CÁC DẠNG THÙ HÌNH CỦA CACBON: CACBON VÔ ĐỊNH HÌNH, THAN CHÌ, GRAPHEN, ỐNG NANO - HÓA HỌC - 2026

Các dạng thù hình của cacbon là các dạng vật chất khác nhau có thể sắp xếp và liên kết các nguyên tử của chúng. Mỗi một tương ứng với một chất rắn với các đặc tính đặc biệt của riêng nó. Về mặt phân tử và cấu trúc chúng được phân biệt với nhau. Có hai dạng chính của các dạng thù hình này: dạng tinh thể và dạng vô định hình.

Các dạng thù hình tinh thể là những dạng có dạng lặp lại các nguyên tử của chúng trong không gian. Trong khi đó, ở các dạng thù hình vô định hình, các nguyên tử được sắp xếp một cách không trật tự, không có hai vùng giống nhau trong chất rắn. Vì vậy, cái trước được sắp xếp, và cái sau bị rối loạn.

Các dạng thù hình chính của cacbon. Nguồn: Jozef Sivek

Trong số những chất kết tinh là kim cương (a) và graphite (e) xuất sắc nhất. Có thể quan sát thấy trong hình trên các cấu trúc khác nhau có một khía cạnh chung: chúng chỉ được cấu tạo từ các nguyên tử cacbon (hình cầu đen).

Và trong số các dạng thù hình vô định hình, chúng ta có cacbon vô định hình (b), có thể thấy, cấu trúc của nó là không trật tự. Tuy nhiên, có nhiều loại cacbon vô định hình, vì vậy nó là một họ chất rắn.

Ngoài ra, các nguyên tử cacbon có thể tạo thành siêu phân tử, chẳng hạn như fulleren (c) và ống nano (d). Các siêu phân tử này có thể khác nhau về kích thước và hình dạng, nhưng chúng vẫn giữ nguyên hình dạng; hình cầu và hình ống đối với fulleren và ống nano, tương ứng.

Liên kết cộng hóa trị của cacbon

Trước khi giải quyết một số dạng thù hình đã biết của cacbon, cần phải xem lại cách các nguyên tử cacbon được liên kết.

Theo lý thuyết liên kết hóa trị, cacbon có bốn điện tử trong lớp vỏ hóa trị của nó, mà chúng tạo thành liên kết cộng hóa trị. Nhờ sự thúc đẩy điện tử và lai hóa, bốn electron có thể được đặt trong bốn obitan riêng biệt, có thể là nguyên chất hoặc lai hóa.

Do đó, cacbon có khả năng hình thành tối đa bốn liên kết.

DC. Với bốn liên kết CC, các nguyên tử đạt đến octet hóa trị, và chúng trở nên rất bền vững. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là không thể chỉ có ba trong số các liên kết này, chẳng hạn như những liên kết được nhìn thấy trong hình lục giác.

Hình lục giác

Tùy thuộc vào sự lai hóa của nguyên tử cacbon, liên kết đôi hoặc liên kết ba có thể được tìm thấy trong cấu trúc của các dạng thù hình tương ứng của chúng. Nhưng, rõ ràng hơn cả sự tồn tại của các liên kết như vậy, là hình học mà các cacbon áp dụng.

Ví dụ, nếu quan sát thấy một hình lục giác, điều đó có nghĩa là các cacbon có sự lai hóa sp ² và do đó có một obitan p thuần túy với một electron duy nhất. Bạn có thể thấy hình lục giác hoàn hảo trong hình ảnh đầu tiên không? Những dạng thù hình chứa chúng ngụ ý rằng nguyên tử của chúng là sp ² , cho dù có hay không có liên kết đôi (chẳng hạn như của vòng benzen).

