탄소 동소체는 서로 다른 물리적 형태의 정렬 할 수있는 및 바인드 자신의 원자이다. 각각은 고유 한 특성을 가진 솔리드에 해당합니다. 분자 및 구조적으로 그들은 서로 구별됩니다. 이 동소체에는 결정질과 무정형의 두 가지 주요 유형이 있습니다.
결정질 동소체는 공간에서 원자의 반복 패턴을 가진 것들입니다. 한편, 무정형 동소체에서 원자는 고체에 두 개의 동일한 영역이없이 무질서하게 배열됩니다. 그래서 전자는 명령되고 후자는 무질서합니다.
탄소의 주요 동소체. 출처 : Jozef Sivek
결정질 중에는 다이아몬드 (a)와 흑연 (e) 우수성이 있습니다. 상부 이미지에서 공통적 인 측면을 가진 다른 구조가 관찰됩니다. 탄소 원자로 만 구성됩니다 (검은 구체).
그리고 무정형 동소체 중에는 무정형 탄소 (b)가 있는데, 볼 수 있듯이 그 구조는 무질서합니다. 그러나 많은 유형의 비정질 탄소가 있으므로 고체 계열입니다.
또한 탄소 원자는 풀러렌 (c) 및 나노 튜브 (d)와 같은 초분자를 형성 할 수 있습니다. 이러한 초분자는 크기와 모양이 다를 수 있지만 동일한 형상을 유지합니다. 풀러렌과 나노 튜브에 대해 각각 구형 및 관형.
탄소의 공유 결합
알려진 탄소 동소체 중 일부를 다루기 전에 탄소 원자가 결합되는 방식을 검토 할 필요가 있습니다.
원자가 결합 이론에 따르면, 탄소는 원자가 껍질에 4 개의 전자를 가지고 있으며 공유 결합을 형성합니다. 전자 촉진 및 혼성화 덕분에 4 개의 전자는 순수 또는 혼성이든 4 개의 개별 궤도에 배치 될 수 있습니다.
따라서 탄소는 최대 4 개의 결합을 형성 할 수 있습니다.
DC. 4 개의 CC 결합을 통해 원자는 원자가 옥텟에 도달하고 매우 안정적이됩니다. 그러나 이것은 육각형에서 볼 수있는 것과 같이 이러한 링크 중 3 개만있을 수 없다는 것을 의미하지는 않습니다.
육각형
탄소 원자의 혼성화에 따라 이중 또는 삼중 결합은 각각의 동소체 구조에서 찾을 수 있습니다. 그러나 그러한 결합의 존재보다 훨씬 더 분명한 것은 탄소가 채택하는 기하학입니다.
예를 들어 육각형이 관찰되면 탄소가 sp 2 혼성화 를 가지므로 고독한 전자와 함께 순수한 p 궤도를 가짐을 의미합니다 . 첫 번째 이미지에서 완벽한 육각형을 볼 수 있습니까? 그것들을 포함하는 동소체 는 이중 결합이 있는지 여부에 관계없이 탄소가 sp 2 라는 것을 의미합니다 (예 : 벤젠 고리).
메쉬, 평면 또는 육각형 층 은 p 궤도의 짝을 이루지 않은 전자의 생성물 인 전자 "지붕"또는 "구름"을 갖는 sp 2 탄소로 구성됩니다 . 이 전자는 다른 분자와 공유 결합을 형성하거나 금속 이온의 양전하를 끌어 당길 수 있습니다. K + 와 Na + 처럼 .
또한 이러한 전자는 이러한 껍질을 결합하지 않고 서로 쌓을 수 있도록합니다 (두 개의 p 궤도가 겹치는 기하학적 및 공간적 장애로 인해). 이것은 육각형 기하학을 가진 동소체가 결정을 만들기 위해 주문되거나 주문되지 않을 수 있음을 의미합니다.
