Υβριδισμός Γραφίτη

Ο άνθρακας έχει διαφορετικά αλλότροπα, όπως ο γραφίτης και το διαμάντι. Ο γραφίτης είναι μαλακός, αδιαφανής και μπορεί να μεταφέρει ηλεκτρισμό. Από την άλλη πλευρά, το διαμάντι είναι σκληρό, διαφανές και δεν μπορεί να μεταφέρει ηλεκτρισμό. Και οι δύο είναι καθαρός άνθρακας, αλλά παρόλα αυτά, έχουν διαφορετικές ιδιότητες. Είναι λόγω της διάταξης των ατόμων άνθρακα στο μόριο. Η διαδικασία υβριδισμού του άνθρακα σχηματίζει γραφίτη. Ο υβριδισμός είναι όταν δύο ή περισσότερα ατομικά τροχιακά συνδυάζονται για να σχηματίσουν ένα νέο υβριδοποιημένο τροχιακό. Ο γραφίτης έχει στρώματα ατόμων άνθρακα που ενώνονται σε εξαμελείς εξαγωνικούς δακτυλίους. Τα άτομα άνθρακα υφίστανται υβριδισμό sp² για να σχηματίσουν γραφίτη.

Ο υβριδισμός του γραφίτη

Τα άτομα άνθρακα υφίστανται υβριδισμό sp2 για να σχηματίσουν γραφίτη. Στον υβριδισμό sp², ένα s τροχιακό και δύο τροχιακά p συνδυάζονται για να σχηματίσουν τρία τροχιακά sp². Ο άνθρακας έχει μια γενική ηλεκτρονική διαμόρφωση (1s2, 2s2, 2p2) διαδίδοντας έτσι τα τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους στα τροχιακά s και p.

•  Αυτά τα πρόσφατα σχηματισμένα τροχιακά συνδέουν κάθε άτομο άνθρακα με τα άλλα τρία άτομα μέσω ενός ομοιοπολικού δεσμού.
• Η δομή που δημιουργείται από αυτά τα άτομα είναι μια τριγωνική επίπεδη γεωμετρία και ο δεσμός C-C-C που σχηματίζεται έχει γωνία 120°.
•  Τα υβριδοποιημένα άτομα άνθρακα που σχηματίζονται με αυτόν τον τρόπο ενώνονται σε πολλά στρώματα και σε αυτά τα στρώματα είναι διατεταγμένα σε εξαγωνική διάταξη.

Ο γραφίτης έχει διαφορετικές ιδιότητες καθώς τα στρώματα έχουν ασθενή δύναμη μεταξύ τους. Αυτή η ασθενής δύναμη θα μπορούσε να είναι ο λόγος που ο γραφίτης είναι εξαιρετικά ανισότροπος, με μηχανικές, ηλεκτρικές και θερμικές ιδιότητες που είναι πολύ διαφορετικές μεταξύ των κατευθύνσεων εντός και εκτός επιπέδου.

Μοριακή Γεωμετρία του Γραφίτη

Όπως γνωρίζουμε, ο υβριδισμός του γραφίτη είναι ένας υβριδισμός sp². Η δομή του γραφίτη είναι τριγωνική επίπεδη και τα άτομα έχουν γωνία δεσμού 120° μεταξύ τους.

• Ο γραφίτης έχει στρώματα άνθρακα διατεταγμένα σε εξαγωνικούς δακτυλίους μαζί με έξι μέλη. Αυτοί οι εξαγωνικοί δακτύλιοι συνδέονται στις άκρες τους.
• Μια ατελείωτη ακολουθία συντηγμένων δακτυλίων βενζολίου θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή στρωμάτων συνδεδεμένων δακτυλίων.
•  Τα άτομα άνθρακα που είναι διατεταγμένα σε αυτούς τους δακτυλίους βρίσκονται σε υβριδοποιημένη κατάσταση sp².
• Κάθε άτομο άνθρακα συνδέεται με άλλα άτομα άνθρακα σε αυτόν τον τύπο μοριακού τροχιακού μοντέλου.

