Il allotropi di carbonio sono le diverse forme fisiche in cui i loro atomi possono essere disposti e collegati. Ognuno corrisponde a un solido con le proprie caratteristiche speciali. Molecolarmente e strutturalmente si distinguono l'una dall'altra. Esistono due tipi principali di questi allotropi: cristallino e amorfo..
Gli allotropi cristallini sono quelli che hanno uno schema ripetitivo dei loro atomi nello spazio. Nel frattempo, negli allotropi amorfi, gli atomi sono disposti in modo disordinato, senza che ci siano due regioni identiche nel solido. Quindi, i primi sono ordinati e i secondi, disordinati.
Tra i cristallini troviamo il diamante (a) e la grafite (e) per eccellenza. Si osservano nell'immagine in alto diverse strutture che hanno un aspetto comune: sono composte solo da atomi di carbonio (sfere nere).
E tra gli allotropi amorfi, abbiamo il carbonio amorfo (b), la cui struttura, come si può vedere, è disordinata. Tuttavia, ci sono molti tipi di carboni amorfi, quindi è una famiglia di solidi..
Inoltre, gli atomi di carbonio possono formare supramolecole, come fullereni (c) e nanotubi (d). Queste supramolecole possono variare in dimensione e forma, ma mantengono le stesse geometrie; sferico e tubolare rispettivamente per fullereni e nanotubi.
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Prima di affrontare alcuni degli allotropi noti del carbonio, è necessario rivedere il modo in cui gli atomi di carbonio si legano..
Secondo la teoria del legame di valenza, il carbonio ha quattro elettroni nel suo guscio di valenza, con i quali formano legami covalenti. Grazie alla promozione elettronica e all'ibridazione, i quattro elettroni possono essere collocati in quattro orbitali separati, puri o ibridi.
Pertanto, il carbonio ha la capacità di formare fino a un massimo di quattro legami.
DC. Avendo quattro legami C-C, gli atomi raggiungono l'ottetto di valenza e diventano molto stabili. Tuttavia, ciò non significa che non possano esserci solo tre di questi collegamenti, come quelli visti negli esagoni..
A seconda delle ibridazioni dell'atomo di carbonio, si possono trovare doppi o tripli legami nella struttura dei rispettivi allotropi. Ma, ancora più evidente dell'esistenza di tali legami, è la geometria che adottano i carboni.
Ad esempio, se si osserva un esagono, significa che i carboni hanno ibridazione spDue e quindi hanno un orbitale p puro con un elettrone solitario. Riesci a vedere esagoni perfetti nella prima immagine? Quegli allotropi che li contengono implicano che i loro atomi di carbonio siano spDue, se ci sono o meno doppi legami (come quelli dell'anello benzenico).
Uno strato a maglia, piano o esagonale è quindi costituito da carboni spDue che ha un "soffitto" elettronico o "nuvola", prodotto dell'elettrone spaiato dell'orbitale p. Questo elettrone può formare legami covalenti con altre molecole o attrarre le cariche positive degli ioni metallici; come il K+ e Na+.
Allo stesso modo, questi elettroni consentono a questi gusci di impilarsi uno sopra l'altro, senza legarsi (a causa di un impedimento geometrico e spaziale alla sovrapposizione dei due orbitali p). Ciò significa che gli allotropi con geometrie esagonali possono o non possono essere ordinati per costruire un cristallo..
Se si osserva un tetraedro, come verrà spiegato nell'ultima sezione, significa che i carboni hanno ibridazione sp3. In essi ci sono quattro singoli legami C-C e formano un reticolo cristallino tetraedrico. In tali tetraedri non ci sono elettroni liberi come ce ne sono negli esagoni..
Il carbonio amorfo può essere immaginato come una specie di spugna porosa, con molte reti esagonali e tetraedriche disposte arbitrariamente. In questa matrice minerale possono intrappolare altri elementi, che possono compattare o espandere detta spugna; e allo stesso modo, i suoi nuclei strutturali possono essere più grandi o più piccoli.
Quindi, a seconda della% di carbonio, vengono derivati vari tipi di carboni amorfi; come fuliggine, carbone di legna, antracite, nerofumo, torba, coke e carbone attivo.
A prima vista, sembrano tutti lontanamente simili (immagine in alto), con sfumature fino al bordo di sfumature nere, opache o metalliche e grigiastre..
Non tutti i carboni amorfi hanno la stessa origine. Il carbone vegetale, come indica il nome, è il prodotto della combustione di masse vegetali e legno. Mentre il nerofumo e il coke sono prodotti di diverse fasi e condizioni dei processi petroliferi..
