Alótropos de carbono: carbono amorfo, grafite, grafenos, nanotubos

As formas alotrópicas de carbono são formas físicas diferentes classificáveis e ligar os seus átomos. Cada um corresponde a um sólido com características próprias e especiais. Molecular e estruturalmente eles diferem um do outro. Existem dois tipos principais desses alótropos: cristalino e amorfo.

Alótropos cristalinos são aqueles que têm um padrão repetitivo de seus átomos no espaço. Enquanto isso, nos alótropos amorfos, os átomos são dispostos de maneira desordenada, sem duas regiões idênticas no sólido. Então, os primeiros são ordenados e os segundos são confusos.

Alótropos de carbono: carbono amorfo, grafite, grafenos, nanotubos 1

Principais alótropos de carbono. Fonte: Jozef Sivek [CC BY-SA 4.0
(https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Entre os cristais, o diamante (a) e a grafite (e) são por excelência. Diferentes estruturas são observadas na imagem acima, que têm um aspecto comum: elas consistem apenas em átomos de carbono (esferas negras).

E entre os alótropos amorfos, temos o carbono amorfo (b), que, como pode ser visto, possui uma estrutura desordenada. No entanto, existem muitos tipos de carbonos amorfos, por isso é uma família de sólidos.

Além disso, átomos de carbono podem formar supramoléculas, como fulerenos (c) e nanotubos (d). Essas supramoléculas podem variar em tamanho e formato, mas por si mesmas mantêm as mesmas geometrias; esférica e tubular para fulerenos e nanotubos, respectivamente.

Ligações de carbono covalentes

Antes de abordar alguns dos alótropos conhecidos de carbono, é necessário revisar a maneira pela qual os átomos de carbono se ligam.

De acordo com a teoria das ligações de valência, o carbono possui quatro elétrons em sua camada de valência, com os quais eles formam ligações covalentes. Graças à promoção e hibridação eletrônicas, os quatro elétrons podem ser colocados em quatro orbitais separados, puros ou híbridos.

Portanto, o carbono tem a capacidade de formar até um máximo de quatro ligações

CC Com quatro ligações CC, os átomos atingem o byte de Valência e tornam-se muito estáveis. No entanto, isso não significa que não possa haver apenas três desses links, como os vistos nos hexágonos.

Hexágonos

Dependendo das hibridizações dos átomos de carbono, ligações duplas ou triplas podem ser encontradas na estrutura de seus respectivos alótropos. Mas, ainda mais evidente do que a existência de tais elos, é a geometria adotada pelos carbonos.

Por exemplo, se um hexágono é observado, isto significa que os carbonos são sp hibridado 2 e, por conseguinte, ter um orbital p puro com um electrão solitário. Você consegue ver hexágonos perfeitos na primeira imagem? Aqueles que contêm allotropes envolver os seus átomos de carbono são sp 2 , com ou sem ligações duplas (tal como anel benzeno).

Uma malha, plano ou camada hexagonal consiste então de carbonos sp 2 que possuem um “teto” ou “nuvem” eletrônico, produto do elétron ausente do orbital p . Esse elétron pode formar ligações covalentes com outras moléculas ou atrair cargas positivas de íons metálicos; como os de K + e Na + .

Além disso, esses elétrons permitem que essas camadas se empilhem umas sobre as outras, sem ligação (seguindo um impedimento geométrico e espacial à sobreposição dos dois orbitais p ). Isso significa que os alótropos com geometrias hexagonais podem ou não receber ordens para construir um cristal.

Tetrahedra

Se um tetraedro for observado, como será explicado na última seção, isso significa que os carbonos têm hibridação sp 3 . Existem quatro links CC simples neles, e eles formam uma rede de cristais tetraédricos. Em tais tetraedros, não há elétrons livres, como é o caso dos hexágonos.

