- الروابط التساهمية للكربون
- السداسيات
- تتراهيدرا
- كربون غير متبلور
- تآمر
- المجموعات الوظيفية
- الجرافيت
- الخصائص الفيزيائية
- الجرافين
- أنابيب الكربون النانوية
- المطابقات الهيكلية
- الفوليرين
- المراجع
و المتآصلة من الكربون هي الأشكال المادية المختلفة للفرز وربط ذراتها. كل واحد يتوافق مع مادة صلبة لها خصائصها الخاصة. جزيئيًا وبنيويًا يتم تمييزهما عن بعضهما البعض. هناك نوعان رئيسيان من هذه المتآصلات: بلوري وغير متبلور.
المتآصلات البلورية هي تلك التي لها نمط متكرر من ذراتها في الفضاء. وفي الوقت نفسه ، في التآصل غير المتبلور ، يتم ترتيب الذرات بشكل غير منظم ، دون وجود منطقتين متطابقتين في المادة الصلبة. لذلك يتم ترتيب الأول ، والأخير مضطرب.
المتآصلات الرئيسية للكربون. المصدر: جوزيف سيفيك
من بين البلورات الألماس (أ) والجرافيت (هـ) بامتياز. لوحظ في الصورة العلوية تراكيب مختلفة لها سمة مشتركة: فهي تتكون فقط من ذرات الكربون (الكرات السوداء).
ومن بين المتآصلات غير المتبلورة ، لدينا الكربون غير المتبلور (ب) ، والذي ، كما يمكن أن نرى ، هيكله غير منظم. ومع ذلك ، هناك العديد من أنواع الكربون غير المتبلور ، لذلك فهي عائلة من المواد الصلبة.
أيضًا ، يمكن أن تشكل ذرات الكربون جزيئات فائقة ، مثل الفوليرين (ج) والأنابيب النانوية (د). يمكن أن تختلف هذه الجزيئات العملاقة في الحجم والشكل ، لكنها تحتفظ بنفس الأشكال الهندسية ؛ كروي وأنبوبي للفوليرين والأنابيب النانوية ، على التوالي.
الروابط التساهمية للكربون
قبل معالجة بعض المتآصلات المعروفة للكربون ، من الضروري مراجعة كيفية ارتباط ذرات الكربون.
وفقًا لنظرية رابطة التكافؤ ، يحتوي الكربون على أربعة إلكترونات في غلاف التكافؤ ، والتي تشكل معها روابط تساهمية. بفضل الترويج الإلكتروني والتهجين ، يمكن وضع الإلكترونات الأربعة في أربعة مدارات منفصلة ، سواء كانت نقية أو هجينة.
لذلك ، فإن الكربون لديه القدرة على تكوين ما يصل إلى أربعة روابط كحد أقصى.
العاصمة. مع أربع روابط CC ، تصل الذرات إلى ثماني بتات التكافؤ ، وتصبح مستقرة جدًا. ومع ذلك ، هذا لا يعني أنه لا يمكن أن يكون هناك ثلاثة فقط من هذه الروابط ، مثل تلك الموجودة في الأشكال السداسية.
السداسيات
اعتمادًا على تهجين ذرة الكربون ، يمكن العثور على الروابط المزدوجة أو الثلاثية في بنية تآصل كل منها. ولكن ، حتى أكثر وضوحًا من وجود مثل هذه الروابط ، هو الهندسة التي تتبناها الكربون.
على سبيل المثال ، إذا لوحظ وجود شكل سداسي ، فهذا يعني أن الكربونات لها تهجين sp 2 وبالتالي يكون لها مدار p نقي مع إلكترون وحيد. هل يمكنك رؤية الأشكال السداسية المثالية في الصورة الأولى؟ تلك المتآصلات التي تحتوي عليها تدل على أن الكربون الخاص بها هو sp 2 ، سواء كانت هناك روابط مزدوجة أم لا (مثل تلك الموجودة في حلقة البنزين).
