Δομή, Ιδιότητες και Χρήσεις Αλλοτρόπων και Οξειδίων του Άνθρακα

Αλλότροπα του άνθρακα

Εισαγωγή

Τα αλλότροπα είναι στοιχεία που υπάρχουν σε  περισσότερες από μία μορφές αλλά βρίσκονται στην ίδια φυσική κατάσταση. Ο άνθρακας  το θείο είναι  δύο κοινές χημικές ενώσεις που έχουν αλλότροπα. Λόγω του σθένους του άνθρακα, ο άνθρακας μπορεί να σχηματίσει πολλά αλλότροπα. Οι γνωστές μορφές άνθρακα είναι ο γραφίτης και το διαμάντι. Ο άνθρακας είναι ένα αμέταλλο με σύμβολο C και ατομικό αριθμό 6. Στον σύγχρονο περιοδικό πίνακα, ο άνθρακας χωρίζεται στη δεύτερη περίοδο και στην 14η ομάδα. Ο άνθρακας προέρχεται από τη λατινική λέξη «carbo» που σημαίνει «κάρβουνο». Το διαμάντι, ο οπτάνθρακας, ο άνθρακας, ο γραφίτης και τα φουλερένια αποτελούνται μόνο από στοιχεία άνθρακα  και λέγεται ότι είναι αλλοτρόπα του άνθρακα.

Το φαινόμενο στο οποίο ένα στοιχείο μπορεί να υπάρχει σε πολλαπλές φυσικές καταστάσεις ονομάζεται αλλοτρόπο. Τα αλλότροπα του άνθρακα μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες:

• Άμορφα αλλότροπα άνθρακα
• Κρυσταλλικά αλλότροπα άνθρακα

Κρυσταλλικά αλλότροπα άνθρακα:Τα τέσσερα αλλότροπα του άνθρακα με καλά καθορισμένη κρυσταλλική δομή είναι:

1. Διαμάντι
2. Γραφίτης
3. Φουλερένια
4. Νανοσωλήνες άνθρακα

Άμορφα αλλότροπα του άνθρακα:Μερικά σημαντικά άμορφα αλλοτρόπα του άνθρακα είναι:

1. Άνθρακας
2. Οπτάνθρακα
3. Ξυλοκάρβουνο
4. Ζωικό κάρβουνο
5. κάρβουνο ζάχαρης
6. Μαύρο φωτιστικό
7. Αέριος άνθρακας

Δομή διαμαντιών

Το Diamond έχει ένα τρισδιάστατο δίκτυο ατόμων άνθρακα που συνδέονται με ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς. Κάθε άτομο άνθρακα βρίσκεται σε ένα υβρίδιο sp3 και είναι τετραεδρικά συνδεδεμένο με τέσσερα γειτονικά άτομα άνθρακα.

Αυτό το δίκτυο επεκτείνεται σε τρεις διαστάσεις. Όλοι οι δεσμοί άνθρακα-άνθρακα (C-C) είναι ίσοι  με 154pm και κάθε γωνία δεσμού C-C-C είναι 109∘28′.

Ιδιότητες του Διαμαντιού

• Αυτός είναι ο πιο καθαρός και  πιο πυκνός τύπος άνθρακα. Η πυκνότητά του είναι 3,51 gcm–3
•  Είναι η πιο δύσκολη γνωστή φυσική  ουσία και έχει πολύ υψηλό σημείο τήξης (3843K). Αδιάλυτο σε όλους τους διαλύτες.
• Είναι διαφανές και χειρίζεται υψηλό δείκτη διάθλασης.
•  Είναι ο κακός αγωγός του ηλεκτρισμού. Αυτό συμβαίνει επειδή όλα τα  ηλεκτρόνια σθένους κάθε άνθρακα συμμετέχουν σε δεσμούς άνθρακα-άνθρακα σίγμα (σ), χωρίς να αφήνουν ασύζευκτα ηλεκτρόνια  στον κρύσταλλο.

Χρήσεις διαμαντιών

• Τα διαμάντια χρησιμοποιούνται για την κοπή εργαλείων, όπως κόφτες γυαλιού, πριόνια για την κοπή μαρμάρων και σφυριά.
• Οι οφθαλμίατροι χρησιμοποιούν αιχμηρά διαμάντια ως εργαλείο για την αφαίρεση του καταρράκτη από το μάτι με μεγάλη ακρίβεια. Το 
• Η μήτρα διαμαντιού χρησιμοποιείται για την έλξη πολύ λεπτών καλωδίων από μέταλλα όπως το βολφράμιο.
• Τα διαμάντια χρησιμοποιούνται στην παραγωγή κοσμημάτων λόγω της εξαιρετικής λαμπρότητάς τους.