Τα στρώματα γραφενίου είναι μοναδικά φύλλα ατόμων άνθρακα και οι συστοιχίες δακτυλίων είναι οργανωμένες σε μεγάλα φύλλα.

•  Θα μπορούσε επίσης να σημαίνει ότι τα φύλλα άνθρακα είναι πολύ ισχυρά συνδεδεμένα. Ωστόσο, αυτά τα φύλλα αλληλεπιδρούν ασθενώς μεταξύ τους.
• Τα φύλλα δεν συνδέονται μέσω ομοιοπολικών δεσμών. τα άτομά τους αλληλεπιδρούν μέσω δυνάμεων διασποράς του Λονδίνου.
• Τα στρώματα γραφενίου τοποθετούνται το ένα πάνω στο άλλο παράλληλα με τον κρυσταλλογραφικό άξονα "C" του εξαγωνικού συστήματος 4 αξόνων όπου κρυσταλλώνεται ο γραφίτης.

Τα άτομα άνθρακα είναι ικανά να σχηματίζουν σφαιρικά μόρια που είναι γνωστά ως buckminsterfullerenes. Ωστόσο, εγείρει επίσης το ερώτημα γιατί δεν υπάρχουν ομοιοπολικοί δεσμοί μεταξύ των φύλλων γραφίτη;

• Το διαμάντι έχει τρισδιάστατο δεσμό, αλλά ο γραφίτης και το γραφένιο έχουν δισδιάστατους δεσμούς.
• Όπως γνωρίζουμε, για να σχηματιστούν τέσσερις δεσμοί συνδεδεμένοι σε κάθε άτομο άνθρακα, απαιτείται να υβριδιστούν τέσσερα ατομικά τροχιακά.
• Μπορεί να πιστεύουμε ότι χρειάζονται μόνο τρεις δεσμοί στον γραφίτη, καθώς κάθε άνθρακας συνδέεται με τρεις άλλους, κάτι που δεν είναι απολύτως αληθές.

Υβριδισμός διαμαντιού

Το διαμάντι σχηματίζεται ως αποτέλεσμα του υβριδισμού sp3. Εδώ, ένα s τροχιακό και τρία τροχιακά p αναμειγνύονται για να σχηματίσουν τέσσερα τροχιακά sp3.

•  Ο υβριδισμός Sp3 είναι τετραεδρικός υβριδισμός.
•  Αυτά τα τροχιακά σχηματίζουν γωνία 109,28 μοιρών.
•  Τα άτομα άνθρακα συνδέονται μέσω ενός ισχυρού ομοιοπολικού δεσμού.
•  Κάθε άτομο άνθρακα συνδέεται με τα άλλα τέσσερα γειτονικά άτομα σε ένα διαμάντι.
• Κάθε ένα από αυτά τα άτομα συνδέεται μαζί με τα άλλα τέσσερα γειτονικά τους άτομα.
• Έτσι, σχηματίζεται μια σκληρή τρισδιάστατη δομή, η οποία δίνει στο διαμάντι τη σκληρότητά του.

Συμπέρασμα

Ο γραφίτης είναι ένα από τα διαφορετικά αλλότροπα του άνθρακα. Τα αλλότροπα είναι διάφορες μορφές του ίδιου στοιχείου, αλλά έχουν άλλες ιδιότητες. Ο γραφίτης είναι μαλακός, αδιαφανής, μαύρος ή γκρίζος και μπορεί να μεταφέρει ηλεκτρισμό. Ωστόσο, το διαμάντι είναι επίσης ένα αλλοτρόπιο του άνθρακα, αλλά οι ιδιότητές του διαφέρουν εντελώς από τον γραφίτη. Ο υβριδισμός του γραφίτη είναι ένας υβριδισμός sp² με γωνία δεσμού 120°, ενώ στο διαμάντι, είναι υβριδισμός sp3 με γωνία δεσμού 109,28 μοιρών. Επίσης, τα άτομα άνθρακα στα διαμάντια έχουν τρισδιάστατο δίκτυο, ενώ στον γραφίτη, είναι δισδιάστατο. Αυτοί οι δεσμοί δίνουν σε ένα διαμάντι τη σκληρότητά του και κάνουν τον γραφίτη ένα μαλακό υλικό.