Carbono amorfo

Alótropos de carbono: carbono amorfo, grafite, grafenos, nanotubos 2

Pedaços de carvão, representativos do carbono amorfo. Fonte: Pxhere

Você pode imaginar o carbono amorfo como uma espécie de esponja porosa, com muitas redes hexagonais e tetraédricas dispostas arbitrariamente. Nesta matriz mineral, eles podem prender outros elementos, que podem compactar ou expandir a referida esponja; e da mesma forma, seus núcleos estruturais podem ser maiores ou menores.

Assim, dependendo da% de carbono, são derivados vários tipos de carbonos amorfos; como fuligem, carvão vegetal, antracite, negro de fumo, turfa, coque e carvão ativado.

À primeira vista, todos eles parecem remotamente semelhantes (imagem superior), com degradações de escurecimento, silenciados ou visos metálicos e acinzentados.

Nem todos os carbonos amorfos têm a mesma origem. O carbono vegetal, como o nome indica, é um produto da combustão de massas de plantas e madeira. Enquanto negro de carbono e coque, são produtos de diferentes estágios e condições dos processos de petróleo.

Embora não pareçam muito atraentes e acredite-se que sirvam apenas como combustíveis, as porosidades de seus sólidos despertam atenção em aplicações tecnológicas de purificação, como absorventes e estoques de substâncias, e também como suportes catalíticos.

Politipismo

As estruturas dos carbonos amorfos são complexas e desordenadas; mas estudos cristalográficos mostraram que os polipos tipicamente tetraédricos (diamantes) e hexagonais (grafite), dispostos arbitrariamente em camadas, são realmente tratados.

Por exemplo, se T e H são as camadas tetraédrica e hexagonal, respectivamente, um carbono amorfo pode ser estruturalmente descrito como: THTHHTH; ou HTHTTHTHHHT, etc. Certas sequências das camadas T e H definem um tipo de carbono amorfo; mas dentro deles, não há tendência ou padrão repetitivo.

É por esse motivo que estruturalmente é difícil caracterizar esses alótropos de carbono; em vez disso, é preferida sua% de carbono, uma variável que facilita suas diferenças, além de suas propriedades físicas e sua tendência a queimar ou queimar.

Grupos funcionais

Foi mencionado que os planos hexagonais têm um elétron ausente com o qual eles podem se ligar com outras moléculas ou átomos. Se, por exemplo, as moléculas vizinhas são H 2 O e CO 2 , pode esperar-se a grupos OH e COOH são formadas, respectivamente. Eles também podem se ligar a átomos de hidrogênio, formando ligações CH.

As possibilidades são variadas, mas, em suma, os carbonos amorfos podem abrigar grupos funcionais oxigenados. Quando esses heteroátomos estão presentes, eles não estão localizados apenas nas bordas dos planos, mas também e até no interior.

Grafite

Alótropos de carbono: carbono amorfo, grafite, grafenos, nanotubos 3

Estrutura cristalina de camadas hexagonais de grafite. Fonte: MartinThoma [CC0].

A imagem acima mostra um modelo com esferas e cordas da estrutura cristalina da grafite. Felizmente, as sombras das esferas ajudam a visualizar as nuvens π, produto da realocação de seus elétrons ausentes. Isso foi mencionado na primeira seção, sem muitos detalhes.

Essas nuvens π podem ser comparadas a dois sistemas: o dos anéis de benzeno e o dos “mares de elétrons” nos cristais metálicos.

Os orbitais p se juntam para construir uma pista onde os elétrons viajam livremente; mas apenas entre duas camadas hexagonais; perpendicular a eles, não há fluxo de elétrons ou corrente (os elétrons teriam que passar através dos átomos de carbono).

Como existe uma migração constante de elétrons, dipolos instantâneos são formados constantemente, o que induz outros átomos de carbono de dipolos encontrados acima ou abaixo; isto é, as camadas ou folhas de grafite permanecem unidas graças às forças de dispersão de Londres.

Essas camadas hexagonais, como seria de esperar, criam um cristal de grafite hexagonal; ou melhor, uma série de pequenos cristais conectados em ângulos diferentes. As nuvens π se comportam como se fossem uma “manteiga elétrica”, permitindo que as camadas deslizem diante de qualquer perturbação externa nos cristais.