Γραφίτης:Ένας μη μεταλλικός αγωγός

Στον γραφίτη, κάθε άτομο άνθρακα βρίσκεται σε ένα  υβρίδιο sp2 και είναι ομοιοπολικά συνδεδεμένο με τρία γειτονικά άτομα άνθρακα  στο ίδιο επίπεδο. Με αυτόν τον τρόπο σχηματίζεται ένας επίπεδος εξαγωνικός δακτύλιος. Το μήκος του δεσμού άνθρακα-άνθρακα αυτού του δακτυλίου είναι 142 μ.μ. Ο εξαγωνικός δακτύλιος σχηματίζει ένα στρώμα. Ο γραφίτης είναι μαλακός και λιπαντικός επειδή αυτά τα στρώματα μπορούν να γλιστρήσουν το ένα πάνω στο άλλο.

Ιδιότητες του γραφίτη

• Είναι μια σκούρα γκρίζα ουσία με μεταλλική λάμψη.
•  Είναι πολύ λιπαρό και απαλό στην αφή.
• Το τέταρτο ηλεκτρόνιο σθένους κάθε άνθρακα είναι ελεύθερο να κινείται, καθώς μόνο τρία ηλεκτρόνια από κάθε άνθρακα χρησιμοποιούνται για την κατασκευή του εξαγωνικού δακτυλίου του γραφίτη. Αυτό καθιστά τον γραφίτη εξαιρετικό αγωγό της θερμότητας και του ηλεκτρισμού.
• Δεν προσβάλλεται από κανένα από τα αραιά οξέα, το χλώριο και τα αλκάλια. Ένα μείγμα διχρωμικού καλίου και θειικού οξέος το οξειδώνει αργά  σε διοξείδιο του άνθρακα.

Χρήσεις γραφίτη

• Χρησιμοποιείται στην κατασκευή ηλεκτροδίων και τόξου άνθρακα.
•  Χρησιμοποιείται ως λιπαντικό για μηχανήματα που λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες.
• Χρησιμοποιείται για την κατασκευή μολυβιών. Ο γραφίτης σε σκόνη αναμειγνύεται με πηλό και συμπιέζεται σε ένα ραβδί. Αυτά τα στυλό χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μολυβιών.
•  Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως συντονιστής για τους πυρηνικούς αντιδραστήρες.

Οξείδια του άνθρακα

Ο άνθρακας σχηματίζει δύο οξείδια, το διοξείδιο του άνθρακα CO2 και το μονοξείδιο του άνθρακα (CO). Σχηματίζει επίσης υποξείδιο του άνθρακα, C3O2 

Ιδιότητες των οξειδίων του άνθρακα

Τα οξείδια του άνθρακα ή οξοάνθρακες είναι μια κατηγορία οργανικών ενώσεων που περιέχουν μόνο άνθρακα και οξυγόνο. Τα περισσότερα βασικά οξείδια του άνθρακα  είναι το μονοξείδιο του άνθρακα και το διοξείδιο του άνθρακα. Πολλά άλλα σταθερά και μετασταθερά οξείδια του άνθρακα  είναι γνωστά, αλλά  συναντώνται σπάνια.

Μονοξείδιο του άνθρακα

Ο απλούστερος οξοάνθρακας είναι το μονοξείδιο του άνθρακα (CO). Το μονοξείδιο του άνθρακα είναι ένα άγευστο, άχρωμο αέριο που είναι ελαφρώς ελαφρύτερο από τον αέρα. Παράγεται μεταβολικά και λέγεται ότι έχει ορισμένες βιολογικές λειτουργίες, αλλά είναι τοξικό για τον άνθρωπο και τα ζώα όταν το συναντάμε σε υψηλές συγκεντρώσεις.

Το μονοξείδιο του άνθρακα σταθεροποιείται από  διαφορετικές τρεις δομές συντονισμού. Η πρώτη δομή συντονισμού είναι η πιο σημαντική.

