Μοριακή γεωμετρία και γωνίες δεσμών γραφίτη

Ο γραφίτης είναι ένα αλλοτρόπο του άνθρακα. Η μοριακή γεωμετρία του γραφίτη είναι ενδιαφέρον να μελετηθεί καθώς αποδίδει διάφορες μοναδικές ιδιότητες στον γραφίτη. Είναι μια κρυσταλλική μορφή άνθρακα και τα μόριά του είναι διατεταγμένα σε στρώματα. Αυτά τα στρώματα αποτελούνται από εξαγωνικούς δακτυλίους ατόμων άνθρακα. Ο γραφίτης είναι η πιο σταθερή μορφή άνθρακα και εμφανίζεται φυσικά σε αυτή τη μορφή. Λόγω της μοριακής γεωμετρίας του γραφίτη, είναι πολύ καλός αγωγός του ηλεκτρισμού και χρησιμοποιείται σε ηλεκτρονικά προϊόντα όπως ηλεκτρόδια, μπαταρίες, ακόμη και ηλιακούς συλλέκτες.

Τύποι γραφίτη

Πολλά μεταλλεύματα γραφίτη βρίσκονται στη φύση. Οι παρακάτω είναι οι τύποι μεταλλευμάτων γραφίτη:

1. Άμορφος γραφίτης:Αυτό το είδος γραφίτη μοιάζει με νιφάδες και μοιάζει με λεπτή σκόνη.
2. Πυρολυτικός γραφίτης υψηλής παραγγελίας:Σε αυτό το είδος γραφίτη, η γωνιακή εξάπλωση μεταξύ των φύλλων είναι μικρότερη από μία μοίρα.
3. Ίνες γραφίτη:Μερικές φορές οι ίνες άνθρακα ή τα ενισχυμένα με άνθρακα πολυμερή είναι γνωστά ως ίνες γραφίτη.
4. Κόγκος γραφίτης:Αυτό το είδος γραφίτη εμφανίζεται συνήθως σε φλέβες και είναι επίσης γνωστό ως γραφίτης σχισμής. Βρίσκεται ως τεράστιες εμφυτεύσεις πλακών από βελονοειδή κρυσταλλικά συσσωματώματα. Κατά πάσα πιθανότητα, αυτό το είδος γραφίτη είναι υδροθερμικής προέλευσης.
5. Κρυσταλλικός γραφίτης:Αυτό το είδος γραφίτη εμφανίζεται ως μικρές νιφάδες. Αν είναι αδιάσπαστο, οι άκρες του είναι εξαγωνικές και γίνονται ακανόνιστες όταν σπάσουν.

Μοριακή γεωμετρία γραφίτη

Η δομή του γραφίτη αποτελείται από στρώματα ατόμων άνθρακα που είναι διατεταγμένα σε εξαγωνικούς δακτυλίους. Κάθε εξαγωνικός δακτύλιος αποτελείται από έξι άτομα άνθρακα. Τα στρώματα σχηματίζονται από τους δακτυλίους που ενώνονται μεταξύ τους στις άκρες. Αυτά μπορούν να απεικονιστούν ως συστοιχίες δακτυλίων βενζολίου χωρίς τα άτομα υδρογόνου. Αυτά τα άτομα άνθρακα στα στρώματα του γραφίτη βρίσκονται σε υβριδοποιημένη κατάσταση sp2. Σύμφωνα με το μοντέλο μοριακού τροχιακού sp2, ένα άτομο άνθρακα συνδέεται με τρία ακόμη άτομα άνθρακα. Αυτά τα άτομα άνθρακα συνδέονται υπό γωνία 120°. Αυτοί οι δακτύλιοι είναι διατεταγμένοι σε μεγάλα φύλλα και κάθε φύλλο είναι γνωστό ως στρώμα γραφενίου. Το μήκος δεσμού ενός δεσμού άνθρακα-άνθρακα σε ένα στρώμα είναι 1,418. Ο γραφίτης κρυσταλλώνεται σε σύστημα αξόνων a4 και τα στρώματα διατάσσονται σε διάταξη κρυσταλλογραφικού άξονα «C». Η σημασία της μοριακής γεωμετρίας του γραφίτη και των γωνιών δεσμών γίνεται εμφανής στην κρυσταλλική δομή του γραφίτη. Ο γραφίτης έχει κρυσταλλική δομή λόγω της ανάπτυξης και των επαναλήψεων μιας τρισδιάστατης τάξης ατόμων και των στρωμάτων τους σε όλη τη δομή του. Αυτό είναι δυνατό επειδή κάθε επίπεδο είναι "ευρετηριασμένο". Αυτό γίνεται με τον ακόλουθο τρόπο:

