कार्बन के अलॉट्रोप्स: अनाकार कार्बन, ग्रेफाइट, ग्रेफीन, नैनोट्यूब - रसायन विज्ञान - 2025

कार्बन की अपरूपों विभिन्न भौतिक रूपों sortable और बाँध उनके परमाणुओं कर रहे हैं। प्रत्येक व्यक्ति अपनी विशेष विशेषताओं के साथ एक ठोस से मेल खाता है। आणविक और संरचनात्मक रूप से वे एक दूसरे से अलग हैं। इन आवंटियों के दो मुख्य प्रकार हैं: क्रिस्टलीय और अनाकार।

क्रिस्टलीय अलॉट्रोप वे हैं जो अंतरिक्ष में अपने परमाणुओं के दोहराए जाने वाले पैटर्न हैं। इस बीच, अनाकार अलॉट्रोप्स में, परमाणुओं को अव्यवस्थित रूप से व्यवस्थित किया जाता है, बिना ठोस में दो समान क्षेत्र होते हैं। तो पूर्व का आदेश दिया जाता है, और बाद वाले अव्यवस्थित होते हैं।

कार्बन का मुख्य आबंटन। स्रोत: जोज़ेफ विवेक

क्रिस्टलीय लोगों में हीरे (ए) और ग्रेफाइट (ई) सम उत्कृष्टता हैं। यह ऊपरी छवि विभिन्न संरचनाओं में मनाया जाता है जिसमें एक सामान्य पहलू होता है: वे केवल कार्बन परमाणुओं (काले गोले) से बने होते हैं।

और अनाकार आवंटियों के बीच, हमारे पास अनाकार कार्बन (बी) है, जिसे देखा जा सकता है, इसकी संरचना अव्यवस्थित है। हालांकि, कई प्रकार के अनाकार कार्बोन हैं, इसलिए यह ठोस पदार्थों का एक परिवार है।

इसके अलावा, कार्बन परमाणु, फुलरीन (c) और नैनोट्यूब (d) जैसे सुपरमॉलेक्यूल बना सकते हैं। ये सुपरमॉलेक्यूल आकार और आकार में भिन्न हो सकते हैं, लेकिन वे समान ज्यामिति को बनाए रखते हैं; फुलरीन और नैनोट्यूब के लिए गोलाकार और ट्यूबलर, क्रमशः।

कार्बन के सहसंयोजक बंधन

कार्बन के कुछ ज्ञात आवंटियों को संबोधित करने से पहले, यह समीक्षा करना आवश्यक है कि कार्बन परमाणु कैसे बंधे हैं।

वैलेंस बॉन्ड सिद्धांत के अनुसार, कार्बन के वैलेंस शेल में चार इलेक्ट्रॉन होते हैं, जिसके साथ वे सहसंयोजक बंधन बनाते हैं। इलेक्ट्रॉनिक संवर्धन और संकरण के लिए धन्यवाद, चार इलेक्ट्रॉनों को चार अलग-अलग कक्षाओं में रखा जा सकता है, वे शुद्ध या संकर हो सकते हैं।

इसलिए, कार्बन में अधिकतम चार बॉन्ड बनाने की क्षमता है।

डीसी। चार सीसी बॉन्ड के साथ, परमाणुओं की वैलेंस ऑक्टेट तक पहुंच जाती है, और वे बहुत स्थिर हो जाते हैं। हालांकि, यह कहना नहीं है कि इनमें से केवल तीन लिंक नहीं हो सकते हैं, जैसे कि हेक्सागोन्स में देखे गए।

hexagons

कार्बन परमाणु के संकरण के आधार पर, डबल या ट्रिपल बॉन्ड उनके संबंधित आवंटियों की संरचना में पाए जा सकते हैं। लेकिन, इस तरह के बंधन के अस्तित्व से भी अधिक स्पष्ट है, कार्बन को अपनाने वाली ज्यामिति है।

उदाहरण के लिए, यदि एक षट्भुज मनाया जाता है, तो इसका अर्थ है कि कार्बन में ² संकरण हैं और इसलिए एक अकेला इलेक्ट्रॉन के साथ एक शुद्ध पी कक्षीय है। क्या आप पहली छवि में सही हेक्सागोन्स देख सकते हैं? जो अलॉट्रोप्स होते हैं, उनका मतलब है कि उनके कार्बोन सपा ^{2 हैं}, चाहे डबल बॉन्ड हों या नहीं (जैसे कि बेंजीन रिंग वाले)।

