CARBONI AMORF: TIPUS, PROPIETATS I USOS - QUIMICA - 2025

El carboni amorf és tot aquell carboni alotrópic amb estructures plenes de defectes moleculars i irregularitats. El terme al·lòtrop es refereix al fet que un sol element químic, com l'àtom de carboni, forma estructures moleculars diferents; algunes cristal·lines, i altres, com en aquest cas, amorfes.

El carboni amorf no té l'estructura cristal·lina de llarg abast que caracteritza el diamant i a l'grafit. Això vol dir que el patró estructural es manté lleugerament constant si es visualitzen regions de l'sòlid molt properes entre si; i quan estan distants, es tornen evidents les seves diferències.

Carbó vegetal cremant. Font: Pixabay

Les característiques o propietats físiques i químiques de l'carboni amorf també són diferents a les de l'grafit i de el diamant. Per exemple, es té el famós carbó vegetal, producte de la combustió de fusta (imatge superior). Aquest no és lubricant, i tampoc és brillant.

Hi ha diversos tipus de carboni amorf en la naturalesa i aquestes varietats poden obtenir-se també de forma sintètica. Entre les diverses formes de carboni amorf està el negre de carboni, el carboni activat, el sutge i el carbó vegetal.

El carboni amorf posseeix importants usos a nivell de la indústria generadora d'energia, així com en les indústries tèxtil i sanitària.

Tipus de carboni amorf

Hi ha diversos criteris per classificar-los, com el seu origen, composició i estructura. Aquesta última depèn de la relació entre els carbonis amb hibridacions sp ² i sp ³; és a dir, aquells que defineixen un pla o un tetraedre, respectivament. Per tant, la matriu inorgànica (mineralògica) d'aquests sòlids pot arribar a ser molt complexa.

Segons el seu origen

Hi ha el carboni amorf d'origen natural, pel fet que és producte de l'oxidació i de formes de descomposició de compostos orgànics. Entre aquest tipus de carboni es troben el sutge, el carbó i el carboni derivat dels carburs.

El carboni amorf sintètic es produeix per tècniques de deposició per arc catòdic, i polvorització catòdica. De forma sintètica també es fabriquen revestiments de carboni amorf tipus diamant o pel·lícules de carboni amorf.

estructura

També el carboni amorf es pot agrupar en tres grans tipus depenent de la proporció d'enllaços sp ² o sp ³ presents. Hi ha el carboni amorf, que pertany a l'anomenat carboni amorf elemental (aC), el carboni amorf hidrogenat (C.: H), i el carboni amorf tetraèdric (ta-C).

Carboni amorf elemental

Abreujat amb freqüència com aC o aC, inclou el carbó activat i el negre de l'carbó. Les varietats d'aquest grup s'obtenen per combustió incompleta de substàncies animals i vegetals; és a dir, cremen amb un dèficit estequiomètric d'oxigen.

Presenten major proporció d'enllaços sp ² en la seva estructura o organització molecular. Poden imaginar-se com una sèrie de plans agrupats, amb diferents orientacions en l'espai, producte dels carbonis tetraèdrics que estableixen heterogeneïtat en el conjunt.

A partir d'ells s'ha sintetitzat nanocompostos amb aplicacions electròniques i desenvolupament de materials.

Carboni amorf hidrogenat

Abreujat com aC: H o HAC. Entre ells hi ha el sutge, el fum, el carbó extret com el betum, i els asfalts. El sutge és fàcilment distingible quan hi ha un incendi en una muntanya limítrofa a una ciutat o poble, on s'observa en els corrents d'aire que l'arrosseguen en forma de fulles negres fràgils de color negre.

Tal com el seu nom indica, conté hidrogen, però enllaçat covalentment als àtoms de carboni, i no de l'tipus molecular (H ₂). És a dir, hi ha enllaços CH. Si a un d'aquests enllaços se li desprèn l'hidrogen, quedarà un orbital amb un electró desaparellat. Si dos d'aquests electrons desaparellats estan molt propers entre si, interaccionaran originant els anomenats enllaços penjants (dangling bond, en anglès).

