AL·LÒTROPS DE L'CARBONI: CARBONI AMORF, GRAFIT, GRAFENOS, NANOTUBS - QUIMICA - 2025

Els al·lòtrops de carboni són les diferents formes físiques en què es poden ordenar i enllaçar-seus àtoms. Cada un correspon a un sòlid amb característiques pròpies i especials. Molecular i estructuralment es distingeixen els uns dels altres. Hi ha dos tipus principals d'aquests al·lòtrops: cristal·lins i amorfs.

Els al·lòtrops cristal·lins són aquells que posseeixen un patró repetitiu dels seus àtoms en l'espai. Mentrestant, als al·lòtrops amorfs, els àtoms es disposen desordenadament, sense que hi hagi en el sòlid dues regions idèntiques. Llavors, els primers són ordenats, i els segons, desordenats.

Principals al·lòtrops de carboni. Font: Jozef Sivek

Entre els cristal·lins es troben per excel·lència el diamant (a) i el grafit (i). S'observa en la imatge superior diferents estructures les quals tenen un aspecte en comú: es componen només d'àtoms de carboni (esferes negres).

I entre els al·lòtrops amorfs, tenim el carboni amorf (b), que com s'aprecia, la seva estructura és desordenada. No obstant això, hi ha molts tipus de carbonis amorfs, de manera que es tracta d'una família de sòlids.

Així mateix, els àtoms de carbonis poden formar supramolècules, com ara els fullerens (c) i els nanotubs (d). Aquestes supramolècules poden variar de mida i formes, però en si conserven les mateixes geometries; esfèriques i tubulars per als fullerens i nanotubs, respectivament.

Enllaços covalents de l'carboni

Abans d'abordar alguns dels al·lòtrops coneguts de l'carboni, cal repassar la manera en com els àtoms de carbonis s'enllacen.

D'acord a la teoria de l'enllaç de valència, el carboni presenta quatre electrons en la seva capa de valència, amb els quals formen els enllaços covalents. Gràcies a la promoció electrònica i hibridació, els quatre electrons poden situar en quatre orbitals separats, siguin purs o híbrids.

Per tant, el carboni té la capacitat de formar fins a un màxim de quatre enllaços

CC. A l'haver-hi quatre enllaços CC, els àtoms arriben al octet de valència, i es tornen molt estables. No obstant això, això no vol dir que no pugui haver solament tres d'aquests enllaços, com els que s'observen en els hexàgons.

hexàgons

Depenent de les hibridacions de l'àtom de carboni, pot trobar-dobles o triples enllaços en l'estructura dels seus respectius al·lòtrops. Però, encara més evident que l'existència de tals enllaços, és la geometria que adopten els carbonis.

Per exemple, si s'observa un hexàgon, vol dir que els carbonis tenen hibridació sp ² i que per tant tenen un orbital p pur amb un electró solitari. ¿Es pot observar hexàgons perfectes en la primera imatge? Aquells al·lòtrops que els continguin impliquen que els seus carbonis són sp ², hi hagi o no dobles enllaços (com els de l'anell benzènic).

Una malla, pla o capa hexagonal consisteixen llavors de carbonis sp ² que posseeix un "sostre" o "núvol" electrònics, producte de l'electró desaparellat de l'orbital p. Aquest electró pot formar enllaços covalents amb altres molècules, o atreure les càrregues positives dels ions metàl·lics; com els de l'K ⁺ i Na ⁺.

Així mateix, aquests electrons permeten que aquestes capes s'apilin unes damunt de l'altre, sense enllaçar-(arran d'un impediment geomètric i espacial per l'encavalcament dels dos orbitals p). Això fa que els al·lòtrops amb geometries hexagonals poden o no ordenar per construir un vidre.

tetraedres

Si s'observa un tetraedre, com s'explicarà en l'últim apartat, vol dir que els carbonis tenen hibridació sp ³. En ells hi ha quatre enllaços simples CC, i armen una xarxa cristal·lina tetraèdrica. En aquests tetraedres no hi ha electrons lliures com passa amb els hexàgons.

carboni amorf

Trossos de carbó, representatius de l'carboni amorf. Font: Pxhere.

