11.5 Carbon

Grafit adalah hasil modifikasi dari karbon yang stabil pada kondisi normal. Grafit memiliki struktur yang terdiri dari lapisan planar (Gbr. 11.12). Dalam setiao lapisan atom C terikat secara kovalen dengan tiga atom C lainnya. Setiap atom memberikan satu p orbital dan satu elektron untuk mendelokalisasi sistem ikatan π pada lapisan. Ini merupakan setengah penuh Band, sehingga kita memiliki logam dengan keadaan konduktivitas listrik dua dimensi. Antara tiap lapisan lemah terdapat gaya tarik VAN der Waals. Ikatan-ikatan dalam lapisan memiliki panjang 142 pm dan jarak dari lapisan ke lapisan adalah 335 pm. Konduktivitas listrik tinggi karena sejajar dengan lapisan, dan tidak jika tegak lurus terhadap mereka. Lapisan ditumpuk secara bergiliran; setengah dari atom satu lapisan yang terletak persis di atas atom dari lapisan bawah, dan setengah lainnya yang terletak di atas pusat cincin (Gbr. 11.12). Tiga posisi lapisan yang mungkin, A, B dan C. Urutan susun di normal (heksagonal) grafit ABAB . . . , tapi sering lapisan urutan kurang lebih statistik ditemukan, di mana daerah urutan mendominasi ABAB . . . dipisahkan oleh daerah dengan urutan ABC. Hal ini disebut gangguan satu dimensi, yaitu dalam lapisan atom yang diperintahkan, tapi ke arah stacking urutan periodik hilang.

Grafit membentuk senyawa interkalasi dengan logam alkali. Mereka memiliki komposisi seperti LiC6, LiC12, LiC18 atau KC8, KC24, KC36, KC48. Tergantung pada kandungan logam mereka memiliki warna membentang dari kilau emas menjadi hitam. Mereka adalah konduktor listrik yang lebih baik daripada grafit. Ion-ion logam alkali yang diselingi antara setiap pasangan lapisan grafit di KC8 (interkalasi tahap pertama), antara setiap pasangan lain di KC24 (tahap kedua), dll (Gambar. 11.13). Atom-atom logam menyerahkan elektron valensi mereka ke pita valensi grafit. Kemungkinan interkalasi elektrokimia reversibel Li+ ion ke grafit dalam jumlah yang bervariasi yang mengambil keuntungan dari dalam elektroda baterai lithium ion.

Gambar 11.12

Struktur Grafit (bentuk stereo)

Yang berbeda jenis senyawa interkalasi adalah orang-orang dengan klorida logam MCln (M = hampir semua logam, n = 2-6) dan beberapa fluorida dan bromida. Lapisan halida diselingi memiliki struktur yang pada dasarnya sesuai dengan struktur dalam senyawa murni; misalnya, lapisan FeCl3 diselingi memiliki struktur yang sama seperti pada murni FeCl3, seperti yang ditunjukkan di sampul depan.

Karbon dalam berbagai bentuknya seperti pit-batu bara, kokas, arang, jelaga dll, pada prinsipnya grafit-seperti, tapi dengan tingkat yang rendah pemesanan. Hal ini dapat mikrokristalin atau amorf; OH kelompok dan kelompok atom mungkin lain terikat di tepi fragmen lapisan grafit. Banyak spesies karbon memiliki banyak pori-pori dan karena itu memiliki permukaan bagian besar; untuk alasan ini mereka dapat menyerap sejumlah besar bahan lain dan bertindak sebagai katalis. Dalam hal ini kristal grafit kurang aktif. Serat karbon yang bisa dibuat, misalnya dengan pirolisis serat poliakrilonitril, terdiri dari lapisan grafit yang paralel berorientasi ke arah serat.

Fullerene modifikasi karbon yang terdiri dari molekul kandang-seperti. mereka dapat diperoleh dengan menyiapkan busur listrik antara dua elektroda grafit dalam suasana yang terkendali helium dan kondensasi karbon menguap, dan kemudian rekristalisasi itu dari larutan benzena magenta berwarna. Produk utama adalah C60 fullerene, disebut buckminsterfullerene. The C60 molekul memiliki bentuk bola sepak, yang terdiri dari 12 pentagons dan 20 benzene seperti segi enam (Gambar. 11,14). Kedua dalam hasil dari persiapan ini adalah C70, yang memiliki 12 pentagons dan 25 segi enam dan bentuk mengingatkan kacang. Kandang dengan ukuran lainnya juga dapat diproduksi, tetapi mereka kurang stabil (mereka mungkin memiliki bahkan jumlah atom C, mulai dari C32). Independen ukurannya, molekul fullerene selalu memiliki dua belas pentagons. Dalam kristal C60 molekul memiliki pengaturan kubik berpusat muka, yaitu mereka yang dikemas seperti dalam paling dekat-packing kubik bola; karena mereka hampir bulat, molekul berputar dalam kristal. Kristal yang lembut seperti grafit. Serupa dengan senyawa interkalasi grafit, atom kalium dapat tertutup; mereka menempati rongga antara bola C60. Dengan semua rongga diduduki

Gbr. 11.13

Kiri: penataan K+ ion relatif terhadap lapisan grafit yang berdekatan di KC8; di KC24

lapisan ion K+ hanya berisi duapertiga banyak ion, mereka teratur dan sangat reaktif.