एक मेष, विमान या हेक्सागोनल परत में सपा ² कार्बन होते हैं, जिसमें इलेक्ट्रॉनिक "छत" या "क्लाउड" होता है, जो पी ऑर्बिटल के अप्रकाशित इलेक्ट्रॉन का एक उत्पाद है। यह इलेक्ट्रॉन अन्य अणुओं के साथ सहसंयोजक बंधन बना सकता है, या धातु आयनों के सकारात्मक आरोपों को आकर्षित कर सकता है; K ⁺ और Na ^{+ की तरह} ।

इसी तरह, ये इलेक्ट्रॉन्स इन गोले को एक दूसरे के ऊपर, बिना बॉन्डिंग (दो पी ऑर्बिटल्स के ओवरलैप के लिए एक ज्यामितीय और स्थानिक बाधा के कारण) को ढेर करने की अनुमति देते हैं। इसका मतलब यह है कि हेक्सागोनल ज्यामिति वाले आवंटियों को क्रिस्टल बनाने का आदेश दिया जा सकता है या नहीं।

टेट्राहेड्रा

यदि एक टेट्राहेड्रॉन मनाया जाता है, जैसा कि अंतिम खंड में समझाया जाएगा, तो इसका मतलब है कि कार्बन में ³ संकरण हैं । उनमें चार साधारण सीसी बॉन्ड होते हैं, और वे एक टेट्राहेड्रल क्रिस्टल जाली बनाते हैं। इस तरह के टेट्राहेड्रा में मुक्त इलेक्ट्रॉन नहीं होते हैं जैसा कि हेक्सागोन्स में होते हैं।

अनाकार कार्बन

कोयले का हिस्सा, अनाकार कार्बन का प्रतिनिधि। स्रोत: Pxhere

मनमाने ढंग से व्यवस्थित हेक्सागोनल और टेट्राहेड्रल नेटवर्क के साथ बहुत सारे झरझरा स्पंज के रूप में अनाकार कार्बन की कल्पना की जा सकती है। इस खनिज मैट्रिक्स में वे अन्य तत्वों को फंसा सकते हैं, जो कहा स्पंज को कॉम्पैक्ट या विस्तारित कर सकते हैं; और इसी तरह, इसकी संरचनात्मक नाभिक बड़ी या छोटी हो सकती है।

इस प्रकार,% कार्बन के आधार पर, विभिन्न प्रकार के अनाकार कार्बोन व्युत्पन्न होते हैं; जैसे कालिख, चारकोल, एन्थ्रेसाइट, कार्बन ब्लैक, पीट, कोक, और सक्रिय कार्बन।

पहली नज़र में, वे सभी समान रूप से समान (शीर्ष छवि) दिखते हैं, जिसमें काले, सुस्त या धातु और भूरे रंग के ओवरटोन के किनारे पर बदलाव होते हैं।

सभी अनाकार कार्बोन की उत्पत्ति समान नहीं है। वनस्पति कार्बन, जैसा कि इसके नाम से संकेत मिलता है, वनस्पति द्रव्यमान और लकड़ी के दहन का उत्पाद है। जबकि कार्बन ब्लैक और कोक पेट्रोलियम प्रक्रियाओं के विभिन्न चरणों और स्थितियों के उत्पाद हैं।

यद्यपि वे बहुत आकर्षक नहीं लगते हैं और यह माना जा सकता है कि वे केवल ईंधन के रूप में काम करते हैं, उनके ठोस पदार्थों के छिद्र तकनीकी अवशोषक अनुप्रयोगों में ध्यान आकर्षित करते हैं, अवशोषक और पदार्थों के भंडारण के रूप में, और उत्प्रेरक समर्थन के रूप में भी।

Politypism

अनाकार कार्बन की संरचनाएं जटिल और अव्यवस्थित हैं; हालांकि, क्रिस्टलोग्राफिक अध्ययनों से पता चला है कि वे वास्तव में टेट्राहेड्रल (हीरा) और हेक्सागोनल (ग्रेफाइट) पॉलीटाइप्स हैं, जो परतों में मनमाने ढंग से व्यवस्थित होते हैं।

उदाहरण के लिए, यदि टी और एच क्रमशः टेट्राहेड्रल और हेक्सागोनल परतें हैं, तो एक अनाकार कार्बन को संरचनात्मक रूप से वर्णित किया जा सकता है: THTHHTH; या HTHTTHTHHHT, आदि। कुछ T और H लेयर क्रम एक प्रकार के अनाकार कार्बन को परिभाषित करते हैं; लेकिन उनके भीतर, कोई दोहराव प्रवृत्ति या पैटर्न नहीं है।