Khi đó, một lớp lưới, mặt phẳng hoặc hình lục giác bao gồm các cacbon sp ² có “mái” hoặc “đám mây” điện tử, một sản phẩm của điện tử chưa ghép đôi của quỹ đạo p. Electron này có thể tạo liên kết cộng hóa trị với các phân tử khác, hoặc hút các điện tích dương của các ion kim loại; như của K ⁺ và Na ⁺ .

Tương tự như vậy, các điện tử này cho phép các lớp vỏ này xếp chồng lên nhau mà không cần liên kết (do cản trở hình học và không gian đối với sự xen phủ của hai obitan p). Điều này có nghĩa là các dạng thù hình có dạng hình học lục giác có thể được sắp xếp để xây dựng tinh thể hoặc không.

Khối tứ diện

Nếu quan sát thấy một tứ diện, như sẽ được giải thích trong phần cuối cùng, điều đó có nghĩa là các cacbon có sự lai hóa sp ³ . Trong chúng có bốn liên kết CC đơn giản, và chúng tạo thành một mạng tinh thể tứ diện. Trong các tứ diện như vậy không có các điện tử tự do như trong các hình lục giác.

Cacbon vô định hình

Than đá, đại diện của cacbon vô định hình. Nguồn: Pxhere.

Carbon vô định hình có thể được hình dung như một loại bọt biển xốp, với rất nhiều mạng lưới lục giác và tứ diện được sắp xếp tùy ý. Trong ma trận khoáng chất này, chúng có thể bẫy các nguyên tố khác, có thể nén chặt hoặc mở rộng miếng bọt biển nói trên; và theo cách tương tự, hạt nhân cấu trúc của nó có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn.

Do đó, tùy thuộc vào% cacbon, các loại cacbon vô định hình khác nhau được tạo ra; chẳng hạn như bồ hóng, than củi, than antraxit, muội than, than bùn, than cốc và than hoạt tính.

Thoạt nhìn, tất cả chúng trông giống nhau từ xa (hình trên cùng), với sự chuyển màu đến rìa của các âm bội màu đen, xỉn hoặc kim loại và xám.

Không phải tất cả các nguyên tử cacbon vô định hình đều có cùng nguồn gốc. Carbon thực vật, như tên gọi của nó đã chỉ ra, là sản phẩm của quá trình đốt cháy các khối thực vật và gỗ. Trong khi muội than và than cốc là sản phẩm của các giai đoạn và điều kiện khác nhau của quá trình dầu khí.

Mặc dù chúng có vẻ không hấp dẫn lắm và có thể tin rằng chúng chỉ đóng vai trò là nhiên liệu, nhưng độ xốp của chất rắn của chúng thu hút sự chú ý trong các ứng dụng tinh chế công nghệ, như chất hấp thụ và chất lưu trữ, và cũng như chất hỗ trợ xúc tác.

Chủ nghĩa chính trị

Cấu trúc của các nguyên tử cacbon vô định hình rất phức tạp và rối loạn; Tuy nhiên, các nghiên cứu tinh thể học đã chỉ ra rằng chúng thực sự là các dạng đa dạng tứ diện (kim cương) và lục giác (than chì), được sắp xếp tùy ý theo từng lớp.

Ví dụ, nếu T và H lần lượt là các lớp tứ diện và lục giác, thì một cacbon vô định hình có thể được mô tả về mặt cấu trúc là: THTHHTH; hoặc HTHTTHTHHHT, v.v. Trình tự lớp T và H nhất định xác định một loại carbon vô định hình; nhưng bên trong chúng, không có xu hướng hay khuôn mẫu lặp lại.

Chính vì lý do đó mà về mặt cấu trúc rất khó để mô tả các dạng thù hình cacbon này; và thay vào đó,% cacbon của nó được ưu tiên hơn, đây là một biến số tạo điều kiện cho sự khác biệt của nó, cũng như các đặc tính vật lý và xu hướng cháy hoặc cháy của nó.