사면체
마지막 섹션에서 설명 하겠지만 4 면체가 관찰되면 탄소가 sp 3 혼성화를 가짐을 의미합니다 . 그 안에는 4 개의 단순한 CC 결합이 있으며, 4 면체 결정 격자를 형성합니다. 그러한 사면체에는 육각형처럼 자유 전자가 없습니다.
무정형 탄소
비정질 탄소를 대표하는 석탄 덩어리. 출처 : Pxhere.
비정질 탄소는 임의적으로 배열 된 육각형 및 사면체 네트워크가 많은 일종의 다공성 스폰지로 상상할 수 있습니다. 이 미네랄 매트릭스에서 그들은 다른 요소를 포획 할 수 있으며, 이는 상기 스폰지를 압축하거나 확장 할 수 있습니다. 그리고 같은 방식으로 구조적 핵은 더 크거나 작을 수 있습니다.
따라서 탄소 %에 따라 다양한 유형의 비정질 탄소가 파생됩니다. 그을음, 숯, 무연탄, 카본 블랙, 이탄, 코크스 및 활성탄과 같은.
언뜻보기에 그들은 모두 원격으로 비슷하게 보이며 (상단 이미지), 검은 색, 둔한 또는 금속성 및 칙칙한 배음의 가장자리에 대한 그라데이션이 있습니다.
모든 비정질 탄소가 동일한 기원을 가지는 것은 아닙니다. 이름에서 알 수 있듯이 식물성 탄소는 식물성 덩어리와 나무의 연소 산물입니다. 카본 블랙과 코크스는 석유 공정의 여러 단계와 조건의 산물입니다.
그것들은 그다지 매력적이지 않고 단지 연료로만 작용한다고 믿어 질 수 있지만, 고체의 다공성은 흡수제와 물질 저장, 그리고 촉매 지지체로서의 기술적 정제 응용에서 주목을 끌고 있습니다.
Politypism
무정형 탄소의 구조는 복잡하고 무질서합니다. 그러나 결정학 연구에 따르면 실제로는 4 면체 (다이아몬드) 및 육각형 (흑연) 다형이며 층으로 임의로 배열되어 있습니다.
예를 들어, T와 H가 각각 사면체 및 육각형 층인 경우 비정질 탄소는 구조적으로 다음과 같이 설명 할 수 있습니다. THTHHTH; 또는 HTHTTHTHHHT 등 특정 T 및 H 레이어 시퀀스는 비정질 탄소 유형을 정의합니다. 그러나 그 안에는 반복적 인 경향이나 패턴이 없습니다.
이러한 이유로 이러한 탄소 동소체를 특성화하는 것이 구조적으로 어렵습니다. 그 대신 탄소 %가 선호되며, 이는 그 차이뿐만 아니라 물리적 특성과 연소 또는 연소 경향을 촉진하는 변수입니다.
기능 그룹
육각형 평면에는 다른 분자 또는 원자와 결합을 형성 할 수있는 짝을 이루지 않은 전자가 있다고 언급되었습니다. 예를 들어 주변 분자가 H 2 O 및 CO 2 이면 OH 및 COOH 그룹이 각각 형성 될 것으로 예상 할 수 있습니다. 그들은 또한 수소 원자와 결합하여 CH 결합을 형성 할 수 있습니다.
가능성은 매우 다양하지만 요약하면 무정형 탄소는 산소 작용기를 호스팅 할 수 있습니다. 이 이종 원자가 존재할 때, 그들은 평면의 가장자리뿐만 아니라 내부에도 위치합니다.
석묵
흑연의 육각형 층의 결정 구조. 출처 : MartinThoma.
상단 이미지는 흑연의 결정 구조의 구체와 줄이있는 모델을 보여줍니다. 다행스럽게도 구의 그림자는 짝을 이루지 않은 전자의 비편 재화의 π 구름 곱을 시각화하는 데 도움이됩니다. 이것은 많은 세부 사항없이 첫 번째 섹션에서 언급되었습니다.
