen
Koolstofnanomaterialen vormen een andere klasse van koolstofalotropen. Fullerenen (ook wel buckyballs genoemd) zijn moleculen van verschillende grootte die volledig uit koolstof bestaan en de vorm aannemen van holle bollen, ellipsoïden of buizen. Buckyballs en buckytubes zijn het onderwerp geweest van intensief onderzoek, zowel vanwege hun unieke chemie en voor hun technologische toepassingen, met name in materiaalkunde, elektronica en nanotechnologie. Koolstof nanotubes zijn cilindrische koolstofmolecules die buitengewone sterkte en unieke elektrische eigenschappen tentoonstellen en efficiënte geleiders van hitte zijn. Koolstof nanobuds zijn nieuw ontdekte allotropes waarin fullereen-als “knoppen” covalent aan de buitenzijde muren van een koolstof nanotube zijn verbonden. Nanobuds stellen daarom eigenschappen van zowel nanotubes als fullerenen tentoon.
glasachtige koolstof
glasachtige of glasachtige koolstof is een klasse van koolstof die op grote schaal wordt gebruikt als elektrodemateriaal in de elektrochemie, alsmede in prothesen en bij hoge temperatuur smeltkroezen. De belangrijkste eigenschappen zijn hoge temperatuurbestendigheid, hardheid, lage dichtheid, lage elektrische weerstand, lage wrijving, lage thermische weerstand, extreme weerstand tegen chemische aanval en ondoordringbaarheid voor gassen en vloeistoffen.
andere allotropen
andere allotropen van koolstof omvatten koolstofnanofoam, een cluster van koolstofatomen met lage dichtheid, aaneengeregen in een los driedimensionaal web; zuivere atomaire en diatomaire koolstof; en lineair acetylenisch koolstof, een eendimensionaal koolstofpolymeer met de structuur – (C:::C)n -.