Propriedades físicas

As propriedades físicas da grafite são fáceis de entender uma vez que sua estrutura molecular foi abordada.

Por exemplo, o ponto de fusão da grafite é muito alto (acima de 4400 ° C), porque a energia fornecida na forma de calor precisa separar irreversivelmente as camadas hexagonais e também quebrar seus hexágonos.

Acabou de ser dito que suas camadas podem deslizar umas sobre as outras; e não apenas, mas também podem acabar em outras superfícies, como a celulose que compõe o papel quando depositadas na grafite dos lápis. Essa propriedade permite que a grafite atue como um excelente lubrificante.

E, já mencionado, é um bom condutor de eletricidade, e também de calor e som.

Graphenes

Alótropos de carbono: carbono amorfo, grafite, grafenos, nanotubos 4

Folha de grafeno sem ligações duplas. Fonte: Jynto [CC0]

Embora não tenha sido mostrado na primeira imagem, esse alótropo de carbono não pode ser deixado de fora. Suponha que as camadas de grafite foram agarradas e condensadas em uma única folha, abertas e cobrindo uma grande área. Se isso fosse feito molecularmente, nasceriam os grafenos (imagem superior).

Portanto, o grafeno é uma folha grafítica individual, que não interage com os outros e pode acenar como se fosse uma bandeira. Observe que ele tem uma semelhança com as paredes do favo de mel.

Essas folhas de grafeno retêm e multiplicam as propriedades da grafite. Seus hexágonos são muito difíceis de separar, então eles têm uma resistência mecânica abismal; ainda mais alto que o aço. Além disso, eles são extremamente leves e finos e, teoricamente, um grama deles seria suficiente para cobrir um campo inteiro de futebol.

Se a imagem superior for observada novamente, é apreciado que não há links duplos. Certamente, pode haver, assim como links triplos (graffins). É aqui que a química do grafeno se abre, digamos.

Como a grafite e as outras camadas hexagonais, outras moléculas podem se ligar covalentemente à superfície do grafeno, funcionalizando sua estrutura para aplicações eletrônicas e biológicas.

Nanotubos de carbono

Alótropos de carbono: carbono amorfo, grafite, grafenos, nanotubos 5

Os três tipos de nanotubos de carbono. Fonte: Mstroeck via Wikipedia.

Agora, suponha que as folhas de grafeno foram agarradas e começamos a enrolá-las para formar um tubo; Estes são nanotubos de carbono. Os comprimentos e o raio desses tubos são variáveis, assim como suas conformações espaciais. Juntamente com grafeno e fulerenos, esses nanotubos integram a tríade dos alótropos de carbono mais surpreendentes.

Conformações estruturais

Na imagem acima, três nanotubos de carbono são mostrados. Como eles diferem? Todos os três têm paredes com padrões hexagonais e exibem as mesmas propriedades de superfície já expostas. A resposta está então nas orientações relativas dos referidos hexágonos.

A primeira conformação corresponde ao tipo em zigue-zague (canto superior direito). Se cuidadosamente observado, será apreciado que possui fileiras de hexágonos posicionados perfeitamente perpendiculares ao eixo longitudinal do tubo.

Por outro lado, para a conformação do tipo poltrona , ou poltrona (canto inferior direito), os hexágonos são dispostos em fileiras na mesma direção que o eixo longitudinal do tubo. No primeiro nanotubo, os hexágonos cruzam a superfície na direção de seu diâmetro, e no segundo nanotubo, eles viajam ao longo dela, de “ponta a ponta”.

E, finalmente, há o nanotubo quiral (canto inferior esquerdo). Compare uma escada em espiral para a esquerda ou direita. O mesmo acontece com este nanotubo de carbono: seus hexágonos estão dispostos ascendendo para a esquerda ou direita. Com duas versões espaciais, diz-se que exibe quiralidade.

Fulerenos

Alótropos de carbono: carbono amorfo, grafite, grafenos, nanotubos 6

Molécula de fulereno C60. Fonte: Benjah-bmm27 [Domínio público].