Kanan: susun urutan lapisan grafit dan ion K+ di KC8 dan KC24

(celah tetrahedral dan oktahedral jika bola C60 diambil bola sebagai terdekat dikemas), komposisi adalah K3C60. Senyawa ini memiliki sifat logam dan menjadi superkonduktor ketika didinginkan di bawah 18 K. Bahkan lebih kalium dapat diselingi; di K6C60 molekul C60

memiliki kemasan kubus berpusat badan.

Karbon nanotube dapat dibuat dari grafit dalam busur listrik atau dengan ablasi laser. Tabung ini kusut. Pirolisis katalis hidrokarbon gas pada suhu 700-1100 AEC adalah metode untuk menghasilkan array memerintahkan nanotube karbon pada bahan pembawa yang sesuai. Misalnya, nanotube dengan diameter 1,4 nm diperoleh dengan pirolisis asetilena dengan adanya ferrocene pada 1100 AEC berdinding tunggal; pirolisis benzene di hadapan Fe(CO)5 menghasilkan nanotube berdinding multi. Nanotube terdiri dari lapisan grafit membungkuk seperti; mereka dapat selama 0,1 mm (Gambar. 11.15). Sebagai aturan, tabung ditutup di ujungnya dengan setengah bola fullerene; topi ini dapat dihilangkan dengan USG dalam suspensi asam kuat. Cincin beranggota enam dapat memiliki orientasi yang berbeda relatif terhadap sumbu tabung (Gambar 11.15.); ini memiliki pengaruh pada konduktivitas listrik. Nanotube berlapis-lapis terdiri dari tabung diatur konsentris sekitar satu sama lain. Struktur berlian, silikon, germanium, dan timah dibahas dalam Bab 12.

Boron adalah sebagai biasa dalam strukturnya seperti di perilaku kimianya. Enam belas modifikasi boron telah dijelaskan, namun sebagian besar dari mereka belum ditandai dengan baik. Banyak sampel diasumsikan telah hanya terdiri dari boron yang mungkin boron yang kaya borida (banyak yang diketahui, misalnya YB66). Struktur dibentuk adalah bahwa dari rhombohedral α-B12 (nomor subscript menunjuk jumlah atom per sel satuan). Struktur kristal dari tiga bentuk lain yang diketahui, tetragonal α-B50, rhombohedral β-B105 dan rhombohedral β-B~320, tapi borida mungkin boron kaya dipelajari. α-B50 harus dirumuskan B48X2. Ini terdiri dari B12 icosahedra yang dihubungkan oleh atom X dikoordinasikan tetrahedrally. Atom ini mungkin C atau N atom (B, C dan N hampir tidak dapat dibedakan dengan difraksi sinar-X). Unit bangunan yang luar biasa dalam semua modifikasi boron yang telah dijelaskan adalah

Icosahedron B12, yang juga hadir dalam anionik Closo-borana B12H122 . Dua belas atom dari

sebuah Icosahedron yang diselenggarakan bersama oleh ikatan multicenter; menurut teori MO, 13 orbital ikatan ditempati oleh 26 elektron harus hadir; 10 elektron valensi yang tersisa.

Dalam B12H 122 ion 14 elektron tambahan yang hadir (12 dari atom H, 2 dari muatan ionik),

yang berjumlah total 24 elektron atau 12 pasangan elektron; ini digunakan untuk 12 kovalen B-H obligasi yang berorientasi radial keluar dari icosahedron. Dalam unsur boron yang icosahedra B12 dihubungkan satu sama lain dengan ikatan radial seperti itu, tapi untuk 12 obligasi hanya 10 elektron valensi yang tersedia; Oleh karena itu, tidak semua dari mereka bisa normal dua-pusat dua-elektron bonds.In α-B12 icosahedra yang disusun seperti dalam paling dekat-packing kubik bola (Gambar.11.16). Dalam satu lapisan icosahedra setiap Icosahedron dikelilingi oleh enam icosahedra lain yang dihubungkan oleh tiga pusat obligasi

dua elektron. Setiap atom boron yang terlibat memberikan kontribusi rata-rata 23

elektron

untuk obligasi ini, yang berjumlah 23

.6 = 4 elektron per ikosahedron. Setiap Icosahedron

dikelilingi oleh enam tambahan icosahedra dari dua lapisan yang berdekatan, untuk yang

terikat oleh ikatan B-B normal; ini membutuhkan 6 elektron per ikosahedron. Secara total, ini menambahkan sampai persis dengan yang disebutkan di atas 10 elektron untuk obligasi antar-Icosahedron.