W postaciach alotropowych z węgla, naturalnie występujących w stanie stałym na Ziemi amorficznego węgla i trzy krystaliczne formy , grafit , diament i lonsdaleit .
Inne zostały najpierw zsyntetyzowane, takie jak fulereny (w tym archetyp C 60), nanorurki węglowe , węgiel szklisty i nanopianka , ale później odkryto, że niewielkie ilości fulerenów i nanorurek tworzyły się naturalnie podczas niepełnych spalań.
Niektóre alotropy są nadal tylko domniemane (heksagonit) lub obserwowane tylko w przestrzeni (C2, C3, C5), a nawet tylko domniemane.
Formularz | Hybrydyzacja | Struktura | Istnienie |
---|---|---|---|
Grafit | sp 2 |
kryształ wymiarowy ułożony sześciokątny kryształ trygonalny (metastabilny) |
naturalny |
Grafen | sp 2 |
dwuwymiarowy sześciokątny kryształ |
naturalny (zmieszany z grafitem), syntetyczny (jednowarstwowy) |
Diament | sp 3 | kryształ sześcienny (czworościenny) | naturalny syntetyczny |
Lonsdalite („sześciokątny diament”) | sp 3 | trójwymiarowy sześciokątny kryształ | |
Fulleren (nanosfery węglowe) | sp 2 | grupa | syntetyczny |
Nanorurki i cebule węglowe , nanorurki, megatuby, pierścienie |
sp 2 (i sp 3 ?) | pojedyncza, podwójna lub wielościenna | syntetyczny |
Węgiel amorficzny .
Węgiel , sadza , sadza, hartowany węgiel ( „ utwardzony węgiel ” ) |
sp 2 -sp 3 | brak struktury krystalicznej
kruszywo krystaliczne |
naturalny
syntetyczny (Q-Carbon) |
Nanofoam ( mezoporowaty węgiel) |
sp 2 | grupa | syntetyczny |
Carbyne | sp | polimer liniowy | naturalny (prekursor sadzy)
syntetyczny (średniozaawansowany) |
Chaoite | sp? | polimer liniowy? | może w meteorytach |
Węgiel cząsteczkowy (C 2 , C 3 , C 5 ) |
? | cykliczny | syntetyczny |
Węgiel szklisty | sp 2 | syntetyczny | |
Węgiel metaloidalny | teoretyczny | ||
Heksagonit | sp-sp 2 | teoretyczny | |
Pryzmatyczny C 8 | grupa | teoretyczny |
Węgiel był znany głównie w dwóch formach, diamentu i grafitu, co do 1970 r. Tłumaczono rodzajem tworzących go wiązań węgiel-węgiel, odpowiednio sp2 i sp3. Niemniej jednak konieczne było rozważenie innych modeli strukturalnych, aby poprawnie wyjaśnić inne formy tworzone przez coraz bardziej zróżnicowane techniki i warunki (karbonizacja, grafityzacja, spalanie, aw szczególności za pomocą płomienia oksyacetylenowego, wyładowanie łuku elektrycznego).
Dzięki różnym właściwościom te nowe alotropy scharakteryzowano za pomocą mikroskopii elektronowej, spektroskopii, spektrografii rentgenowskiej i dyfrakcji (patrz przegląd historyczny Donnet 2009). Na przykład fulereny zostały zademonstrowane w laboratorium w 1985 roku, z którego musieliśmy rozpoznać i rozróżnić, poza płaszczyzną wiązań sp2 homologicznych do grafenu, globalną strukturę sferyczną.
Węgla amorficznego jest forma węgla, który nie ma żadnej struktury kryształu, lub wręcz który jest wysoce nieuporządkowanych (AC). Te bezpostaciowe formy węgla są mieszaniną trójwiązań podobnych do grafitu lub czterowiązań podobnych do diamentów. Występuje w tym, co zwykle określa się jako węgiel , sadza i sadza , które są sensu stricto , nie są alotropami, ale polikryształami w amorficznej matrycy .
Zobacz artykuł węgiel amorficzny .
Diament jest krystaliczną postacią węgla, w których atomy węgla są skoordynowane czterech innych wiązaniami sp3 tworząc regularną siatkę krystalograficzną. Diament istnieje w stanie naturalnym, ale jest również syntetyzowany różnymi metodami: technikami HP-HT ( wysokie ciśnienie, wysoka temperatura ), chemicznym osadzaniem z fazy gazowej i odparowaniem roztworu etanol-woda (metoda Tequila ). Stabilny pod wysokim ciśnieniem, ale metastabilny pod ciśnieniem atmosferycznym, diament bardzo powoli przekształca się w grafit w stanie ustalonym w warunkach panujących na powierzchni Ziemi; ta przemiana jest jednak zbyt powolna, aby można ją było zaobserwować.