Em fulerenos ainda estão hexágonos, mas também pentágonos mantida, todos aparecem carbonos sp 2 . Os lençóis ou camadas já foram deixados para trás: agora foram dobrados de forma a formar uma bola semelhante ao futebol; e, dependendo do número de carbonos, uma bola de rugby.

Os fulerenos são moléculas que diferem em tamanho. O mais famoso é o C 60 (imagem superior). Esses alótropos de carbono devem ser tratados como balões, que podem ser espremidos para formar cristais, nos quais íons e outras moléculas podem ficar presos dentro de seus interstícios.

Essas bolas são portadores ou suportes especiais para moléculas. Como Através de ligações covalentes à sua superfície, especialmente a carbonos adjacentes de um hexágono. Diz-se que o fulereno foi funcionalizado (um aducto exohédico).

Suas paredes podem ser estrategicamente quebradas para armazenar moléculas no interior; semelhante a uma cápsula esférica. Além disso, essas bolas podem ter rachaduras e serem funcionalizadas ao mesmo tempo; Tudo vai depender da aplicação a que se destinam.

Alótropos de carbono: carbono amorfo, grafite, grafenos, nanotubos 7

Estrutura cristalina cúbica do diamante. Fonte: GYassineMrabetTalk Alótropos de carbono: carbono amorfo, grafite, grafenos, nanotubos 8Essa>

E,>

Estruturalmente, ele consiste em sp 3 átomos de carbono , formando quatro ligações CC e uma rede tridimensional de tetraedros (imagem superior) cuja célula cristalina é cúbica. É o mais duro dos minerais e seu ponto de fusão se aproxima de 4000 ° C.

Seus tetraedros são capazes de transferir calor e eficientemente por toda a rede cristalina; mas não com eletricidade, porque seus elétrons estão muito bem localizados em suas quatro ligações covalentes e não podem ir a lugar algum. Portanto, é um bom condutor térmico, mas é um isolador elétrico.

Dependendo de como você o enfrenta, você pode espalhar a luz em muitos ângulos brilhantes e atraentes, e é por isso que eles são cobiçados como pedras preciosas e jóias.

A rede é muito resistente, porque exigiria muita pressão para mover seu tetraedro. Essa propriedade o torna um material com alta resistência e dureza mecânica, capaz de fazer cortes precisos e limpos, como no bisturi com ponta de diamante.

Suas cores dependem de seus defeitos cristalográficos e de suas impurezas.

Referências

  1. Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgânica (Quarta edição). Mc Graw Hill
  2. Méndez Medrano, Ma. Guadalupe, Rosu, HC, Torres González, LA (2012). Grafeno: o alótropo de carbono mais promissor. Lei da Universidade. vol. 22, n. 3, abril-maio ​​de 2012, pp. 20-23, Universidade de Guanajuato, Guanajuato, México.
  3. IES La Magdalena. Aviles Astúrias (sf). Formas alotrópicas de carbono. [PDF]. Recuperado de: fisquiweb.es
  4. Wikipedia (2019). Alótropos de carbono. Recuperado de: en.wikipedia.org
  5. Sederberg David. (sf). Alótropos de carbono. Recuperado de: web.ics.purdue.edu
  6. Sederberg, D. (2009). Alótropos de carbono: é tudo na maneira como você é organizado. Recuperado de: physics.purdue.edu
  7. Hirsh A. (2010). A era dos alótropos de carbono. Departamento de Química e Farmácia e Centro Interdisciplinar de Materiais Moleculares (ICMM), Universidade Friedrich-Alexander Erlangen-Nuremberg, Henkestrasse 42, 91054 Erlangen, Alemanha.
  8. O Conselho de Regentes da Universidade de Wisconsin System. (2013). Nanotubos e outras formas de carbono. Recuperado de: chemistry.beloit.edu
  9. Clark Jim (2012). Estruturas covalentes gigantes. Recuperado de: chemguide.co.uk

Deixe um comentário

Este site usa cookies para lhe proporcionar a melhor experiência de usuário. política de cookies, clique no link para obter mais informações.

ACEPTAR
Aviso de cookies