Es pot imaginar a l'carboni amorf com una mena d'esponja porosa, amb munts de xarxes hexagonals i tetraèdriques disposades arbitràriament. En aquesta matriu mineral poden atrapar altres elements, els quals poden compactar o expandir aquesta esponja; i de la mateixa manera, els seus nuclis estructurals poden ser més grans o petits.

Així, depenent de l'% de carboni, es deriva diversos tipus de carbonis amorfs; tals com el sutge, el carbó vegetal, l'antracita, el negre de carboni, la torba, el coc i el carbó activat.

A primera vista, tots llueixen remotament similars (imatge superior), amb degradacions a la vora de l'negre, apagats, o amb aspectes metàl·lics i grisencs.

No tots els carbonis amorfs tenen el mateix origen. El carbó vegetal, com el seu nom indica, és producte de la combustió de les masses vegetals i la fusta. Mentre que el negre de carboni i el coc, són productes de diferents etapes i condicions dels processos petroliers.

Encara que no semblin molt atractius i es pugui creure que només serveixen com a combustibles, les porositats dels seus sòlids desperten l'atenció en aplicacions tecnològiques de purificació, com absorbents i emmagatzemadors de substàncies, i també com a suports catalítics.

politipisme

Les estructures dels carbonis amorfs són complexes i desordenades; però, estudis cristal·logràfics han demostrat que en realitat es tracten politipos tetraèdrics (diamant) i hexagonals (grafit), disposats arbitràriament en capes.

Per exemple, si T i H són les capes tetraèdrica i hexagonal, respectivament, llavors un carboni amorf pot descriure estructuralment com: THTHHTH; o HTHTTHTHHHT, etc. Determinades seqüències de capes de T i H defineixen un tipus de carboni amorf; però dins d'elles, no hi ha cap tendència o patró repetitiu.

És per aquesta raó que estructuralment és difícil caracteritzar aquests al·lòtrops de carboni; i en comptes d'això, es prefereix la seva% de carboni, el qual és una variable que facilita les seves diferències, a més de les seves propietats físiques i la seva tendència a cremar-se o cremar.

grups funcionals

Es va esmentar que els plànols hexagonals tenen un electró desaparellat amb el qual pot formar enllaç amb altres molècules o àtoms. Si, a dir, les molècules circumdants són l'H ₂ O i el CO ₂, pot esperar-se que es formin grups OH i COOH, respectivament. Així mateix, poden enllaçar-se a àtoms d'hidrogen, formant enllaços CH.

Les possibilitats són molt variades, però en resum els carbonis amorfs poden allotjar grups funcionals oxigenats. Quan aquests heteroàtoms es troben presents, no només se situen a les vores dels plans, sinó a més i fins i tot, al seu interior.

grafit

Estructura cristal·lina de capes hexagonals de el grafit. Font: MartinThoma.

A la imatge superior es mostra un model amb esferes i cordes de l'estructura cristal·lina de l'grafit. Les ombres de les esferes, afortunadament, ajuden per a visualitzar els núvols π producte de la deslocalització dels seus electrons desaparellats. Això es va esmentar en el primer apartat, sense tants detalls.

Aquests núvols π poden comparar-se a dos sistemes: a el dels anells benzènics, i a el dels "mars d'electrons" en els vidres metàl·lics.

Els orbitals p s'uneixen entre si per construir una pista per on transiten lliurement els electrons; però, només entre dues capes hexagonals; perpendiculars a elles, no hi ha flux d'electrons o corrent (els electrons haurien de traspassar els àtoms de carboni).

A l'haver-hi una migració constant d'electrons, es formen constantment dipols instantanis, els quals indueixen altres dipols àtoms de carboni que es troben dalt o baix; és a dir, les capes o làmines de el grafit romanen unides gràcies a les forces de dispersió de London.