Nhóm chức năng

Người ta đã đề cập rằng các mặt phẳng lục giác có một electron chưa ghép đôi mà nó có thể tạo liên kết với các phân tử hoặc nguyên tử khác. Giả sử, nếu các phân tử xung quanh là H ₂ O và CO ₂ , các nhóm OH và COOH có thể được tạo thành tương ứng. Chúng cũng có thể liên kết với các nguyên tử hydro, tạo thành liên kết CH.

Các khả năng rất đa dạng, nhưng tóm lại, cácbon vô định hình có thể chứa các nhóm chức oxy hóa. Khi có mặt các dị nguyên tử này, chúng không chỉ nằm ở các cạnh của mặt phẳng, mà còn ở bên trong chúng.

Than chì

Cấu trúc tinh thể của các lớp graphit lục giác. Nguồn: MartinThoma.

Hình ảnh trên cho thấy một mô hình có hình cầu và dây cấu trúc tinh thể của than chì. Bóng của các quả cầu, may mắn thay, giúp hình dung sản phẩm của các đám mây π của sự phân chia các electron chưa ghép đôi của chúng. Điều này đã được đề cập trong phần đầu tiên, không có quá nhiều chi tiết.

Những đám mây π này có thể được so sánh với hai hệ thống: hệ của vòng benzen và "biển electron" trong tinh thể kim loại.

Các obitan p liên kết với nhau để tạo ra một đường mà các electron chuyển động tự do; nhưng chỉ giữa hai lớp lục giác; vuông góc với chúng, không có dòng điện hoặc dòng điện (các điện tử sẽ phải đi qua các nguyên tử cacbon).

Khi có sự di chuyển liên tục của các electron, các lưỡng cực tức thời liên tục được hình thành, tạo ra các lưỡng cực khác của nguyên tử cacbon ở trên hoặc dưới; nghĩa là, các lớp hoặc tấm than chì vẫn thống nhất nhờ lực phân tán London.

Những lớp lục giác này, như dự kiến, tạo ra một tinh thể than chì lục giác; hay đúng hơn là một loạt các tinh thể nhỏ kết nối với nhau ở các góc độ khác nhau. Các đám mây π hoạt động như thể chúng là một "bơ điện", cho phép các lớp trượt trước bất kỳ sự xáo trộn nào từ bên ngoài lên các tinh thể.

Tính chất vật lý

Tính chất vật lý của graphit rất dễ hiểu khi cấu trúc phân tử của nó đã được xác định.

Ví dụ, nhiệt độ nóng chảy của than chì rất cao (cao hơn 4400ºC), bởi vì năng lượng được cung cấp dưới dạng nhiệt có thể phân tách không thể đảo ngược các lớp lục giác, đồng thời phá vỡ các hình lục giác của chúng.

Người ta chỉ nói rằng các lớp của chúng có thể trượt qua nhau; Và không chỉ, mà chúng còn có thể bám trên các bề mặt khác, chẳng hạn như xenlulozơ tạo nên giấy khi lắng đọng từ than chì của bút chì. Tính chất này cho phép than chì hoạt động như một chất bôi trơn tuyệt vời.

Và, đã được đề cập, nó là một chất dẫn điện tốt, cũng như nhiệt và âm thanh.

Graphenes

Graphene tấm không có liên kết đôi. Nguồn: Jynto

Mặc dù nó không được hiển thị trong hình ảnh đầu tiên, nhưng không thể bỏ sót loại carbon allotrope này. Giả sử các lớp than chì được nắm lại và ngưng tụ thành một tấm, mở ra và bao phủ một vùng rộng lớn. Nếu điều này được thực hiện ở dạng phân tử, graphene sẽ được sinh ra (hình trên cùng).

Vì vậy, graphenes là một tấm graphit riêng lẻ, không tương tác với những tấm khác và có thể vẫy như một lá cờ. Lưu ý rằng nó giống với các bức tường của tổ ong.

