Аллотропия углерода.
Аллотропия углерода обусловлена характером углерод-углеродной связи между атомами углерода, которая может приобретать различные формы: sp3, sp2, sp.
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
примеры причины аллотропии углерода
формулы простых веществ аллотропия углерода формулы алмаз и графит фуллерен карбин реферат презентация таблица сообщение кратко доклад