Sebbene non sembrino molto attraenti e si possa credere che servano solo come combustibili, le porosità dei loro solidi attirano l'attenzione nelle applicazioni tecnologiche di purificazione, come assorbenti e stoccaggio di sostanze, e anche come supporti catalitici..
Le strutture dei carboni amorfi sono complesse e disordinate; ma studi cristallografici hanno dimostrato che in realtà sono politipi tetraedrici (diamante) ed esagonali (grafite), disposti arbitrariamente in strati.
Ad esempio, se T e H sono rispettivamente gli strati tetraedrico ed esagonale, allora un carbonio amorfo può essere strutturalmente descritto come: THTHHTH; o HTHTTHTHHHT, ecc. Alcune sequenze di strati T e H definiscono un tipo di carbonio amorfo; ma al loro interno non esistono tendenze o schemi ripetitivi.
È per questo motivo che è strutturalmente difficile caratterizzare questi allotropi del carbonio; e invece si preferisce la sua% di carbonio, che è una variabile che ne facilita le differenze, oltre alle sue proprietà fisiche e alla sua tendenza a bruciare o bruciare.
È stato detto che i piani esagonali hanno un elettrone spaiato con il quale può formare un legame con altre molecole o atomi. Se, per dire, le molecole circostanti sono l'HDueO e CODue, Ci si può aspettare che i gruppi OH e COOH si formino, rispettivamente. Possono anche legarsi agli atomi di idrogeno, formando legami C-H..
Le possibilità sono molto varie, ma in sintesi i carboni amorfi possono ospitare gruppi funzionali ossigenati. Quando questi eteroatomi sono presenti, non si trovano solo sui bordi dei piani, ma anche e persino all'interno.
L'immagine sopra mostra un modello con sfere e stringhe della struttura cristallina della grafite. Fortunatamente, le ombre delle sfere aiutano a visualizzare le nuvole π come risultato della delocalizzazione dei loro elettroni spaiati. Questo è stato menzionato nella prima sezione, senza tanti dettagli.
Queste nuvole π possono essere paragonate a due sistemi: quello degli anelli benzenici e quello dei "mari degli elettroni" nei cristalli metallici..
Orbitali p si uniscono per costruire una traccia in cui gli elettroni viaggiano liberamente; ma solo tra due strati esagonali; perpendicolare a loro, non c'è flusso di elettroni o corrente (gli elettroni dovrebbero passare attraverso gli atomi di carbonio).
Poiché c'è una migrazione costante di elettroni, si formano costantemente dipoli istantanei, che inducono altri dipoli di atomi di carbonio che si trovano sopra o sotto; cioè, gli strati o fogli di grafite rimangono insieme grazie alle forze di dispersione di Londra..
Questi strati esagonali, come ci si può aspettare, creano un cristallo di grafite esagonale; o meglio, una serie di piccoli cristalli collegati ad angoli differenti. Le nuvole π si comportano come se fossero un "burro elettrico", permettendo agli strati di scivolare prima di qualsiasi disturbo esterno sui cristalli.
Le proprietà fisiche della grafite sono facili da capire una volta che la sua struttura molecolare è stata affrontata..
Ad esempio, il punto di fusione della grafite è molto alto (sopra i 4400 ° C), perché l'energia fornita sotto forma di calore deve separare irreversibilmente gli strati esagonali e rompere anche i loro esagoni..
È stato appena detto che i loro strati possono scivolare l'uno sull'altro; E non solo, ma possono anche finire sopra altre superfici, come la cellulosa che compone la carta quando depositata dalla grafite delle matite. Questa proprietà consente alla grafite di agire come un eccellente lubrificante..
E, già accennato, è un buon conduttore di elettricità, ma anche di calore e suono..
Sebbene non sia stato mostrato nella prima immagine, questo allotropo del carbonio non può essere lasciato fuori. Supponiamo che gli strati di grafite siano stati afferrati e condensati in un unico foglio, aperto e coprente una vasta area. Se questo fosse fatto molecolarmente, nascerebbero grafeni (immagine in alto).
Quindi, il grafene è un singolo foglio di grafite, che non interagisce con gli altri e può sventolare come una bandiera. Si noti che ha una somiglianza con le pareti dei favi delle api.
Questi fogli di grafene preservano e moltiplicano le proprietà della grafite. I suoi esagoni sono molto difficili da separare, motivo per cui presentano una resistenza meccanica abissale; anche superiore all'acciaio. Inoltre, sono estremamente leggeri e sottili, e teoricamente un grammo di essi sarebbe sufficiente per coprire un intero campo da calcio..