Το μονοξείδιο του άνθρακα αποτελείται από  άτομα άνθρακα και  οξυγόνου που συνδέονται με  τριπλούς δεσμούς. Η απόσταση μεταξύ του άνθρακα και του ατόμου οξυγόνου είναι 112,8 μ.μ., σύμφωνα με την ύπαρξη  τριπλών δεσμών. Η ενέργεια διάστασης δεσμού CO είναι 1072 kJ / mol, που αντιπροσωπεύει τον ισχυρότερο γνωστό χημικό δεσμό. Το CO έχει τρεις δομές συντονισμού, αλλά η δομή με  τριπλούς δεσμούς είναι η δομή που πλησιάζει περισσότερο στην πραγματική κατανομή της πυκνότητας ηλεκτρονίων στο μόριο.

Το CO παράγεται φυσικά από το ανθρώπινο σώμα ως μόριο μεταγωγής σήματος. Οι μεταβολικές του ανωμαλίες συνδέονται με μια ποικιλία ασθενειών όπως η υπέρταση και η καρδιακή ανεπάρκεια. Το CO βρίσκεται σε μικρές ποσότητες μέσα στην ατμόσφαιρα, συνολικά λόγω της καύσης ορυκτών καυσίμων και των πυρκαγιών. Μέσω βοτανικών τεχνικών μέσα στην ατμόσφαιρα, τελικά οξειδώνεται σε μίλια σε διοξείδιο του άνθρακα (CO2).

Διοξείδιο του άνθρακα

Το διοξείδιο του άνθρακα είναι φυσικά γραμμική ένωση που αποτελείται από δύο άτομα οξυγόνου συνδεδεμένα ομοιοπολικά με το άτομο άνθρακα. Οι δύο δεσμοί C =O είναι ισοδύναμοι και βραχείς (116,3 μ.μ.), οι οποίοι  αντιστοιχούν στον διπλό δεσμό. Αυτή η ένωση είναι κεντρικά συμμετρική, επομένως δεν υπάρχει καθαρό δίπολο. Το CO2 είναι άχρωμο. Έχει ερεθιστική όξινη οσμή σε υψηλές συγκεντρώσεις, αλλά είναι άοσμο σε χαμηλές συγκεντρώσεις. Σε τυπική θερμοκρασία και πίεση, η πυκνότητα είναι 1,98 kg / m3, η οποία είναι περίπου 1,5 φορές εκείνη του αέρα. Σε πιέσεις κάτω των 520 kPa, δεν βρίσκεται σε υγρή κατάσταση. Σε 1 atm, το αέριο εναποτίθεται απευθείας στο στερεό σε θερμοκρασίες κάτω των 78,5 ° C και το στερεό εξαχνώνεται απευθείας  πάνω από αυτήν τη θερμοκρασία. Το στερεό CO2 ονομάζεται ξηρός πάγος. Το άτομο άνθρακα στο κέντρο του διοξειδίου του άνθρακα συνδέεται με δύο άτομα οξυγόνου με διπλό δεσμό με γραμμική δομή. Δεδομένου ότι το μόριο είναι κεντρικά συμμετρικό, δεν υπάρχει καθαρή διπολική ροπή.

Το CO2 είναι το τελικό προϊόν του μεταβολισμού του οργανισμού μέσω της κυτταρικής διαδικασίας αναπνοής και η ενέργεια προέρχεται από τη διάσπαση σακχάρων, λιπών και αμινοξέων. Παρά το γεγονός ότι το ανθρώπινο σώμα παράγει περίπου 2,3 κιλά διοξειδίου του άνθρακα την ημέρα, θεωρείται τοξικό και επίπεδα έως και 10 τοις εκατό μπορεί να προκαλέσουν πνιγμό.

Συμπέρασμα

Όταν ένα στοιχείο υπάρχει σε πολλαπλές κρυσταλλικές μορφές, αυτές οι μορφές ονομάζονται αλλότροπα. Τα δύο πιο κοινά αλλότροπα του άνθρακα είναι το διαμάντι και ο γραφίτης. Η κρυσταλλική δομή του διαμαντιού είναι μια άπειρη τρισδιάστατη διάταξη ατόμων άνθρακα, που το καθένα σχηματίζει γωνία ίση με τον διπλανό δεσμό.

Τα οξείδια του άνθρακα αποτελούν σημαντικό συστατικό της ατμόσφαιρας και  αποτελούν μέρος του κύκλου του άνθρακα. Το διοξείδιο του άνθρακα παράγεται φυσικά από την αναπνοή και το μεταβολισμό και καταναλώνεται από τα φυτά μέσω της φωτοσύνθεσης.