ثم تتكون الطبقة الشبكية أو المستوية أو السداسية من sp 2 carbons التي لها "سقف" إلكتروني أو "سحابة" ، وهو نتاج الإلكترون غير المزدوج للمدار p. يمكن لهذا الإلكترون تكوين روابط تساهمية مع جزيئات أخرى ، أو جذب الشحنات الموجبة لأيونات المعادن ؛ مثل K + و Na +.
وبالمثل ، تسمح هذه الإلكترونات لهذه الأصداف بالتراكم فوق بعضها البعض ، دون ترابط (بسبب عائق هندسي ومكاني لتداخل المداري p). هذا يعني أن المتآصلات ذات الأشكال الهندسية السداسية قد يتم أو لا يتم طلبها لبناء بلورة.
تتراهيدرا
إذا لوحظ وجود رباعي الوجوه ، كما سيتم شرحه في القسم الأخير ، فهذا يعني أن ذرات الكربون لها تهجين sp 3. يوجد فيها أربعة روابط CC بسيطة ، وتشكل شبكة بلورية رباعية السطوح. في مثل هذه رباعي السطوح لا توجد إلكترونات حرة كما هو الحال في السداسيات.
كربون غير متبلور
قطع من الفحم تمثل الكربون غير المتبلور. المصدر: Pxhere.
يمكن تخيل الكربون غير المتبلور كنوع من الإسفنج المسامي ، مع الكثير من الشبكات السداسية ورباعية السطوح المرتبة بشكل تعسفي. في هذه المصفوفة المعدنية يمكنهم حبس العناصر الأخرى ، والتي يمكن أن تضغط أو تمدد الإسفنج المذكور ؛ وبنفس الطريقة ، يمكن أن تكون نواتها الهيكلية أكبر أو أصغر.
وبالتالي ، اعتمادًا على نسبة الكربون ، يتم اشتقاق أنواع مختلفة من الكربون غير المتبلور ؛ مثل السخام والفحم والأنثراسايت وأسود الكربون والجفت وفحم الكوك والكربون المنشط.
للوهلة الأولى ، تبدو جميعها متشابهة عن بُعد (الصورة العلوية) ، مع تدرجات إلى حافة الدرجات اللونية السوداء أو الباهتة أو المعدنية والرمادية.
ليس كل الكربون غير المتبلور له نفس الأصل. الكربون النباتي ، كما يشير اسمه ، هو نتاج احتراق كتل الخضار والخشب. بينما يعتبر أسود الكربون وفحم الكوك نتاج مراحل وشروط مختلفة من العمليات البترولية.
على الرغم من أنها لا تبدو جذابة للغاية ويمكن الاعتقاد بأنها تعمل فقط كوقود ، إلا أن مسامية موادها الصلبة تجذب الانتباه في تطبيقات التنقية التكنولوجية ، مثل المواد الماصة وتخزين المواد ، وأيضًا كدعم محفز.
تآمر
تكون هياكل الكربون غير المتبلور معقدة ومضطربة ؛ ومع ذلك ، فقد أظهرت الدراسات البلورية أنها في الواقع متعددة الأنواع رباعية السطوح (الماس) وسداسية (الجرافيت) ، مرتبة بشكل تعسفي في طبقات.
على سبيل المثال ، إذا كانت T و H عبارة عن طبقات رباعي السطوح وسداسية ، على التوالي ، فيمكن وصف الكربون غير المتبلور هيكليًا على النحو التالي: THTHHTH؛ أو HTHTTHHHT ، إلخ. تحدد تسلسلات معينة من طبقات T و H نوعًا من الكربون غير المتبلور ؛ لكن داخلها ، لا يوجد اتجاه أو نمط متكرر.
ولهذا السبب يصعب من الناحية الهيكلية توصيف متآصلات الكربون هذه ؛ وبدلاً من ذلك يفضل الكربون٪ وهو متغير يسهل اختلافاته وخواصه الفيزيائية وميله للحرق أو الاحتراق.