Se guardi di nuovo l'immagine in alto, puoi vedere che non ci sono doppi legami. Sicuramente possono esserci, così come i tripli legami (graffins). È qui che si apre la chimica del grafene, diciamo.
Come la grafite e gli altri strati esagonali, altre molecole possono legarsi covalentemente alla superficie del grafene, funzionalizzandone la struttura per applicazioni elettroniche e biologiche..
Supponiamo ora di aver afferrato i fogli di grafene e di aver iniziato a arrotolarli in un tubo; Questi sono i nanotubi di carbonio. Le lunghezze e il raggio di questi tubi sono variabili, così come le loro conformazioni spaziali. Insieme al grafene e ai fullereni, questi nanotubi costituiscono la triade degli allotropi di carbonio più sorprendenti.
Nell'immagine in alto sono mostrati tre nanotubi di carbonio. Qual'è la differenza tra loro? Tutti e tre hanno pareti a motivi esagonali e mostrano le stesse proprietà di superficie già discusse. La risposta sta quindi negli orientamenti relativi di questi esagoni.
La prima conformazione corrisponde al tipo a zigzag (angolo in alto a destra). Se guardi attentamente vedrai che ha file di esagoni posizionati perfettamente perpendicolari all'asse longitudinale del tubo..
Al contrario, per la conformazione del tipo poltrona, o sedia (angolo inferiore destro), gli esagoni sono disposti in file nella stessa direzione dell'asse longitudinale del tubo. Nel primo nanotubo, gli esagoni corrono sulla superficie nel senso del suo diametro, e nel secondo nanotubo, corrono lungo la superficie, da "un'estremità all'altra".
E infine, c'è il nanotubo chirale (angolo inferiore sinistro). Confronta una scala a chiocciola che va a sinistra oa destra. La stessa cosa accade a questo nanotubo di carbonio: i suoi esagoni sono disposti ascendenti a sinistra oa destra. Poiché esistono due versioni spaziali, si dice che mostri la chiralità.
Nei fullereni si mantengono ancora gli esagoni, ma in aggiunta compaiono i pentagoni, tutti con carboni spDue. I fogli o gli strati sono già rimasti indietro: ora sono stati piegati in modo tale da formare un pallone, simile a un pallone da calcio; ea seconda del numero di atomi di carbonio, a un pallone da rugby.
I fullereni sono molecole che differiscono per dimensioni. Il più famoso è il C60 (immagine in alto). Questi allotropi di carbonio dovrebbero essere trattati come palloncini, che possono schiacciarsi insieme per formare cristalli, in cui gli ioni e altre molecole possono essere intrappolati nei loro interstizi..
Queste palline sono trasportatori o supporti speciali per le molecole. Come? Attraverso i legami covalenti alla sua superficie, in particolare, ai carboni adiacenti di un esagono. Si dice quindi che il fullerene sia stato funzionalizzato (un addotto esoedrico).
Le sue pareti possono essere spezzate strategicamente per immagazzinare molecole all'interno; simile a una capsula sferica. Inoltre, queste palline possono presentare crepe ed essere funzionalizzate allo stesso tempo; tutto dipenderà dall'applicazione a cui sono destinati.
E infine, il più noto di tutti gli allotropi del carbonio: il diamante (anche se non tutti sono carbonio).
Strutturalmente è costituito da atomi di carbonio sp3, formando quattro legami C-C e una rete tridimensionale di tetraedri (immagine in alto) la cui cella cristallina è cubica. È il minerale più duro e il suo punto di fusione è vicino ai 4000 ° C..
I suoi tetraedri sono in grado di trasferire il calore in modo efficiente attraverso il reticolo cristallino; ma non è così con l'elettricità, perché i suoi elettroni sono molto ben posizionati nei suoi quattro legami covalenti e non può andare da nessuna parte. Pertanto, è un buon conduttore termico, ma è un isolante elettrico..
A seconda di come è sfaccettato, può diffondere la luce in molti angoli luminosi e attraenti, motivo per cui sono ambiti come pietre preziose e gioielli..
La rete è molto resistente, perché avrebbe bisogno di molta pressione per spostare i suoi tetraedri. Questa proprietà lo rende un materiale con elevata resistenza meccanica e durezza, in grado di effettuare tagli precisi e netti, come con il bisturi diamantato..
I loro colori dipendono dai loro difetti cristallografici e dalle loro impurità.
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