यह इस कारण से है कि इन कार्बन आवंटियों को चिह्नित करना संरचनात्मक रूप से कठिन है; और इसके बजाय, इसके% कार्बन को प्राथमिकता दी जाती है, जो एक ऐसा चर है जो इसके अंतरों के साथ-साथ इसके भौतिक गुणों और इसके जलने या जलने की प्रवृत्ति को भी आसान बनाता है।

कार्यात्मक समूह

यह उल्लेख किया गया था कि हेक्सागोनल विमानों में एक अप्रकाशित इलेक्ट्रॉन होता है जिसके साथ यह अन्य अणुओं या परमाणुओं के साथ एक बंधन बना सकता है। यदि कहें, तो आसपास के अणु H ₂ O और CO _{2 हैं}, OH और COOH समूह क्रमशः बनने की उम्मीद की जा सकती है। वे सीएच बांड बनाने वाले हाइड्रोजन परमाणुओं से भी बंध सकते हैं।

संभावनाएं बहुत विविध हैं, लेकिन सारांश में अनाकार कार्बन ऑक्सीजन युक्त कार्यात्मक समूहों की मेजबानी कर सकते हैं। जब ये हेटेरोटोम्स मौजूद होते हैं, तो वे न केवल विमानों के किनारों पर स्थित होते हैं, बल्कि उनके अंदर भी होते हैं।

सीसा

ग्रेफाइट की हेक्सागोनल परतों की क्रिस्टल संरचना। स्रोत: मार्टिनथोमा

ऊपरी छवि ग्रेफाइट की क्रिस्टलीय संरचना के गोले और तार के साथ एक मॉडल दिखाती है। आंचल की छाया, सौभाग्य से, उनके अप्रकाशित इलेक्ट्रॉनों के निरूपण के sp बादलों उत्पाद की कल्पना करने में मदद करती है। इतने खंडों के बिना, पहले खंड में इसका उल्लेख किया गया था।

इन These बादलों की तुलना दो प्रणालियों से की जा सकती है: बेंजीन के छल्ले की, और धात्विक क्रिस्टल में "इलेक्ट्रॉन समुद्र" की।

पी ऑर्बिटल्स एक दूसरे से जुड़कर एक ट्रैक का निर्माण करते हैं जहां इलेक्ट्रॉन स्वतंत्र रूप से यात्रा करते हैं; लेकिन केवल दो हेक्सागोनल परतों के बीच; उनके लिए लंबवत, इलेक्ट्रॉनों या प्रवाह का कोई प्रवाह नहीं है (इलेक्ट्रॉनों को कार्बन परमाणुओं से गुजरना होगा)।

जैसा कि इलेक्ट्रॉनों का एक निरंतर प्रवास होता है, तात्कालिक द्विध्रुवीय लगातार बनते हैं, जो कार्बन परमाणुओं के अन्य डिपो को प्रेरित करते हैं जो ऊपर या नीचे होते हैं; यह है, ग्रेफाइट की परतें या चादरें लंदन फैलाव बलों के लिए एकजुट रहती हैं।

इन हेक्सागोनल परतों, जैसा कि उम्मीद की जा सकती है, एक हेक्सागोनल ग्रेफाइट क्रिस्टल बनाएं; या बल्कि, विभिन्न कोणों पर जुड़े छोटे क्रिस्टल की एक श्रृंखला। The बादलों का व्यवहार ऐसा होता है मानो वे "इलेक्ट्रिक बटर" हों, जिससे परतें क्रिस्टल पर किसी बाहरी गड़बड़ी से पहले स्लाइड कर सकें।

भौतिक गुण

एक बार आणविक संरचना को संबोधित करने के बाद ग्रेफाइट के भौतिक गुणों को समझना आसान है।

उदाहरण के लिए, ग्रेफाइट का पिघलने बिंदु बहुत अधिक है (4400)C से ऊपर), इस तथ्य के कारण कि गर्मी के रूप में आपूर्ति की जाने वाली ऊर्जा को अपरिवर्तनीय रूप से हेक्सागोनल परतों को अलग करना पड़ता है, और उनके हेक्सागोन्स को भी तोड़ना पड़ता है।

यह कहा गया था कि उनकी परतें एक-दूसरे पर गिर सकती हैं; और न केवल, बल्कि वे अन्य सतहों पर भी समाप्त हो सकते हैं, जैसे कि सेल्यूलोज जो पेंसिल के ग्रेफाइट से जमा होने पर कागज बनाते हैं। यह संपत्ति ग्रेफाइट को एक उत्कृष्ट स्नेहक के रूप में कार्य करने की अनुमति देती है।

