Apakah jenis alotropik karbon?

Ciri-ciri ringkas karbon

Karbon (C) ialah unsur yang dikelaskan sebagai bukan logam dengan nombor atom 6. Ini bermakna ia mempunyai enam proton dalam nukleus dan bilangan elektron yang sama dalam bentuk tidak terion. Walaupun ia agak jarang berlaku di kerak bumi, ia membentuk lebih banyak sebatian daripada mana-mana unsur lain . Ia adalah elemen utama semua organisma hidup; ia membina struktur protein, karbohidrat dan lemak. Ia hadir di atmosfera sebagai karbon dioksida (CO ₂ ), yang merupakan salah satu fasa kitaran karbon di alam semula jadi.

Apakah jenis karbon alotropik?

Struktur yang terdiri daripada atom karbon boleh mengambil banyak bentuk fizikal. Fenomena ini dirujuk sebagai jenis karbon alotropik . Alotropi adalah fenomena yang mempengaruhi sejumlah besar logam dan bukan logam. Ia berlaku apabila pelbagai jenis unsur tertentu hadir dalam keadaan fizikal yang sama, dan ia mempunyai sifat kimia dan fizikal yang berbeza . Mereka mungkin mempunyai struktur kristal atau molekul dan berbeza dalam bilangan atom dalam molekul. Varieti karbon alotropik yang paling terkenal yang terdapat di alam semula jadi ialah grafit dan berlian , sangat berbeza dalam warna, struktur dan kelembutan. Di samping itu, saintis berjaya mencipta berpuluh-puluh jenis lagi di bawah keadaan makmal.

Grafit – mineral serba boleh

Bukan kebetulan bahawa grafit yang biasanya dikaitkan dengan pensel adalah mineral lembut, hitam kelabu , berminyak dan kotor apabila disentuh. Ia juga merupakan pengalir elektrik dan haba yang sangat baik, ia tidak larut dalam air dan mempunyai sifat pelincir. Ia berlaku dalam dua jenis struktur: heksagon dan trigonal, dan atomnya disambungkan bersama dalam rangkaian satah selari. Sama seperti alotrop karbon yang lain , grafit tahan terhadap suhu tinggi. Ia digunakan untuk pengeluaran elektrod dan mangkuk pijar, kapal kalis api dan batu bata refraktori. Di samping itu, ia digunakan dalam pengeluaran pelincir, cat anti-menghakis dan agen penggilap. Grafit berlaku di alam semula jadi dalam batuan metamorf seperti grafit schist dan crystalline schist. Pada masa kini, pengeluar terbesarnya ialah China. Untuk tujuan komersial, grafit diperoleh melalui pirolisis antrasit dalam atmosfera nitrogen.

Berlian – batu permata yang paling berharga

Sukar untuk mencari dua alotrop karbon yang lebih berbeza daripada berlian dan grafit. Berlian adalah mineral paling sukar di dunia, diberi nilai 10 pada skala Mohs 10 mata. Ia berlaku sebagai kristal oktahedral atau heksahedral dengan kilauan tinggi dan ketelusan separa. Berlian yang paling berharga tidak berwarna , tetapi disebabkan pencemaran, ia juga boleh bertukar menjadi kuning, merah jambu, biru atau coklat. Mereka tidak mengalirkan elektrik tetapi merupakan pengalir haba yang baik. Walaupun permukaannya hanya boleh dicakar oleh berlian lain, ia agak rapuh. Berlian asli berlaku terutamanya dalam kimberlit primer dan mendapan serbuk yang terbentuk melalui translokasi. Batu kualiti tertinggi digunakan terutamanya dalam barang kemas. Selepas penggilap yang sesuai mereka dipanggil berlian dan mencapai harga yang memeningkan di pasaran antarabangsa. Berlian berkualiti rendah dan kristal terbitan sintetik juga merupakan bahan mentah industri yang penting. Oleh kerana kekerasannya, ia digunakan dalam pengeluaran bilah, gerudi dan pelelas. Berlian juga digunakan untuk menghasilkan elemen peralatan perubatan dan saintifik, penguji kekerasan dan pes pengalir haba.