المجموعات الوظيفية
تم ذكر أن المستويات السداسية لها إلكترون غير مزدوج يمكن من خلاله تكوين رابطة مع جزيئات أو ذرات أخرى. إذا كانت الجزيئات المحيطة ، على سبيل المثال ، هي H 2 O و CO 2 ، فمن المتوقع أن تتشكل مجموعات OH و COOH ، على التوالي. يمكنهم أيضًا الارتباط بذرات الهيدروجين ، وتشكيل روابط CH.
الاحتمالات متنوعة للغاية ، ولكن باختصار يمكن للكربون غير المتبلور استضافة مجموعات وظيفية مؤكسجة. عندما تكون هذه الذرات غير المتجانسة موجودة ، فإنها لا توجد فقط على حواف الطائرات ، ولكن أيضًا وداخلها.
الجرافيت
التركيب البلوري لطبقات سداسية من الجرافيت. المصدر: MartinThoma.
تُظهر الصورة العلوية نموذجًا به كريات وأوتار للبنية البلورية للجرافيت. لحسن الحظ ، تساعد ظلال الكرات في تصور الغيوم نتاج إلغاء تحديد موقع إلكتروناتها غير المزاوجة. تم ذكر ذلك في القسم الأول ، دون الكثير من التفاصيل.
يمكن مقارنة هذه السحب بنظامين: نظام حلقات البنزين ونظام "بحار الإلكترون" في البلورات المعدنية.
تتحد المدارات p مع بعضها البعض لبناء مسار تنتقل فيه الإلكترونات بحرية ؛ ولكن فقط بين طبقتين سداسية ؛ عموديًا عليها ، لا يوجد تدفق للإلكترونات أو التيار (يجب أن تمر الإلكترونات عبر ذرات الكربون).
نظرًا لوجود هجرة ثابتة للإلكترونات ، تتشكل ثنائيات أقطاب لحظية باستمرار ، مما يؤدي إلى ثنائيات أقطاب أخرى من ذرات الكربون الموجودة أعلى أو أسفل ؛ أي أن طبقات أو صفائح الجرافيت تظل متحدة بفضل قوى تشتت لندن.
هذه الطبقات السداسية ، كما هو متوقع ، تخلق بلورة جرافيت سداسية ؛ أو بالأحرى ، سلسلة من البلورات الصغيرة متصلة بزوايا مختلفة. تتصرف الغيوم كما لو كانت "زبدة كهربائية" ، مما يسمح للطبقات بالانزلاق قبل أي اضطراب خارجي على البلورات.
الخصائص الفيزيائية
من السهل فهم الخصائص الفيزيائية للجرافيت بمجرد معالجة تركيبته الجزيئية.
على سبيل المثال ، تكون نقطة انصهار الجرافيت عالية جدًا (أعلى من 4400 درجة مئوية) ، لأن الطاقة التي يتم توفيرها على شكل حرارة يجب أن تفصل بشكل لا رجعة فيه الطبقات السداسية ، وكذلك تكسر أشكالها السداسية.
لقد قيل للتو أن طبقاتهم يمكن أن تنزلق فوق بعضها البعض ؛ وليس فقط ، بل يمكن أن ينتهي بهم الأمر أيضًا على أسطح أخرى ، مثل السليلوز الذي يتكون منه الورق عند ترسبه من الجرافيت لأقلام الرصاص. تسمح هذه الخاصية للجرافيت بالعمل كمواد تشحيم ممتازة.
وقد سبق ذكره ، إنه موصل جيد للكهرباء ، وأيضًا للحرارة والصوت.
الجرافين
ورقة الجرافين بدون روابط مزدوجة. المصدر: جينتو
على الرغم من عدم ظهوره في الصورة الأولى ، لا يمكن استبعاد تآصل الكربون هذا. لنفترض أن طبقات الجرافيت قد تم إمساكها وتكثيفها في ورقة واحدة ، ومفتوحة وتغطي مساحة كبيرة. إذا تم ذلك جزيئيًا ، فسيولد الجرافين (الصورة العلوية).
لذا ، فإن الرسوم البيانية هي ورقة جرافيت فردية ، لا تتفاعل مع الآخرين ويمكن أن تلوح مثل العلم. لاحظ أنه يشبه جدران أقراص العسل.