Những tấm graphene này bảo tồn và nhân lên các đặc tính của graphite. Các hình lục giác của nó rất khó tách rời, vì vậy chúng có sức đề kháng cơ học rất lớn; thậm chí cao hơn thép. Ngoài ra, chúng cực kỳ nhẹ và mỏng, và về mặt lý thuyết, một gam trong số chúng sẽ đủ để bao phủ toàn bộ một sân bóng.

Nếu bạn nhìn vào hình trên một lần nữa, bạn có thể thấy rằng không có liên kết đôi. Chắc chắn có thể có chúng, cũng như các liên kết ba (grafin). Chính ở đây, quá trình hóa học của graphene được mở ra.

Giống như graphite và các lớp lục giác khác, các phân tử khác có thể liên kết cộng hóa trị với bề mặt của graphene, chức năng hóa cấu trúc của nó cho các ứng dụng điện tử và sinh học.

Ống nano carbon

Ba loại ống nano cacbon. Nguồn: Mstroeck qua Wikipedia.

Bây giờ, giả sử chúng ta nắm lấy các tấm graphene và bắt đầu cuộn chúng thành một cái ống; Đây là những ống nano carbon. Chiều dài và bán kính của những ống này có thể thay đổi, cũng như sự phù hợp trong không gian của chúng. Cùng với graphene và fullerene, các ống nano này tạo nên bộ ba các dạng thù hình carbon tuyệt vời nhất.

Kết cấu phù hợp

Ba ống nano carbon được hiển thị trong hình trên. sự khác biệt giữa chúng là gì? Cả ba đều có các bức tường hoa văn hình lục giác và thể hiện các tính chất bề mặt giống nhau đã được thảo luận. Câu trả lời nằm ở định hướng tương đối của các hình lục giác này.

Hình dạng đầu tiên tương ứng với kiểu ngoằn ngoèo (góc trên bên phải). Nếu quan sát kỹ, sẽ đánh giá được rằng nó có các hàng lục giác được đặt vuông góc hoàn hảo với trục dọc của ống.

Ngược lại, đối với cấu tạo kiểu ghế bành (góc dưới bên phải), các hình lục giác được sắp xếp thành hàng cùng chiều với trục dọc của ống. Trong ống nano đầu tiên, các hình lục giác di chuyển trên bề mặt theo nghĩa đường kính của nó, và trong ống nano thứ hai, chúng di chuyển dọc theo bề mặt, từ "đầu đến cuối".

Và cuối cùng là ống nano chiral (góc dưới bên trái). So sánh với một cầu thang xoắn ốc đi sang trái hoặc phải. Điều tương tự cũng xảy ra với ống nano carbon này: các hình lục giác của nó được sắp xếp tăng dần sang trái hoặc phải. Vì có hai phiên bản không gian, nên người ta nói rằng nó thể hiện tính chirality.

Fullerenes

Phân tử fulleren C60. Nguồn: Benjah-bmm27.

Trong các fulleren, các hình lục giác vẫn được duy trì, nhưng ngoài ra, các hình ngũ giác xuất hiện, tất cả đều có sp ² nguyên tử . Các tấm hoặc lớp đã bị bỏ lại: bây giờ chúng đã được gấp lại theo cách mà chúng tạo thành một quả bóng, tương tự như một quả bóng đá; và tùy thuộc vào số lượng cácbon, vào một quả bóng bầu dục.

Fullerenes là các phân tử có kích thước khác nhau. Nổi tiếng nhất là C ₆₀ (ảnh trên cùng). Những dạng thù hình cacbon này nên được coi như những quả bóng bay, có thể ép lại với nhau để tạo thành các tinh thể, trong đó các ion và các phân tử khác có thể bị giữ lại trong các kẽ của chúng.

Những quả bóng này là chất mang hoặc giá đỡ đặc biệt cho các phân tử. Làm sao? Thông qua các liên kết cộng hóa trị với bề mặt của nó, đặc biệt, với các cacbon liền kề của một hình lục giác. Sau đó, fullerene được cho là đã được chức năng hóa (một chất phụ gia ngoại diện).

