ALOTROP KARBON: KARBON AMORF, GRAFIT, GRAFENA, TABUNG NANO - KIMIA

The alotrop karbon adalah bentuk fisik yang berbeda yang dapat diurutkan dan mengikat atom mereka. Masing-masing sesuai dengan padatan dengan karakteristik khususnya sendiri. Secara molekuler dan struktural mereka dibedakan satu sama lain. Ada dua jenis utama alotrop ini: kristal dan amorf.

Alotrop kristalin adalah yang memiliki pola pengulangan atomnya di ruang angkasa. Sedangkan pada alotrop amorf, atom-atomnya tersusun tidak beraturan, tanpa ada dua daerah yang identik pada padatan. Jadi yang pertama teratur, dan yang terakhir tidak teratur.

Alotrop utama karbon. Sumber: Jozef Sivek

Di antara yang kristalin adalah berlian (a) dan grafit (e) par excellence. Hal ini diamati pada gambar atas berbagai struktur yang memiliki aspek umum: mereka hanya terdiri dari atom karbon (bola hitam).

Dan di antara alotrop amorf, kita memiliki karbon amorf (b), yang, seperti dapat dilihat, strukturnya tidak teratur. Namun, ada banyak jenis karbon amorf, jadi ini termasuk keluarga padatan.

Juga, atom karbon dapat membentuk supramolekul, seperti fullerene (c) dan nanotube (d). Supramolekul ini dapat bervariasi dalam ukuran dan bentuk, tetapi mereka mempertahankan geometri yang sama; bulat dan tubular masing-masing untuk fullerene dan nanotube.

Ikatan kovalen karbon

Sebelum membahas beberapa alotrop karbon yang diketahui, perlu untuk meninjau bagaimana atom karbon terikat.

Menurut teori ikatan valensi, karbon memiliki empat elektron pada kulit valensinya, yang dengannya mereka membentuk ikatan kovalen. Berkat promosi elektronik dan hibridisasi, empat elektron dapat ditempatkan di empat orbital terpisah, baik itu murni maupun hibrid.

Karenanya, karbon memiliki kemampuan untuk membentuk maksimal empat ikatan.

DC. Dengan empat ikatan CC, atom mencapai oktet valensi, dan menjadi sangat stabil. Namun, ini tidak berarti bahwa tidak mungkin hanya ada tiga dari tautan ini, seperti yang terlihat pada segi enam.

Segi enam

Bergantung pada hibridisasi atom karbon, ikatan rangkap atau rangkap tiga dapat ditemukan dalam struktur alotrop masing-masing. Tetapi, yang lebih jelas daripada keberadaan ikatan semacam itu, adalah geometri yang diadopsi karbon.

Misalnya, jika segi enam diamati, itu berarti karbon memiliki hibridisasi sp ² dan oleh karena itu memiliki orbital p murni dengan elektron bebas. Dapatkah Anda melihat segi enam sempurna pada gambar pertama? Alotrop yang mengandungnya menyiratkan bahwa karbonnya adalah sp ² , ada atau tidak ada ikatan rangkap (seperti pada cincin benzen).

Lapisan mesh, bidang, atau heksagonal terdiri dari karbon sp ² yang memiliki "atap" atau "awan" elektronik, produk dari elektron tak berpasangan dari orbital p. Elektron ini dapat membentuk ikatan kovalen dengan molekul lain, atau menarik muatan positif ion logam; seperti K ⁺ dan Na ⁺ .

Juga, elektron-elektron ini memungkinkan kulit-kulit ini untuk menumpuk satu sama lain, tanpa ikatan (karena hambatan geometris dan spasial untuk tumpang tindih dua orbital p). Ini berarti bahwa alotrop dengan geometri heksagonal mungkin atau mungkin tidak dipesan untuk membangun kristal.

Tetrahedra

Jika diamati tetrahedron, seperti yang akan dijelaskan pada bagian terakhir, berarti karbon memiliki hibridisasi sp ³ . Di dalamnya ada empat ikatan CC sederhana, dan mereka membentuk kisi kristal tetrahedral. Dalam tetrahedra seperti itu tidak ada elektron bebas seperti pada segi enam.

Karbon amorf

Bongkahan batu bara, mewakili karbon amorf. Sumber: Pxhere.