Istnieje również diament o strukturze heksagonalnej, lonsdaléite . Ten znacznie rzadszy alotrop został odkryty w 1967 r. W kraterze meteorytu i zsyntetyzowany w tym samym roku, niezależnie, podczas eksperymentów przy wysokim ciśnieniu (13 G Pa ) i wysokiej temperaturze (> 1000 ° C).
Grafit jest stabilna krystaliczna postać węgla, w których atomy węgla są skoordynowane z trzema innymi wiązaniami sp2 w heksagonalnej płaszczyzny krystalograficznej 2% węgla są zaangażowane w sąsiednich płaszczyznach. Daleki od tego doskonałego stanu krystalicznego grafit może łączyć różne struktury, w tym warstwy struktury grafenu (arkusze: płaszczyzny o niepołączonej strukturze heksagonalnej), wolne atomy w płaszczyznach grafitowych oraz atomy śródmiąższowe wstawione między te płaszczyzny i nie tylko struktury amorficzne (patrz sadza).
Nanofoam lub węgla mezo porowata , otrzymuje się przez odparowanie grafitu w atmosferze obojętnej (argonu). Jest jedyną alotropową formą węgla o właściwościach magnetycznych.
Że fulereny są krystaliczna postać węgla, w których atomy węgla są skoordynowane czterech innych wiązaniami sp2 tworzących wydrążone sferyczne krystalicznej. Typowym kryształem jest Buckminsterfullerene (C 60) , ale zawiera od 40 do 540 atomów węgla (C 40, C 70C 540). Odkryte w 1985 roku w laboratorium, powstają w wyniku wyładowania łukiem elektrycznym, ale zidentyfikowano je również w sadzy przygotowanej przemysłowo metodą pieca. Krystaliczne kule tworzą agregaty (klastry). Istnieją również tzw. Struktury cebulowe (struktura typu fullerenowego, której ściana składa się z kilku warstw węgla).
Te nanorurki węglowe są pustymi cylindrycznymi krystaliczne postacie węgla (graphene zwiniętego arkusza). Istnieje:
Ich właściwości są wyjątkowe:
W latach 1970-1980 wytwarzano i opisywano różnorodne włókna węglowe (stosowane w materiałach kompozytowych ze względu na ich wytrzymałość mechaniczną w kierunku włókna), mniej lub bardziej czyste po obróbce termicznej i mechanicznej polimerów (poliakrylonitryl, celuloza ... ).
Najczystsze, które są określane ogólnym terminem karbyne , są otrzymywane przez grafityzację i mają niezwykłe właściwości oddzielania składników od fazy ciekłej lub gazowej lub reakcji katalitycznych, zaskakujące właściwości w porównaniu z węglem aktywnym o powierzchni specyficznej, ale bardzo lepszej. Ich podstawowa struktura jest liniowy łańcuch obojętnego węgla cząsteczkowej ( węgiel podstawiony i carbynes polimeru).
Chaoit lub biały węgiel , jest minerałem opisano w niektórych grafitowymi gnejsach ( wstrząsy skondensowane gnejsach grafit ) Ries krateru Bawarii, w meteorytów pozostaje kwestionowana. Tworzy kryształy o wielkości od 2 do 15 μm , śródmiąższowe w grafitowych lamelach, o odblaskowej barwie od szarej do białej, półmetalicznym połysku, nieprzezroczystej przezroczystości, nieco twardszej niż grafit ( Mohs : 1 do 2 ), o obliczonej gęstości 3,43. Jego struktura jest sześciokątna i diheksagonalna, a symetria jest dwupiramidowa. Jego profil dyfrakcji elektronów wygląda jak struktura węgla , ale zostało to zakwestionowane i przypisane zanieczyszczeniom.
Węgiel nie jest pierwiastkiem metalicznym (jest niemetalem ), niemniej jednak niektóre alotropy węgla (w szczególności grafit) mają właściwości zbliżone do metaloidów .
Opisano teoretyczny alotrop heksagonalnej postaci krystalicznej, nazwany heksagonitem (nie mylić z niekrzemianem, źle nazwanym heksagonitem ).
Zaproponowano inny teoretyczny alotrop o strukturze pryzmatycznej (przy 120 °), pryzmatyczny C 8 .
W prismanes nie allotropes, ale łańcuch węglowy (podobny do carbyne) podstawiony wodorem.
Chaoit jest wciąż kontrowersyjnym alotropem (patrz wyżej, z Carbyne).
Wykazano, że allotropy węgla molekularnego prostsze niż fulereny, pierścienie di-, tri- i penta-węglowe są obecne w kosmosie.