Fullerene, iaitu alotrop karbon hitam

Secara semula jadi, fullerene juga boleh didapati dalam kuantiti yang lebih kecil. Ia adalah pepejal lut cahaya coklat atau hitam dengan kilauan logam. Molekul mereka terdiri daripada jumlah atom karbon yang lebih besar – daripada 28 hingga 1,500. Varieti karbon alotropik yang agak baru ditemui ini terdiri daripada banyak struktur yang berbeza. Zarah sfera C60 membentuk kristal, juga dikenali sebagai "buckyball", dianggap paling tahan lama. Di samping itu, fullerene juga boleh mengambil bentuk berbilang lapisan (yang dipanggil nanobubbles ) atau silinder (yang dipanggil nanotubes ). Fullerene mempunyai aktiviti kimia yang rendah dan tidak larut dalam air. Mereka mempunyai sifat semikonduktor dan superkonduktor. Akibatnya, ia digunakan secara meluas dalam industri elektronik, optik, bioperubatan dan nanoteknologi. Potensi antioksidan dan farmakologi mereka patut diberi perhatian khusus. Oleh kerana struktur dan biokompatibiliti mereka, mereka boleh bertindak sebagai pembawa dadah. Fullerene terutamanya diperoleh daripada karbon hitam. Untuk tujuan ini, beberapa pelarut digunakan yang membolehkan pemisahan jenis molekul tertentu. Sebagai alternatif, ia boleh didapati daripada alotrop karbon lain – grafit yang dihujani dengan pancaran laser dalam vakum.

Grafena – karbon dua dimensi

Salah satu alotrop karbon terbaharu yang ditemui ialah graphene . Ia adalah struktur rata yang diperbuat daripada atom karbon tunggal yang disusun dalam bentuk sarang lebah. Oleh kerana ia adalah satu atom tebal, ia secara konvensional dianggap sebagai bahan dua dimensi. Graphene ialah konduktor haba dan elektrik yang sangat baik. Kelebihan terbesarnya juga termasuk ketelusan dan halaju aliran elektron yang sangat tinggi – malah lebih tinggi daripada silikon. Selain itu, graphene sangat keras dan tahan terhadap regangan. Sifat ini bermakna graphene boleh menggantikan silikon dalam industri elektronik . Aplikasi semasa dan akan datang termasuk pengeluaran transistor berkelajuan tinggi, paparan skrin sentuh boleh gulung dan modul fotovoltaik dengan bateri untuk simpanan tenaga. Begitu juga dengan alotrop karbon lain, graphene boleh digunakan sebagai pembawa untuk ubat-ubatan, bahan mentah untuk kejuruteraan tisu, dan juga sebagai agen dalam terapi onkologi. Graphene boleh didapati dalam pelbagai cara. Pada masa kini, yang paling banyak digunakan ialah pemendapan wap kimia (CVD) dan penguraian haba silikon karbida. Kaedah asal menanggalkan lapisan atom karbon dengan penggunaan pita pelekat juga kadangkala digunakan untuk tujuan makmal.

Siklokarbon

Varieti karbon alotropik yang lebih baru daripada graphene dipanggil siklokarbon . Ia membentuk cincin yang diperbuat daripada 18 atom karbon. Terdapat ikatan tunggal dan rangkap tiga berselang-seli di antara mereka. Seperti graphene, siklokarbon hanya setebal satu atom. Walau bagaimanapun, anggaran pertama menunjukkan bahawa ia adalah semikonduktor. Sifat-sifatnya yang lain masih tidak diketahui. Menurut saintis, adalah mungkin untuk mencipta siklokarbon dengan bilangan atom yang berbeza dalam cincin. Kegunaan potensi mereka termasuk pengecilan peranti elektronik .

Varieti karbon alotropik lain

Karbon, walaupun biasa, kekal sebagai salah satu unsur yang paling menarik. Penyelidikan masih dijalankan untuk memanfaatkan sifatnya dengan lebih baik. Jenis alotropik karbon kelihatan sangat menjanjikan dalam hal ini. Satu polimer yang menarik, setakat ini kekal dalam sfera pertimbangan hipotesis, ialah karbin . Nama ini merujuk kepada rantai yang diperbuat daripada atom karbon dengan potensi kekuatan 40 kali lebih besar daripada berlian. Walau bagaimanapun, bahan ini sangat tidak stabil sehingga setakat ini, ia hanya dihasilkan di dalam tiub nano. Satu lagi variasi alotropik karbon yang menjanjikan ialah apa yang dipanggil Q-karbon . Ia mempunyai struktur tiga dimensi di mana atom karbon membentuk tiga ligan. Kemungkinan aplikasinya termasuk menambah baik storan tenaga dalam bateri litium. Di samping itu, kita juga tahu karbon nano-buih , struktur kristal berliang dengan sifat magnetik. Karbon hitam juga merupakan pelbagai alotropik amorfus khusus karbon. Masa depan akan menunjukkan bagaimana ini dan struktur karbon unik lain akan digunakan. Terdapat banyak unsur di dunia, jadi perkembangan teknologi tidak seharusnya mengancam kestabilan sumber atau persekitaran semula jadi. Malah, terdapat peluang yang baik bahawa jenis alotropik karbon akan membantu mengurus tenaga dengan lebih baik dan menambah baik banyak proses perindustrian.