Karbon amorf dapat dibayangkan sebagai sejenis spons berpori, dengan banyak jaringan heksagonal dan tetrahedral yang tersusun secara acak. Dalam matriks mineral ini mereka dapat menjebak unsur-unsur lain, yang dapat memadatkan atau mengembangkan spons tersebut; dan dengan cara yang sama, inti strukturalnya bisa lebih besar atau lebih kecil.

Jadi, bergantung pada% karbon, berbagai jenis karbon amorf diturunkan; seperti jelaga, arang, antrasit, karbon hitam, gambut, kokas, dan karbon aktif.

Pada pandangan pertama, semuanya terlihat sangat mirip (gambar atas), dengan gradasi di tepi nuansa hitam, tidak bersuara, atau metalik dan keabu-abuan.

Tidak semua karbon amorf memiliki asal yang sama. Karbon nabati, seperti yang ditunjukkan namanya, adalah produk dari pembakaran massa nabati dan kayu. Sedangkan karbon hitam dan kokas adalah produk dari tahapan dan kondisi yang berbeda dari proses perminyakan.

Meskipun tampaknya tidak terlalu menarik dan dapat dipercaya bahwa mereka hanya berfungsi sebagai bahan bakar, porositas padatan mereka menarik perhatian dalam aplikasi pemurnian teknologi, sebagai penyerap dan penyimpanan zat, dan juga sebagai pendukung katalitik.

Politypism

Struktur karbon amorf rumit dan tidak teratur; Namun, studi kristalografi telah menunjukkan bahwa mereka sebenarnya adalah polytypes tetrahedral (intan) dan heksagonal (grafit), yang disusun secara acak dalam lapisan.

Sebagai contoh, jika T dan H masing-masing adalah lapisan tetrahedral dan heksagonal, maka karbon amorf secara struktural dapat dijelaskan sebagai: THTHHTH; atau HTHTTHTHHHT, dll. Urutan lapisan T dan H tertentu menentukan jenis karbon amorf; tetapi di dalamnya, tidak ada tren atau pola yang berulang.

Karena alasan inilah secara struktural sulit untuk mengkarakterisasi alotrop karbon ini; dan daripada itu,% karbonnya lebih disukai, yang merupakan variabel yang memfasilitasi perbedaannya, serta sifat fisiknya dan kecenderungannya untuk terbakar atau terbakar.

Kelompok fungsional

Disebutkan bahwa bidang heksagonal memiliki elektron tidak berpasangan yang dengannya ia dapat membentuk ikatan dengan molekul atau atom lain. Jika, katakanlah, molekul di sekitarnya masing-masing adalah gugus H ₂ O dan CO ₂ , OH dan COOH dapat diharapkan untuk terbentuk. Mereka juga dapat mengikat atom hidrogen, membentuk ikatan CH.

Kemungkinannya sangat bervariasi, tetapi secara ringkas karbon amorf dapat menampung gugus fungsi beroksigen. Ketika heteroatom ini ada, mereka tidak hanya terletak di tepi bidang, tetapi juga dan bahkan di dalamnya.

Grafit

Struktur kristal dari lapisan grafit heksagonal. Sumber: MartinThoma.

Gambar atas menunjukkan model dengan bola dan string struktur kristal grafit. Untungnya, bayangan bola membantu memvisualisasikan produk awan π dari delokalisasi elektron tak berpasangannya. Ini disebutkan di bagian pertama, tanpa banyak detail.

Awan π ini dapat dibandingkan dengan dua sistem: cincin benzen, dan "lautan elektron" dalam kristal logam.

Orbital p bergabung satu sama lain untuk membangun jalur di mana elektron bergerak bebas; tetapi hanya di antara dua lapisan heksagonal; tegak lurus dengan mereka, tidak ada aliran elektron atau arus (elektron harus melewati atom karbon).

Karena ada migrasi elektron yang konstan, dipol seketika terus terbentuk, yang menyebabkan dipol atom karbon lain yang berada di atas atau di bawah; yaitu, lapisan atau lembaran grafit tetap bersatu berkat gaya dispersi London.

Lapisan heksagonal ini, seperti yang diharapkan, membuat kristal grafit heksagonal; atau lebih tepatnya, serangkaian kristal kecil yang terhubung pada sudut yang berbeda. Awan π berperilaku seolah-olah mereka adalah "mentega listrik", memungkinkan lapisan-lapisannya meluncur sebelum gangguan eksternal pada kristal.