이 π 구름은 벤젠 고리의 시스템과 금속 결정의 "전자 해"시스템의 두 시스템과 비교할 수 있습니다.
p 궤도는 서로 결합하여 전자가 자유롭게 이동하는 궤도를 만듭니다. 그러나 두 개의 육각형 층 사이에서만; 그들에 수직이면 전자 나 전류의 흐름이 없습니다 (전자는 탄소 원자를 통과해야합니다).
전자의 지속적인 이동이 있기 때문에 순간 쌍극자가 지속적으로 형성되어 위 또는 아래에있는 탄소 원자의 다른 쌍극자를 유도합니다. 즉, 런던 분산력 덕분에 흑연 층 또는 시트가 결합 된 상태를 유지합니다.
예상대로이 육각형 층은 육각형 흑연 결정을 생성합니다. 또는 오히려 다른 각도로 연결된 일련의 작은 결정. π 구름은 마치 "전기 버터"처럼 행동하여 결정에 대한 외부 방해가 발생하기 전에 층이 미끄러지도록합니다.
물리적 특성
흑연의 물리적 특성은 분자 구조가 해결되면 이해하기 쉽습니다.
예를 들어, 흑연의 융점은 매우 높습니다 (4400ºC 이상). 열의 형태로 공급되는 에너지가 육각형 층을 비가 역적으로 분리해야하고 육각형 층도 깨뜨려야하기 때문입니다.
그들의 레이어가 서로 미끄러질 수 있다고 방금 말했었습니다. 뿐만 아니라 연필의 흑연에서 퇴적되었을 때 종이를 구성하는 셀룰로오스와 같은 다른 표면에서도 끝날 수 있습니다. 이 특성은 흑연이 우수한 윤활제 역할을 할 수 있도록합니다.
그리고 이미 언급했듯이, 그것은 전기와 열과 소리의 좋은 전도체입니다.
그래 핀
이중 결합이없는 그래 핀 시트. 출처 : Jynto
첫 번째 이미지에는 표시되지 않았지만이 탄소 동소체는 빼놓을 수 없습니다. 흑연 층을 잡고 단일 시트로 압축하여 넓은 영역을 덮고 있다고 가정합니다. 이것이 분자 적으로 이루어지면 그래 핀이 탄생 할 것입니다 (상단 이미지).
따라서 그래 핀은 다른 흑연 시트와 상호 작용하지 않고 깃발처럼 흔들릴 수있는 개별 흑연 시트입니다. 벌집의 벽과 유사하다는 점에 유의하십시오.
이 그래 핀 시트는 그래파이트의 특성을 보존하고 곱합니다. 육각형은 분리하기가 매우 어려우므로 기계적 저항이 심하게 나타납니다. 강철보다 더 높습니다. 또한 매우 가볍고 얇으며 이론적으로 1g이면 축구장 전체를 덮기에 충분합니다.
위 이미지를 다시 보면 이중 결합이없는 것을 알 수 있습니다. 확실히 그것들과 삼중 결합 (그라 핀)이있을 수 있습니다. 그래 핀의 화학이 시작되는 곳은 바로 여기입니다.
흑연 및 다른 육각형 층과 마찬가지로 다른 분자는 그래 핀 표면에 공유 결합하여 전자 및 생물학적 응용을위한 구조를 기능화 할 수 있습니다.
탄소 나노 튜브
세 가지 유형의 탄소 나노 튜브. 출처 : Wikipedia를 통한 Mstroeck.
이제 우리가 그래 핀 시트를 잡고 튜브로 굴리기 시작했다고 가정합니다. 이것은 탄소 나노 튜브입니다. 이 튜브의 길이와 반경은 공간적 형태와 마찬가지로 가변적입니다. 그래 핀 및 풀러렌과 함께이 나노 튜브는 가장 놀라운 탄소 동소체의 삼 합체를 구성합니다.
구조적 형태
3 개의 탄소 나노 튜브가 상단 이미지에 표시됩니다. 그들 사이의 차이점은 무엇입니까? 세 가지 모두 육각형 패턴 벽을 가지고 있으며 이미 논의 된 동일한 표면 특성을 나타냅니다. 답은 이러한 육각형의 상대적인 방향에 있습니다.