تحافظ أوراق الجرافين هذه على خصائص الجرافيت وتضربها. من الصعب للغاية فصل سداسياتها ، لذا فهي تقدم مقاومة ميكانيكية رهيبة ؛ أعلى من الفولاذ. بالإضافة إلى ذلك ، فهي خفيفة ورقيقة للغاية ، ومن الناحية النظرية سيكون جرامًا واحدًا منها كافياً لتغطية ملعب كرة قدم بأكمله.
إذا نظرت إلى الصورة العلوية مرة أخرى ، يمكنك أن ترى أنه لا توجد روابط مزدوجة. بالتأكيد قد تكون هناك ، وكذلك الروابط الثلاثية (Graffins). وهنا تفتح كيمياء الجرافين.
مثل الجرافيت والطبقات السداسية الأخرى ، يمكن للجزيئات الأخرى الارتباط تساهميًا بسطح الجرافين ، مما يجعل هيكله وظيفيًا للتطبيقات الإلكترونية والبيولوجية.
أنابيب الكربون النانوية
الأنواع الثلاثة للأنابيب النانوية الكربونية. المصدر: Mstroeck عبر ويكيبيديا.
لنفترض الآن أننا أمسكنا بأوراق الجرافين وبدأنا في لفها في أنبوب ؛ هذه هي أنابيب الكربون النانوية. أطوال ونصف قطر هذه الأنابيب متغيرة ، كما هو الحال بالنسبة لتوافقها المكاني. وتشكل هذه الأنابيب النانوية ، جنبًا إلى جنب مع الجرافين والفوليرين ، ثالوثًا من أروع خواص الكربون.
المطابقات الهيكلية
تظهر ثلاثة أنابيب نانوية كربونية في الصورة العلوية. ما الفرق بينهم؟ كل ثلاثة لها جدران مزخرفة سداسية ، وتظهر نفس خصائص السطح التي تمت مناقشتها بالفعل. ثم تكمن الإجابة في التوجهات النسبية لهذه الأشكال السداسية.
يتوافق الشكل الأول مع النوع المتعرج (الزاوية اليمنى العليا). إذا تمت ملاحظته بعناية ، فسيتم تقدير أنه يحتوي على صفوف من السداسيات موضوعة بشكل عمودي تمامًا على المحور الطولي للأنبوب.
في المقابل ، بالنسبة للتشكيل من نوع الكرسي بذراعين (الزاوية اليمنى السفلية) ، يتم ترتيب الأشكال السداسية في صفوف في نفس اتجاه المحور الطولي للأنبوب. في الأنبوب النانوي الأول ، تجري الأشكال السداسية عبر السطح بمعنى قطره ، وفي الأنبوب النانوي الثاني ، تعمل على طول السطح ، من "النهاية إلى النهاية".
وأخيرًا ، هناك الأنبوب النانوي اللولبي (الزاوية اليسرى السفلية). قارن مع درج حلزوني يتجه إلى اليسار أو اليمين. يحدث الشيء نفسه مع هذا الأنبوب النانوي الكربوني: يتم ترتيب سداسياته تصاعديًا إلى اليسار أو اليمين. نظرًا لوجود نسختين مكانيتين ، يُقال أنه يعرض chirality.
الفوليرين
C60 جزيء الفوليرين. المصدر: Benjah-bmm27.
في الفوليرينات ، لا تزال الأشكال السداسية محفوظة ، ولكن بالإضافة إلى ذلك ، تظهر الخماسيات ، وكلها تحتوي على sp 2 كربون. تم ترك الألواح أو الطبقات خلفها بالفعل: لقد تم طيها الآن بحيث تشكل كرة ، مثل كرة القدم ؛ واعتمادًا على عدد الكربونات ، إلى كرة رجبي.
الفوليرين جزيئات تختلف في الحجم. أشهرها هو C 60 (الصورة العلوية). يجب التعامل مع هذه المتآصلات الكربونية كبالونات ، والتي يمكن أن تنضغط معًا لتكوين بلورات ، حيث يمكن احتجاز الأيونات والجزيئات الأخرى داخل فجواتها.