और, पहले से ही उल्लेख किया गया है, यह बिजली का एक अच्छा कंडक्टर है, और गर्मी और ध्वनि का भी।

graphenes

डबल बांड के बिना ग्राफीन शीट। स्रोत: जेंटो

हालांकि यह पहली छवि में नहीं दिखाया गया था, इस कार्बन आवंटन को नहीं छोड़ा जा सकता है। मान लीजिए कि ग्रेफाइट की परतों को एक ही शीट में पकड़कर गाढ़ा किया गया, जो एक बड़े क्षेत्र को खोलती और ढकती है। यदि यह आणविक रूप से किया गया था, तो ग्रेफिन पैदा होगा (शीर्ष छवि)।

तो, ग्रेफीन एक व्यक्तिगत ग्रेफाइटिक शीट है, जो दूसरों के साथ बातचीत नहीं करता है और जो एक ध्वज की तरह लहर सकता है। ध्यान दें कि यह मधुकोश की दीवारों से मिलता जुलता है।

ये ग्राफीन शीट ग्रेफाइट के गुणों को संरक्षित और गुणा करते हैं। इसके हेक्सागोन्स को अलग करना बहुत मुश्किल है, इसलिए वे एक अजैविक यांत्रिक प्रतिरोध पेश करते हैं; स्टील से भी ज्यादा। इसके अलावा, वे बेहद हल्के और पतले हैं, और सैद्धांतिक रूप से उनमें से एक ग्राम पूरे सॉकर क्षेत्र को कवर करने के लिए पर्याप्त होगा।

यदि आप शीर्ष छवि को फिर से देखते हैं, तो आप देख सकते हैं कि कोई दोहरे बंधन नहीं हैं। निश्चित रूप से उनमें, साथ ही साथ ट्रिपल बॉन्ड (भित्तिचित्र) भी हो सकते हैं। यह यहाँ है कि ग्राफीन की केमिस्ट्री खुलती है, कहते हैं।

ग्रेफाइट और अन्य हेक्सागोनल परतों की तरह, अन्य अणु इलेक्ट्रॉनिक और जैविक अनुप्रयोगों के लिए इसकी संरचना को कार्यात्मक रूप से ग्राफीन की सतह पर बांध सकते हैं।

कार्बन नैनोट्यूब

तीन प्रकार के कार्बन नैनोट्यूब। स्रोत: विकिपीडिया के माध्यम से Mstroeck

अब मान लीजिए कि हमने ग्राफीन शीट्स को पकड़ा और उन्हें एक ट्यूब में रोल करना शुरू किया; ये कार्बन नैनोट्यूब हैं। इन ट्यूबों की लंबाई और त्रिज्या परिवर्तनशील हैं, जैसा कि उनके स्थानिक अनुरूप हैं। ग्रेफीन और फुलरीन के साथ मिलकर, ये नैनोट्यूब सबसे अद्भुत कार्बन अलोट्रॉप्स की तिकड़ी बनाते हैं।

संरचनात्मक अनुरूपता

ऊपरी छवि में तीन कार्बन नैनोट्यूब दिखाए गए हैं। उनके बीच क्या अंतर है? सभी तीनों में हेक्सागोनल पैटर्न वाली दीवारें हैं, और पहले से ही चर्चा की गई समान सतह गुणों को प्रदर्शित करती हैं। जवाब तो इन हेक्सागोन्स के सापेक्ष झुकाव में निहित है।

पहली रचना ज़िगज़ैग प्रकार (ऊपरी दाएं कोने) से मेल खाती है। यदि ध्यान से देखा जाए, तो इसकी सराहना की जाएगी कि इसमें ट्यूब के अनुदैर्ध्य अक्ष के लिए लंबवत रूप से स्थित हेक्सागोन्स की पंक्तियाँ हैं।

इसके विपरीत, आर्मचेयर प्रकार के विरूपण (निचले दाएं कोने) के लिए, हेक्सागोन्स को पंक्तियों में उसी दिशा में व्यवस्थित किया जाता है जैसे ट्यूब के अनुदैर्ध्य अक्ष। पहले नैनोट्यूब में, हेक्सागोन अपने व्यास के अर्थ में सतह के पार चलते हैं, और दूसरे नैनोट्यूब में, वे "अंत से अंत तक" सतह के साथ चलते हैं।