Amb aquest tipus de carboni amorf hidrogenat s'obtenen pel·lícules o revestiments de menor duresa que les elaborades amb el ta-C.

Carboni amorf tetraèdric

Abreujat com ta-C, denominat també carbó similar a el diamant. Conté una alta proporció d'enllaços hibridats sp ³.

A aquesta classificació pertanyen les pel·lícules o revestiments de carboni amorf, amb estructura tetraèdrica amorfa. No tenen hidrogen, presenten elevada duresa, i moltes de les seves propietats físiques són similars a les de el diamant.

Molecularment consisteix en carbonis tetraèdrics que no presenten un patró estructural a llarg abast; mentre que en el diamant, l'ordre es manté constant en diferents regions de l'vidre. El ta-C pot presentar cert ordre o patró característic a un vidre, però només a curt abast.

composició

El carbó està organitzat com estrats de roca de color negre, contenint altres elements com sofre, hidrogen, nitrogen i oxigen. D'aquí sorgeixen carbonis amorfs com l'hulla, torba, antracita i lignit. La antracita és de tots ells la que posseeix la composició més alta de carboni.

propietats

El veritable carboni amorf té enllaços π localitzats amb desviacions en l'espaiat interatómico i variació en l'angle d'enllaç. Posseeix enllaços hibridats sp ² i sp ³ la relació varia d'acord a el tipus de carboni amorf.

Les seves propietats físiques i químiques estan relacionades amb la seva organització molecular i amb la seva microestructura.

En general, presenta propietats d'elevada estabilitat i d'alta duresa mecànica, de resistència a la calor i resistència a l'desgast. A més, es caracteritza perquè posseeix elevada transparència òptica, baix coeficient de fricció, i resistència a diversos agents corrosius.

El carboni amorf és sensible als efectes de la irradiació, presenta elevada estabilitat electroquímica i conductivitat elèctrica, entre altres propietats.

usos

Cadascun dels diferents tipus de carboni amorf té les seves pròpies característiques o propietats, i usos molt particulars.

el carbó

El carbó és un combustible fòssil, i per tant és una important font d'energia, que s'aprofita també per generar electricitat. L'impacte ambiental de la indústria minera d'el carbó i el seu ús en les centrals elèctriques són molt discutits avui dia.

El carbó activat

És útil per a realitzar processos d'absorció o filtració selectiva de contaminants de l'aigua potable, descolorir solucions, i fins i tot pot absorbir gasos sulfurats.

El negre de carbó

El negre de carbó s'utilitza molt en l'elaboració de pigments, tintes d'impressió i varietat de pintures. Aquest carboni millora en general la força i la resistència dels articles elaborats amb hule.

Com farciment en llantes o pneumàtics augmenta la seva resistència a l'desgast, i protegeix els materials de la degradació que ocasiona la llum solar.

Pel·lícules de carboni amorf

És creixent l'ús tecnològic de les pel·lícules o recobriments de carboni amorf en varietats de dispositius de pantalla plana i microelectrònics. La proporció d'enllaços sp ² i sp ³ fa que les pel·lícules de carboni amorf posseeixin propietats òptiques i mecàniques de variable densitat i duresa.

Així mateix, es fan servir en revestiments antireflectants, en recobriments per a protecció radiològica, entre altres usos.

referències

1. Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgànica. (Quarta edició). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2018). Amorphous carbó. Recuperat de: en.wikipedia.org
3. Kouchi A. (2014) Amorphous Carbon. In: Amils R. et al. (Eds) Encyclopedia of Astrobiology. Springer, Berlin, Heidelberg.
4. Yami. (21 de maig del 2012). Formes al·lotròpiques de l'carboni. Recuperat de: quimicaorganica-mky-yamile.blogspot.com
5. Science Direct. (2019). Amorphous carbó. Recuperat de: sciencedirect.com
6. Ros-Roy, M., Corbella, C. and Bertran, I. (2011). Tribological Properties of Fluorinated Amorphous Carbon Thin Films. Recuperat de: researchgate.net