Κάθε επίπεδο ευθυγραμμίζεται με τα επίπεδα πάνω και κάτω από αυτό με συγκεκριμένο τρόπο.

Αυτή η ευθυγράμμιση ευθυγραμμίζεται με τρόπο που κάθε δεύτερο στρώμα επαναλαμβάνει αυτό το σύστημα διάταξης.

Αυτό σημαίνει ότι τα άτομα άνθρακα του πρώτου στρώματος είναι διατεταγμένα σε ευθυγράμμιση με αυτά του τρίτου στρώματος και τα άτομα άνθρακα του δεύτερου στρώματος είναι σε ευθυγράμμιση με αυτά του τέταρτου στρώματος.

Η sp2-υβριδοποιημένη κατάσταση

Η υβριδοποιημένη κατάσταση sp2 στην οποία υπάρχουν τα άτομα άνθρακα καθιστά δυνατά δύο είδη συστατικών σύνδεσης - το συστατικό sigma και το pi. Το συστατικό συγκόλλησης sigma είναι ένα από τα ισχυρότερα στοιχεία συγκόλλησης που είναι δυνατά σε μια δισδιάστατη δομή. Αντιπροσωπεύει την αντοχή των ινών άνθρακα και των νανοσωλήνων άνθρακα. Το συστατικό σίγμα της σύνδεσης είναι εξαιρετικά ισχυρό ακόμη και μέσα στα στρώματα γραφενίου. Είναι σκληρός δεσμός και είναι παρόμοιος με την υβριδοποιημένη με sp3 κατάσταση των διαμαντιών.

Ο σκληρός δεσμός του συστατικού δέσμευσης sigma δεν προσφέρει καμία αντοχή στη σύνδεση μεταξύ των στρωμάτων γραφενίου. Έτσι, ο δεσμός σίγμα δεν συνδέει τα στρώματα μεταξύ τους προς την ανοδική κατεύθυνση ή την κατεύθυνση «c». Αυτά τα στρώματα απαιτούν οποιαδήποτε υποστήριξη για τη διατήρηση της ευθυγράμμισης και μια απόσταση σταθεροποίησης. Αυτό παρέχεται από το εξάρτημα σύνδεσης pi. Τα τροχιακά pi του δικτύου sp2 των ατόμων άνθρακα επικαλύπτονται μεταξύ τους μέσα στα φύλλα γραφενίου. Αυτή η επικάλυψη προκαλεί το σχηματισμό αδύναμων ηλεκτρικών δεσμών μεταξύ των ατόμων άνθρακα των παρακείμενων φύλλων γραφενίου.

Συμπέρασμα

Η μοριακή γεωμετρία του γραφίτη εξηγεί τις διάφορες ιδιότητες του γραφίτη. Ευθύνεται και για τη μοναδικότητά του. Η σημασία της μοριακής γεωμετρίας του γραφίτη και των γωνιών δεσμού είναι εμφανής στον αριθμό των τρόπων που επηρεάζει τη φύση της ουσίας. Επομένως, η μελέτη του καθίσταται απαραίτητη.