और अंत में, चिरल नैनोट्यूब (निचले बाएं कोने) है। एक सर्पिल सीढ़ी के साथ तुलना करें जो बाएं या दाएं जा रही है। इस कार्बन नैनोट्यूब के साथ भी ऐसा ही होता है: इसके हेक्सागोन को बाईं या दाईं ओर चढ़ते हुए व्यवस्थित किया जाता है। जब दो स्थानिक संस्करण होते हैं, तो यह कहा जाता है कि यह चिरायता प्रदर्शित करता है।

फुलरीन

C60 फुलरीन अणु। स्रोत: बेनजाह- bmm27

फुलरीन में, hexagons अभी भी रखा जाता है, लेकिन इसके अलावा में, pentagons दिखाई देते हैं, सभी एसपी के साथ ² कार्बन । चादरों या परतों को पहले से ही पीछे छोड़ दिया गया है: अब उन्हें इस तरह से मोड़ दिया गया है कि वे एक गेंद बनाते हैं, एक फुटबॉल की गेंद के समान; और कार्बनों की संख्या के आधार पर, एक रग्बी गेंद को।

फुलरीन अणु होते हैं जो आकार में भिन्न होते हैं। सबसे प्रसिद्ध सी ₆₀ (शीर्ष छवि) है। इन कार्बन अलॉट्रोप्स को गुब्बारे के रूप में माना जाना चाहिए, जो क्रिस्टल बनाने के लिए एक साथ निचोड़ सकते हैं, जिसमें आयन और अन्य अणु उनके अंतर में फंस सकते हैं।

ये बॉल विशेष वाहक होते हैं या अणुओं के लिए समर्थन करते हैं। कैसे? इसकी सतह पर सहसंयोजक बंधों के माध्यम से, विशेष रूप से, षट्भुज के आसन्न कार्बन के लिए। फुलरीन को तब फंक्शनल किया गया है (एक एक्सहॉइल एडिट)।

इसकी दीवारों को रणनीतिक रूप से अणुओं को अंदर स्टोर करने के लिए तोड़ा जा सकता है; एक गोलाकार कैप्सूल जैसा दिखता है। इसी तरह, इन गेंदों में दरारें हो सकती हैं और एक ही समय में कार्यात्मक हो सकती हैं; सब कुछ उस एप्लिकेशन पर निर्भर करेगा जिसके लिए उनका इरादा है।

हीरे की घन क्रिस्टल संरचना। स्रोत: GYassineMrabetTalk✉ यह संरचना PyMOL के साथ बनाई गई थी। ।

और अंत में, कार्बन के सभी आवंटनों में सबसे अच्छा ज्ञात: हीरा (हालांकि सभी कार्बन नहीं हैं)।

संरचनात्मक रूप से, इसमें sp ³ कार्बन परमाणु होते हैं, जिसमें चार CC बॉन्ड और टेट्राहेड्रा (ऊपरी छवि) का एक त्रि-आयामी नेटवर्क होता है, जिसकी क्रिस्टलीय कोशिका घन होती है। यह खनिजों में सबसे कठिन है, और इसका गलनांक 4000.C के करीब है।

उनके tetrahedra क्रिस्टल जाली भर में कुशलता से गर्मी हस्तांतरण करने में सक्षम हैं; लेकिन बिजली के साथ ऐसा नहीं है, क्योंकि इसके इलेक्ट्रॉन अपने चार सहसंयोजक बंधों में बहुत अच्छी तरह से स्थित हैं और यह कहीं भी नहीं जा सकते हैं। इसलिए, यह एक अच्छा थर्मल कंडक्टर है, लेकिन यह एक विद्युत इन्सुलेटर है।

यह कैसे मुखर होता है, इसके आधार पर, यह कई उज्ज्वल और आकर्षक कोणों पर प्रकाश को बिखेर सकता है, यही कारण है कि उन्हें रत्न और गहने के रूप में प्रतिष्ठित किया जाता है।

नेटवर्क बहुत प्रतिरोधी है, क्योंकि इसे अपने टेट्राहेड्रा को स्थानांतरित करने के लिए बहुत अधिक दबाव की आवश्यकता होगी। यह संपत्ति इसे उच्च यांत्रिक प्रतिरोध और कठोरता के साथ एक सामग्री बनाती है, जो हीरे की इत्तला दे दी गई खोपड़ी के साथ सटीक और साफ कटौती करने में सक्षम है।

उनके रंग उनके क्रिस्टलोग्राफिक दोष और उनकी अशुद्धियों पर निर्भर करते हैं।

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