Aquestes capes hexagonals, com pot esperar-se, creen un vidre hexagonal de grafit; o millor dit, una sèrie de cristalls petits connectats en diferents angles. Els núvols π es comporten com si fossin una "mantega elèctrica", permetent que les capes llisquin davant de qualsevol pertorbació externa sobre els vidres.

propietats físiques

Les propietats físiques de l'grafit resulten senzilles d'entendre un cop s'hagi abordat la seva estructura molecular.

Per exemple, el punt de fusió de l'grafit és molt elevat (superior als 4400ºC), a causa que l'energia subministrada en forma de calor ha de separar irreversiblement les capes hexagonals, ia més, trencar les seves hexàgons.

Recentment es va dir que les seves capes poden lliscar unes sobre les altres; i no només, sinó que també poden acabar sobre d'altres superfícies, com la de les cel·luloses que componen el paper a l'dipositar-se de l'grafit dels llapis. Aquesta propietat permet que el grafit actuï com un excel·lent lubricant.

I, ja esmentat, és un bon conductor de l'electricitat, i també de la calor i el so.

Grafenos

Làmina de grafè sense dobles enllaços. Font: Jynto

Encara que no s'hagi mostrat a la primera imatge, no pot deixar-se aquest al·lòtrop de carboni per fora. Suposem que s'agafessin les capes de l'grafit es condensessin en una sola làmina, oberta i abastant una gran superfície. Si molecularment es fes això, naixerien els grafenos (imatge superior).

Llavors, els grafenos és una làmina grafítica individual, que no interacciona amb altres i que pot onejar com si fos una bandera. Cal notar que té una semblança amb les parets de les bresques de les abelles.

Aquestes làmines de grafè conserven i multipliquen les propietats de l'grafit. Els seus hexàgons són molt difícils de separar, de manera que presenten una resistència mecànica abismal; fins i tot més alta que la de l'acer. A més, són extremadament lleugeres i primes, i teòricament n'hi hauria prou un gram d'elles per cobrir tot un camp de futbol.

Si es torna a observar la imatge superior, s'aprecia que no hi ha dobles enllaços. Certament, pot haver-los, així com triples enllaços (grafinos). És aquí que s'obre, per dir, la química de l'grafè.

A l'igual que el grafit i les altres capes hexagonals, altres molècules poden enllaçar-se covalentment a la superfície de l'grafè, funcionalizando la seva estructura per a aplicacions electròniques i biològiques.

Nanotubs de carboni

Els tres tipus de nanotubs de carboni. Font: Mstroeck via Wikipedia.

Ara, suposem que s'agafessin les làmines de grafenos i comencéssim a enrotllar fins a formar un tub; aquests són, els nanotubs de carboni. Les longituds i ràdio d'aquests tubs són variables, a l'igual que els seus conformacions espacials. Juntament amb el grafè i els fullerens, aquests nanotubs integren la tríada dels al·lòtrops de carboni més sorprenents.

conformacions estructurals

A la imatge superior es mostren tres nanotubs de carboni. En què es diferencien? Els tres tenen parets amb patrons hexagonals, i exhibeixen les mateixes propietats superficials ja exposades. La resposta llavors rau en les orientacions relatives d'aquests hexàgons.

La primera conformació correspon a el tipus ziga-zaga (cantonada superior dreta). Si s'observa amb cura, s'apreciarà que té fileres d'hexàgons posicionades perfectament perpendiculars a l'eix longitudinal de l'tub.

En contrast, per a la conformació de tipus armchair, o butaca (cantonada inferior dreta), els hexàgons es disposen en files en el mateix sentit que l'eix longitudinal de l'tub. En el primer nanotub els hexàgons recorren la superfície en sentit del seu diàmetre, i en el segon nanotub, el recorren al llarg del mateix, de "cap a peus".

I finalment, hi ha el nanotub quiral (cantonada inferior esquerra). Compari amb una escala de cargol en sentit esquerre o dret. El mateix li passa a aquest nanotub de carboni: els seus hexàgons es disposen ascendint cap a l'esquerra o la dreta. A l'haver dues versions espacials, es diu llavors que exhibeix quiralitat.

fullerens

Molècula d'fullereno C60. Font: Benjah-bmm27.

