Introducere în chimie
obiectivul de învățare
- descrie proprietățile alotropilor carbonului.
puncte cheie
- diamantul este un cunoscut alotrop de carbon care prezintă duritate și dispersie ridicată a luminii. Este cel mai greu mineral natural cunoscut și găsește aplicații în tăiere, găurire și bijuterii și ca potențial material semiconductor.
- grafenul este un singur strat de atomi de carbon aranjați într-un singur plan; straturile de grafen alcătuiesc grafitul. Grafenul este un material de interes datorită mobilității ridicate a electronilor și posibilelor sale aplicații în electronică.
- fullerenele sunt o clasă de alotropi de carbon în care carbonul ia forma unei sfere goale, elipsoide sau tuburi. Această clasă de materiale include nanotuburi de carbon, buckyballs și nanobudurile nou descoperite.
termen
- alotropediferite forme ale unui element chimic.
alotropia este proprietatea unor elemente chimice de a exista în două sau mai multe forme diferite, sau alotropi, atunci când se găsesc în natură. Există mai mulți alotropi de carbon.
diamant
Diamant este, probabil, cel mai bine cunoscut alotrop de carbon. Atomii de carbon sunt aranjați într-o rețea, care este o variație a structurii cristaline cubice centrate pe față. Are calități fizice superlative, dintre care majoritatea provin din legătura covalentă puternică dintre atomii săi. Fiecare atom de carbon dintr-un diamant este legat covalent de alți patru atomi de carbon dintr-un tetraedru. Aceste tetraedre formează împreună o rețea tridimensională de inele de carbon cu șase membri în conformația scaunului, permițând tulpina unghiului de legătură zero. Această rețea stabilă de legături covalente și inele hexagonale este motivul pentru care diamantul este atât de incredibil de puternic ca substanță.ca rezultat, diamantul prezintă cea mai mare duritate și conductivitate termică a oricărui material în vrac. În plus, rețeaua sa rigidă previne contaminarea cu multe elemente. Suprafața diamantului este lipofilă și hidrofobă, ceea ce înseamnă că nu se poate uda de apă, dar poate fi în ulei. Diamantele nu reacționează în general cu reactivi chimici, inclusiv acizi și baze puternice. Utilizările diamantului includ tăierea, găurirea și măcinarea; bijuterii; și în industria semiconductorilor.
grafit
grafitul este un alt alotrop de carbon; spre deosebire de diamant, este un conductor electric și un semi-metal. Grafitul este cea mai stabilă formă de carbon în condiții standard și este utilizat în termochimie ca stare standard pentru definirea căldurii de formare a compușilor de carbon. Există trei tipuri de grafit natural:
- grafit fulg cristalin: particule izolate, plate, plate, cu margini hexagonale
- grafit amorf: particule fine, rezultatul metamorfismului termic al cărbunelui; uneori numit meta-antracit
- grafit nodular sau venă: apare în vene fisurate sau fracturi, apare ca creșteri ale agregatelor cristaline fibroase sau aciculare
grafitul are o structură stratificată, plană. În fiecare strat, atomii de carbon sunt aranjați într-o rețea hexagonală cu separare de 0,142 nm, iar distanța dintre planuri (straturi) este de 0,335 nm. Cele două forme cunoscute de grafit, alfa (hexagonal) și beta (romboedral), au proprietăți fizice foarte similare (cu excepția faptului că straturile se stivuiesc ușor diferit). Grafitul hexagonal poate fi plat sau îndoit. Forma alfa poate fi convertită în forma beta prin tratament mecanic, iar forma beta revine la forma alfa atunci când este încălzită peste 1300 centimetric C. grafitul poate conduce electricitatea datorită vastei delocalizări a electronilor din straturile de carbon; pe măsură ce electronii sunt liberi să se miște, electricitatea se deplasează prin planul straturilor. Grafitul are, de asemenea, proprietăți de lubrifiere automată și uscată. Grafitul are aplicații în materiale protetice care conțin sânge și materiale rezistente la căldură, deoarece poate rezista la temperaturi de până la 3000 de Centimetre C.
un singur strat de grafit se numește grafen. Acest material prezintă proprietăți electrice, termice și fizice extraordinare. Este un alotrop de carbon a cărui structură este o singură foaie plană de atomi de carbon legați sp2 care sunt împachetați dens într-o rețea de cristal de tip fagure. Lungimea legăturii carbon-carbon în grafen este ~0.142 nm, iar aceste foi se stivuiesc pentru a forma grafit cu o distanță interplanară de 0,335 nm. Grafenul este elementul structural de bază al alotropilor de carbon, cum ar fi grafitul, cărbunele, nanotuburile de carbon și fullerenele. Grafenul este un semiconductor semi-metalic sau cu decalaj zero, permițându-i să afișeze o mobilitate ridicată a electronilor la temperatura camerei. Grafenul este o nouă clasă interesantă de materiale ale căror proprietăți unice îl fac obiectul unor cercetări în curs de desfășurare în multe laboratoare.
carbon amorf
carbon amorf se referă la carbon care nu are o structură cristalină. Chiar dacă carbonul amorf poate fi fabricat, există încă unele cristale microscopice de carbon asemănător grafitului sau diamantului. Proprietățile carbonului amorf depind de raportul dintre legăturile hibridizate sp2 și sp3 prezente în material. Grafitul constă pur din legături hibridizate sp2, în timp ce diamantul constă pur din legături hibridizate sp3. Materialele care au un conținut ridicat de legături hibridizate sp3 sunt denumite carbon amorf tetraedric (datorită formei tetraedrice formată din legături hibridizate sp3) sau carbon asemănător diamantului (datorită asemănării multora dintre proprietățile sale fizice cu cele ale diamantului).
fullerenele și nanotuburile
nanomaterialele de Carbon alcătuiesc o altă clasă de alotropi de carbon. Fullerenele (numite și buckyballs) sunt molecule de diferite dimensiuni compuse în întregime din carbon care iau forma sferelor goale, elipsoidelor sau tuburilor. Buckyballs și buckytubes au făcut obiectul unor cercetări intense, atât datorită chimiei lor unice, cât și pentru aplicațiile lor tehnologice, în special în știința materialelor, electronică și nanotehnologie. Nanotuburile de Carbon sunt molecule cilindrice de carbon care prezintă o rezistență extraordinară și proprietăți electrice unice și sunt conductori eficienți ai căldurii. Nanobudurile de Carbon sunt alotropi recent descoperiți în care „mugurii” asemănători fullerenului sunt atașați covalent de pereții laterali exteriori ai unui nanotub de carbon. Prin urmare, nanobudurile prezintă proprietăți atât ale nanotuburilor, cât și ale fullerenelor.
carbon sticlos
carbon sticlos sau vitros este o clasă de carbon utilizat pe scară largă ca material electrod în electrochimie, precum și în dispozitive protetice și Creuzete la temperaturi ridicate. Cele mai importante proprietăți ale sale sunt rezistența la temperaturi ridicate, duritatea, densitatea scăzută, rezistența electrică scăzută, frecarea redusă, rezistența termică scăzută, rezistența extremă la atacul chimic și impermeabilitatea la gaze și lichide.
alte alotropi
alte alotropi de carbon includ nanofoam de carbon, care este un ansamblu de cluster cu densitate scăzută de atomi de carbon înșirate împreună într-o pânză tridimensională liberă; carbon atomic și diatomic pur; și Carbon acetilenic liniar, care este un polimer de carbon unidimensional cu structura-(C:::C)n -.