Properti fisik

Sifat fisik grafit mudah dipahami setelah struktur molekulnya ditangani.

Misalnya, titik leleh grafit sangat tinggi (lebih tinggi dari 4400ºC), karena energi yang disuplai dalam bentuk panas harus memisahkan lapisan heksagonal secara permanen, dan juga memecah segi enamnya.

Baru saja dikatakan bahwa lapisan mereka dapat saling bergeser; Dan tidak hanya itu, mereka juga bisa berakhir di permukaan lain, seperti selulosa yang menyusun kertas ketika diendapkan dari grafit pensil. Properti ini memungkinkan grafit untuk bertindak sebagai pelumas yang sangat baik.

Dan, telah disebutkan, itu adalah konduktor listrik yang baik, juga untuk panas dan suara.

Graphenes

Lembaran graphene tanpa ikatan rangkap. Sumber: Jynto

Meskipun tidak ditunjukkan pada gambar pertama, alotrop karbon ini tidak dapat diabaikan. Misalkan lapisan grafit digenggam dan dipadatkan menjadi satu lembar, terbuka dan menutupi area yang luas. Jika ini dilakukan secara molekuler, grafena akan lahir (gambar atas).

Jadi, grafena adalah lembaran grafit individu, yang tidak berinteraksi dengan orang lain dan dapat melambai seperti bendera. Perhatikan bahwa itu memiliki kemiripan dengan dinding sarang madu.

Lembaran graphene ini mempertahankan dan memperbanyak properti grafit. Segi enamnya sangat sulit untuk dipisahkan, jadi mereka menghadirkan ketahanan mekanis yang sangat buruk; bahkan lebih tinggi dari baja. Selain itu, mereka sangat ringan dan tipis, dan secara teoritis satu gram dari mereka akan cukup untuk menutupi seluruh lapangan sepak bola.

Jika Anda melihat lagi pada gambar atas, Anda dapat melihat bahwa tidak ada ikatan rangkap. Tentu mungkin ada mereka, serta ikatan rangkap tiga (graffins). Di sinilah kimia graphene terbuka, katakanlah.

Seperti grafit dan lapisan heksagonal lainnya, molekul lain dapat mengikat secara kovalen ke permukaan graphene, memfungsikan strukturnya untuk aplikasi elektronik dan biologis.

Nanotube karbon

Tiga jenis tabung nano karbon. Sumber: Mstroeck melalui Wikipedia.

Sekarang misalkan kita mengambil lembaran graphene dan mulai menggulungnya menjadi sebuah tabung; Ini adalah nanotube karbon. Panjang dan jari-jari tabung ini bervariasi, begitu juga dengan konformasi spasialnya. Bersama dengan graphene dan fullerene, nanotube ini membentuk tiga serangkai alotrop karbon yang paling menakjubkan.

Konformasi struktural

Tiga nanotube karbon ditunjukkan pada gambar atas. Apa perbedaan di antara keduanya? Ketiganya memiliki dinding berpola heksagonal, dan menunjukkan sifat permukaan yang sama seperti yang telah dibahas. Jawabannya kemudian terletak pada orientasi relatif dari segi enam ini.

Konformasi pertama sesuai dengan tipe zigzag (pojok kanan atas). Jika diamati dengan cermat, akan diketahui bahwa ia memiliki deretan segi enam yang diposisikan tegak lurus sempurna dengan sumbu longitudinal tabung.

Sebaliknya, untuk konformasi tipe kursi berlengan (pojok kanan bawah), segi enam disusun dalam baris searah dengan sumbu longitudinal tabung. Dalam tabung nano pertama, segi enam melintasi permukaan dalam arti diameternya, dan dalam tabung nano kedua, mereka berjalan di sepanjang permukaan, dari "ujung ke ujung".

Dan terakhir, ada tabung nano kiral (pojok kiri bawah). Bandingkan dengan tangga spiral ke kiri atau ke kanan. Hal yang sama terjadi pada tabung nano karbon ini: segi enamnya disusun naik ke kiri atau ke kanan. Karena ada dua versi spasial, maka dikatakan bahwa itu menunjukkan kiritas.

Fullerene

Molekul fullerene C60. Sumber: Benjah-bmm27.