En els fullerens se segueixen mantenint els hexàgons, però a més, apareixen els pentàgons, tots amb carbonis sp ². Ja es deixen enrere les làmines o capes: ara s'han plegat de tal manera que formen una pilota, semblant a el de futbol; i depenent de el nombre de carbonis, a una pilota de rugbi.

Els fullerens són molècules que difereixen de mida. El més famós és el C ₆₀ (imatge superior). A aquests al·lòtrops de carboni convé tractar-los com pilotes, els quals poden apinyar per formar cristalls, en els quals poden quedar atrapats ions i altres molècules dins de les seves intersticis.

Aquests pilotes són especials acarreadores o suports per molècules. Com? A través dels enllaços covalents a la seva superfície, especialment, als carbonis adjacents d'un hexàgon. Es diu llavors que el fullereno s'ha funcionalitzat (1 adducte exoédrico).

Les seves parets poden trencar-se estratègicament per emmagatzemar molècules en el seu interior; semblant a una càpsula esfèrica. Així mateix, aquests pilotes poden tenir fissures i estar funcionalitzats a el mateix temps; tot dependrà de l'aplicació a la qual se'ls destinin.

Estructura cristal·lina cúbica de el diamant. Font: GYassineMrabetTalk✉This structure was created with PyMOL..

I per finalitzar, el més conegut de tots els al·lòtrops de carboni: el diamant (encara que no tots són de carboni).

Estructuralment consisteix d'àtoms de carbonis sp ³, formant quatre enllaços CC i una xarxa tridimensional de tetraedres (imatge superior) la cel·la cristal·lina és cúbica. És el més dur dels minerals, i el seu punt de fusió s'aproxima als 4000ºC.

Els seus tetraedres són capaços de transferir la calor i de manera eficaç per tota la xarxa cristal·lina; però no així amb l'electricitat, a causa de que els seus electrons es troben molt ben localitzats en els seus quatre enllaços covalents i no pot anar enlloc. Per tant, és un bon conductor tèrmic, però és un aïllant elèctric.

Depenent de com se li facete, pot dispersar la llum en molts angles brillants i atractius, raó per la qual es cobegen com pedres precioses i joies.

La xarxa és molt resistent, pel fet que necessitaria de molta pressió per moure els seus tetraedres. Aquesta propietat ho fa un material amb alta resistència mecànica i duresa, capaç de realitzar talls precisos i nets, com amb el bisturí amb punta de diamant.

Els seus colors depenen dels seus defectes cristal·logràfics i de les seves impureses.

referències

1. Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgànica. (Quarta edició). Mc Graw Hill.
2. Méndez Medrano, Ma. Guadalupe, Rosu, HC, Torres González, LA (2012). Grafè: el al·lòtrop més prometedor de l'carboni. Acta Universitària. vol. 22, núm. 3, abril-maig, 2012, pp. 20-23, Universitat de Guanajuato, Guanajuato, Mèxic.
3. IES La Magdalena. Avilés. Astúries. (Sf). Formes al·lotròpiques de l'carboni.. Recuperat de: fisquiweb.es
4. Wikipedia. (2019). Al·lòtrops de l'carboni. Recuperat de: es.wikipedia.org
5. Sederberg David. (Sf). Allotropes of Carbon. Recuperat de: web.ics.purdue.edu
6. Sederberg, D. (2009). Allotropes of carbon: It 's all in the way you'r put together. Recuperat de: physics.purdue.edu
7. Hirsh A. (2010). The era of carbon allotropes. Department of Chemistry and Pharmacy & Interdisciplinary Center of Molecular Materials (ICMM), Friedrich-Alexander University Erlangen-Nuremberg, Henkestrasse 42, 91054 Erlangen, Germany.
8. The Board of Regents of the University of Wisconsin System. (2013). Nanotubes and Other Forms of Carbon. Recuperat de: chemistry.beloit.edu
9. Clark Jim. (2012). Giant covalent structures. Recuperat de: chemguide.co.uk