첫 번째 형태는 지그재그 유형 (오른쪽 상단 모서리)에 해당합니다. 주의 깊게 관찰하면 튜브의 세로 축에 완벽하게 수직으로 배치 된 육각형 열이 있음을 알 수 있습니다.
반대로 암체어 형태 (오른쪽 아래 모서리)의 경우 육각형은 튜브의 세로 축과 같은 방향으로 열로 배열됩니다. 첫 번째 나노 튜브에서 육각형은 직경의 의미에서 표면을 가로 질러 실행되고 두 번째 나노 튜브에서는 "끝에서 끝까지"표면을 따라 실행됩니다.
그리고 마지막으로 키랄 나노 튜브 (왼쪽 아래 모서리)가 있습니다. 왼쪽 또는 오른쪽으로가는 나선형 계단과 비교하십시오. 이 탄소 나노 튜브도 마찬가지입니다. 육각형이 왼쪽이나 오른쪽으로 오름차순으로 배열되어 있습니다. 두 가지 공간 버전이 있으므로 카 이랄 성을 나타낸다고합니다.
풀러렌
C60 풀러렌 분자. 출처 : Benjah-bmm27.
풀러렌에서 육각형은 여전히 유지되지만 오각형이 모두 sp 2 탄소로 나타납니다 . 시트 나 레이어는 이미 남겨져 있습니다. 이제는 축구 공과 유사한 공을 형성하는 방식으로 접혀 있습니다. 탄소의 수에 따라 럭비 공에.
풀러렌은 크기가 다른 분자입니다. 가장 유명한 것은 C 60 (상단 이미지)입니다. 이러한 탄소 동소체는 풍선으로 취급되어야하며,이 풍선은 함께 압착되어 결정을 형성 할 수 있으며, 그 안에서 이온과 다른 분자가 틈새 내에 갇힐 수 있습니다.
이 공은 분자를위한 특별한 운반체 또는 지지체입니다. 어떻게? 표면, 특히 육각형의 인접한 탄소에 대한 공유 결합을 통해. 그러면 풀러렌이 기능화되었다고합니다 (외면 체 부가 물).
그 벽은 전략적으로 파괴되어 분자를 내부에 저장할 수 있습니다. 구형 캡슐을 닮았습니다. 마찬가지로,이 공은 균열을 가질 수 있으며 동시에 기능화 될 수 있습니다. 모든 것은 의도 된 응용 프로그램에 따라 달라집니다.
다이아몬드의 큐빅 결정 구조. 출처 : GYassineMrabetTalk✉이 구조는 PyMOL로 생성되었습니다. .
그리고 마지막으로, 모든 탄소 동소체 중 가장 잘 알려진 것은 다이아몬드입니다 (모두가 탄소는 아니지만).
구조적으로 sp 3 탄소 원자로 구성되어 4 개의 CC 결합을 형성하고 결정 세포가 입방체 인 4 면체 (상단 이미지)의 3 차원 네트워크를 형성합니다. 광물 중에서 가장 단단하고 녹는 점은 4000ºC에 가깝습니다.
그들의 사면체는 결정 격자 전체에 걸쳐 효율적으로 열을 전달할 수 있습니다. 그러나 전기는 그렇지 않습니다. 전자는 4 개의 공유 결합에 아주 잘 위치해 있고 어디에도 갈 수 없기 때문입니다. 따라서 좋은 열 전도체이지만 전기 절연체입니다.
패싯 방식에 따라 밝고 매력적인 각도로 빛을 산란시킬 수 있기 때문에 보석과 보석으로 탐내는 이유입니다.
네트워크는 4 면체를 이동하는 데 많은 압력이 필요하기 때문에 매우 저항력이 있습니다. 이 특성은 다이아몬드 팁 메스와 같이 정밀하고 깨끗한 절단이 가능한 높은 기계적 저항과 경도를 가진 재료로 만듭니다.
색상은 결정 학적 결함과 불순물에 따라 달라집니다.
참고 문헌
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