هذه الكرات عبارة عن ناقلات أو دعامات خاصة للجزيئات. كيف؟ من خلال الروابط التساهمية إلى سطحه ، على وجه الخصوص ، إلى الكربون المجاور لمسدس. يقال بعد ذلك أن الفوليرين قد تم توظيفه (معقد خارجي خارجي).
يمكن كسر جدرانه بشكل استراتيجي لتخزين الجزيئات بالداخل ؛ تشبه كبسولة كروية. وبالمثل ، يمكن أن تكون هذه الكرات بها شقوق ويمكن تشغيلها في نفس الوقت ؛ كل شيء سوف يعتمد على التطبيق المقصود منها.
هيكل بلوري مكعب من الماس. المصدر: GYassineMrabetTalk✉ تم إنشاء هذا الهيكل باستخدام PyMOL..
وأخيرًا ، أشهر أنواع تآصل الكربون: الماس (على الرغم من أنه ليس كل الكربون).
من الناحية الهيكلية ، تتكون من ذرات كربون sp 3 ، وتشكل أربع روابط CC وشبكة ثلاثية الأبعاد من رباعي الأسطح (الصورة العلوية) التي تكون خليتها البلورية مكعبة. وهي من أقسى المعادن ، ودرجة انصهارها تقترب من 4000 درجة مئوية.
رباعي الأسطح قادر على نقل الحرارة بكفاءة عبر الشبكة البلورية ؛ ولكن ليس كذلك مع الكهرباء ، لأن إلكتروناتها تقع في مكان جيد جدًا في روابطها التساهمية الأربعة ولا يمكنها الذهاب إلى أي مكان. لذلك ، فهو موصل حراري جيد ، لكنه عازل كهربائي.
اعتمادًا على كيفية ظهورها ، يمكن أن تشتت الضوء في العديد من الزوايا الساطعة والجذابة ، وهذا هو السبب في أنها مرغوبة كأحجار كريمة ومجوهرات.
الشبكة مقاومة للغاية ، لأنها ستحتاج إلى الكثير من الضغط لتحريك رباعي السطوح. هذه الخاصية تجعلها مادة ذات مقاومة ميكانيكية عالية وصلابة ، قادرة على عمل قطع دقيقة ونظيفة ، كما هو الحال مع المبضع الماسي.
تعتمد ألوانها على عيوبها البلورية وشوائبها.
المراجع
- رجفة وأتكينز. (2008). الكيمياء غير العضوية. (طبعة رابعة). ماك جراو هيل.
- Méndez Medrano، Ma. Guadalupe، Rosu، HC، Torres González، LA (2012). الجرافين: تآصل الكربون الواعد. قانون الجامعة. المجلد. 22 ، لا. 3 ، أبريل- مايو ، 2012 ، ص. 20-23 ، جامعة غواناخواتو ، غواناخواتو ، المكسيك.
- آي إي إس لا ماغدالينا. أفيليس. أستورياس. (سادس). أشكال متآصلة من الكربون.. تم الاسترجاع من: fisquiweb.es
- ويكيبيديا. (2019). تآصل الكربون. تم الاسترجاع من: es.wikipedia.org
- سيدربيرج ديفيد. (سادس). Allotropes من الكربون. تم الاسترجاع من: web.ics.purdue.edu
- سيدربيرج ، د. (2009). Allotropes من الكربون: كل شيء بالطريقة التي يتم تجميعها معًا. تم الاسترجاع من: physics.purdue.edu
- هيرش أ. (2010). عصر تآصل الكربون. قسم الكيمياء والصيدلة والمركز متعدد التخصصات للمواد الجزيئية (ICMM) ، جامعة فريدريش ألكسندر ، إرلانجن - نورمبرغ ، Henkestrasse 42 ، 91054 Erlangen ، ألمانيا.
- مجلس أمناء نظام جامعة ويسكونسن. (2013). الأنابيب النانوية وأشكال الكربون الأخرى. تم الاسترجاع من: chemistry.beloit.edu
- كلارك جيم. (2012). الهياكل التساهمية العملاقة. تم الاسترجاع من: chemguide.co.uk