Di fullerene, segi enam masih dipertahankan, tetapi di samping itu, pentagon muncul, semua dengan sp ² karbon . Lembaran atau lapisan tersebut sudah tertinggal: sekarang sudah dilipat sedemikian rupa sehingga membentuk bola, mirip bola sepak; dan tergantung pada jumlah karbon, untuk bola rugby.

Fullerene adalah molekul yang ukurannya berbeda. Yang paling terkenal adalah C ₆₀ (gambar atas). Alotrop karbon ini harus diperlakukan sebagai balon, yang dapat berdesak-desakan untuk membentuk kristal, di mana ion dan molekul lain dapat terperangkap di dalam celahnya.

Bola-bola ini adalah pembawa atau penyangga khusus untuk molekul. Bagaimana? Melalui ikatan kovalen ke permukaannya, terutama ke karbon yang berdekatan dari segi enam. Fullerene kemudian dikatakan telah difungsikan (hasil adisi eksohedral).

Dindingnya dapat dipecah secara strategis untuk menyimpan molekul di dalamnya; menyerupai kapsul bulat. Demikian pula, bola-bola ini dapat mengalami retakan dan berfungsi pada saat yang bersamaan; semuanya akan tergantung pada aplikasi yang dimaksudkan.

Struktur kristal kubik berlian. Sumber: GYassineMrabetTalkateverStruktur ini dibuat dengan PyMOL. .

Dan akhirnya, yang paling terkenal dari semua alotrop karbon: intan (meskipun tidak semuanya karbon).

Secara struktural, itu terdiri dari atom karbon sp ³ , membentuk empat ikatan CC dan jaringan tiga dimensi tetrahedra (gambar atas) yang sel kristalnya berbentuk kubik. Ini adalah mineral yang paling keras, dan titik lelehnya mendekati 4000ºC.

Tetrahedra mereka mampu mentransfer panas secara efisien ke seluruh kisi kristal; tetapi tidak demikian halnya dengan listrik, karena elektron-elektronnya terletak sangat baik dalam empat ikatan kovalennya dan tidak dapat pergi kemana-mana. Oleh karena itu, ini adalah konduktor termal yang baik, tetapi merupakan isolator listrik.

Bergantung pada bagaimana bentuknya, ia dapat menyebarkan cahaya pada banyak sudut yang terang dan menarik, itulah mengapa mereka didambakan sebagai batu permata dan perhiasan.

Jaringan tersebut sangat resisten, karena akan membutuhkan banyak tekanan untuk memindahkan tetrahedranya. Properti ini menjadikannya bahan dengan ketahanan mekanis dan kekerasan yang tinggi, mampu melakukan pemotongan yang tepat dan bersih, seperti pada pisau bedah berujung berlian.

Warnanya tergantung pada cacat kristalografi dan ketidakmurniannya.

Referensi

Menggigil & Atkins. (2008). Kimia anorganik. (Edisi keempat). Mc Graw Hill.
Méndez Medrano, Ma. Guadalupe, Rosu, HC, Torres González, LA (2012). Graphene: Alotrop karbon yang paling menjanjikan. Undang-undang Universitas. vol. 22, tidak. 3, April-Mei, 2012, hal. 20-23, Universitas Guanajuato, Guanajuato, Meksiko.
IES La Magdalena. Aviles. Asturias. (sf). Bentuk alotropik karbon. . Diperoleh dari: fisquiweb.es
Wikipedia. (2019). Alotrop karbon. Diperoleh dari: es.wikipedia.org
Sederberg David. (sf). Alotrop Karbon. Diperoleh dari: web.ics.purdue.edu
Sederberg, D. (2009). Alotrop karbon: Semuanya tergantung pada cara Anda menyusunnya. Diperoleh dari: physics.purdue.edu
Hirsh A. (2010). Era alotrop karbon. Departemen Kimia dan Farmasi & Pusat Interdisipliner Bahan Molekuler (ICMM), Universitas Friedrich-Alexander Erlangen-Nuremberg, Henkestrasse 42, 91054 Erlangen, Jerman.
Dewan Bupati Sistem Universitas Wisconsin. (2013). Nanotube dan Bentuk Karbon Lainnya. Diperoleh dari: chemistry.beloit.edu
Clark Jim. (2012). Struktur kovalen raksasa. Diperoleh dari: chemguide.co.uk

ALOTROP KARBON: KARBON AMORF, GRAFIT, GRAFENA, TABUNG NANO - KIMIA - 2025