Аллотропия углерода


Аллотропия углерода.

 

 

Аллотропия углерода обусловлена характером углерод-углеродной связи между атомами углерода, которая может приобретать различные формы: sp3, sp2, sp.

 

Аллотропия углерода

Классификация аллотропных форм углерода

 


Аллотропия углерода:

Аллотропия – это явление существования двух и более простых веществ одного и того же химического элемента, но различных по своему строению и соответственно свойствам. Все формы и модификации таких веществ называют аллотропными.

Аллотропные модификации углерода наиболее распространенные среди других химических элементов и по своим свойствам наиболее радикально отличаются друг от друга: от мягкого к твёрдому, непрозрачного к прозрачному, абразивного к смазочному, недорогого к дорогому.

В основе существования аллотропных форм углерода лежит характер углерод-углеродной связи между атомами углерода, которая может приобретать различные формы: sp3, sp2, sp. Соответственно они приводят к образованию одинарных, двойных или тройных связей. При этом с увеличением кратности растет энергия углерод-углеродной связи.

Химическая связь C-C C=C C ≡C
Энергия связи, кДж/моль 348 612 838
Гибридное состояние атома углерода sp3 sp2 sp

В итоге углерод образовывает самой большое количество аллотропических модификаций линейного или циклического строения.

 

Классификация аллотропных форм углерода:

По характеру связей между атомами аллотропические модификации углерода можно разделить:

1. sp3 формы:

алмаз (кубический). Алмаз представляет собой твердую аллотропную форму углерода, атомы которого имеют кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку;

– лонсдейлит (гексагональный алмаз);

2.  sp2 формы:

графит. Графит (в переводе с греч. – «пишу») – это природный материал, относящийся к классу самородных элементов, аллотропная модификация углерода, имеющая слоистую, плоскую структуру. Известны две формы графита: альфа-графит (имеет гексагональную структуру и кристаллическую решетку) и бета-графит (имеет ромбоэдрическую структуру и кристаллическую решетку);

графен (англ. graphene). Графен – это двумерная аллотропная форма углерода, в которой объединённые в гексагональную кристаллическую решётку атомы образуют слой толщиной в один атом;

двухслойный графен. Двухслойный графен – разновидность графена, образованная двумя близко расположенными слоями графена. Слои графена расположены на расстоянии меньше 1 нм друг от друга. Электроны из одного слоя графена могут туннелировать в другой слой.

фуллерен (англ. fullerene). Фуллерен – молекулярное соединение, принадлежащее к классу аллотропных форм углерода и представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода;

– углеродная нанотрубка (англ. carbon nanotube, CNT). Углеродные нанотрубки – это углеродная модификация углерода, представляющая собой полые цилиндрические структуры диаметром от десятых до нескольких десятков нанометров и длиной от одного микрометра до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку графеновых плоскостей;

углеродные нановолокна. Углеродные нановолокна (карбоновые нановолокна) представляют собой нитевидные частицы, построенные из очень большого количества графеновых слоев, уложенных под определенным углом относительно оси волокна;

– астрален (англ. astralen);

стеклоуглерод. Стеклоуглерод – твёрдый материал, сочетающий свойства графита (хорошую электропроводность) и стекла (высокую твердость). Состоит из чистого углерода с небольшой примесью высокомолекулярных углеводородов. Внешне напоминает неорганическое стекло;

колоссальные углеродные трубки. Колоссальные углеродные трубки – трубчатая форма углерода. В отличие от углеродных нанотрубок, у колоссальных углеродных трубок намного больше диаметр, около 40-100 микрометров. Он (диаметр) в десятки тысяч раз больше, чем у углеродных нанотрубок. Длина колоссальных углеродных трубок достигает до одного сантиметра.

углеродный наноконус (англ. carbon nanocone, CNC). Углеродный наноконус – конические углеродная структура, линейные размеры которой, хотя бы в одном направлении порядка одного микрометра или меньше;

– углеродный нанопрут (англ. carbon nanorod, CNR);

– углеродная нанопластина (англ. carbon nanoplate);

– углеродная нанолента (англ. carbon nanoribbon);

– углеродная нанолуковица (англ. carbon nanoonion, CNO);

– углеродный нанопровод (англ. carbon nanowire, CNW);

3. sp формы:

– карбин (α-карбин и β-карбин). Карбин – аллотропная форма углерода, линейный полимер углерода. Состоит из углеродных фрагментов поочередно с тройной и одинарной связями –С≡С–С≡С– (полииновое строение, α-карбин), или постоянной двойной кумулированной связями =С=С=С=С= (поликумуленовое строение, β-карбин). Может быть линейным в виде нити или образовывать циклические структуры;

4. смешанные sp3/sp2 формы:

– аморфный углерод;

– углеродные нанопочки (англ. carbon  nanobuds);

углеродная нанопена. Углеродная нанопена представляет собой мельчайшую сетку из углеродных нанотрубок и кластеров. В углеродной нанопене углеродные кластеры нанизаны на нерегулярную трёхмерную сетку с периодом 5,6±0,4 Å. Каждый кластер имеет диаметр около 6 нм и содержит порядка 12000 атомов углерода. Кластеры соединяются в графитоподобные слои, которые имеют семиугольные включения в шестиугольной структуре. В результате чего углеродные слои имеют отрицательную кривизну;

5. смешанные sp2/sp формы:

графин (англ. graphyne). Графин – аллотропная модификация углерода, состоящая из плоских слоёв углерода толщиной в один атом, которые находятся в гибридизациях sp и sp2. Возможны три структуры графина: α-графин, где все три связи sp2-гибридизированных атомов с соседними атомами заменяются на карбиновые цепочки (с тройными связями), β-графин, где заменяются две связи, γ-графин, где заменяется только одна связь;

6. другие формы:

– С1;

– С2 (диуглерод);

– С3;

– С8;

М-углерод. М-углерод – аллотропная форма сверхтвердого углерода, имеющий кристаллическую решетку в форме сильно скошенного параллелепипеда. М-углерод тверже алмаза.

 

Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

 



карта сайта

примеры причины аллотропии углерода
формулы простых веществ аллотропия углерода формулы алмаз и графит фуллерен карбин реферат презентация таблица сообщение кратко доклад