Các bức tường của nó có thể bị phá vỡ một cách chiến lược để lưu trữ các phân tử bên trong; giống như một viên nang hình cầu. Tương tự như vậy, những quả bóng này có thể có các vết nứt và được hoạt động hóa cùng một lúc; mọi thứ sẽ phụ thuộc vào ứng dụng mà họ dự định.

Cấu trúc tinh thể lập phương của kim cương. Nguồn: GYassineMrabetTalk✉Cấu trúc này được tạo bằng PyMOL. .

Và cuối cùng, loại được biết đến nhiều nhất trong tất cả các dạng thù hình của cacbon: kim cương (mặc dù không phải tất cả đều là cacbon).

Về mặt cấu trúc, nó bao gồm sp ³ nguyên tử cacbon , tạo thành bốn liên kết CC và một mạng lưới ba chiều của tứ diện (hình trên) mà ô tinh thể là hình khối. Đây là loại khoáng chất cứng nhất, và điểm nóng chảy của nó gần 4000ºC.

Các tứ diện của chúng có thể truyền nhiệt hiệu quả trong toàn bộ mạng tinh thể; nhưng không phải như vậy với điện, bởi vì các điện tử của nó nằm rất tốt trong bốn liên kết cộng hóa trị của nó và nó không thể đi đâu cả. Vì vậy, nó là một chất dẫn nhiệt tốt, nhưng nó là một chất cách điện.

Tùy thuộc vào cách chế tác, nó có thể tán xạ ánh sáng ở nhiều góc độ sáng và hấp dẫn, đó là lý do tại sao chúng được thèm muốn làm đá quý và đồ trang sức.

Mạng rất bền, vì nó sẽ cần rất nhiều áp lực để di chuyển tứ diện của nó. Đặc tính này làm cho nó trở thành một vật liệu có độ bền và độ cứng cơ học cao, có khả năng tạo ra các vết cắt chính xác và sạch sẽ, giống như với dao mổ đính kim cương.

Màu sắc của chúng phụ thuộc vào các khuyết tật tinh thể và tạp chất của chúng.

Người giới thiệu

1. Rùng mình & Atkins. (2008). Hóa học vô cơ. (Tái bản lần thứ tư). Đồi Mc Graw.
2. Méndez Medrano, Ma. Guadalupe, Rosu, HC, Torres González, LA (2012). Graphene: Dạng hợp kim hứa hẹn nhất của Carbon. Đạo luật Đại học. vol. 22, không. 3, Tháng 4-Tháng 5, 2012, pp. 20-23, Đại học Guanajuato, Guanajuato, Mexico.
3. IES La Magdalena. Những cái đe. Asturias. (sf). Các dạng thù hình của cacbon. . Phục hồi từ: fisquiweb.es
4. Wikipedia. (2019). Các dạng thù hình cacbon. Phục hồi từ: es.wikipedia.org
5. Sederberg David. (sf). Các dạng thù hình của Carbon. Được khôi phục từ: web.ics.purdue.edu
6. Sederberg, D. (2009). Các dạng thù hình của cacbon: Tất cả đều nằm trong cách bạn kết hợp với nhau. Phục hồi từ: Physics.purdue.edu
7. Hirsh A. (2010). Kỷ nguyên của các dạng thù hình cacbon. Khoa Hóa và Dược & Trung tâm Liên ngành Vật liệu Phân tử (ICMM), Đại học Friedrich-Alexander Erlangen-Nuremberg, Henkestrasse 42, 91054 Erlangen, Đức.
8. Hội đồng Quản trị của Hệ thống Đại học Wisconsin. (2013). Ống nano và các dạng cacbon khác. Khôi phục từ: chemistry.beloit.edu
9. Clark Jim. (2012). Các cấu trúc cộng hóa trị khổng lồ. Được khôi phục từ: chemguide.co.uk