موضوع تحقیق : کربن
نام درس: شیمی
نام دبیر: خانم رجب زاده
گردآورنده: معصومه کفشگر
بهار 93
فهرست………………………………………………………………………………………………………………………………شماره صفحه
کربن…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………4
اشکال کربن………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………6
تولید کربن………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..6
کاربردها……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………7
پیشینه ها………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….8
نمودار فازی کربن……………………………………………………………………………………………………………………………………………………..9
ترکیبات غیرآلی کربن…………………………………………………………………………………………………………………………………………….11
زنجیره کربن…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….12
چرخه کربن……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..12
ویژگی های قابل توجه کربن…………………………………………………………………………………………………………………………………….16
تاریخچه……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………17
معرفی انواع صورت های کربن2………………………………………………………………………………………………………………………………18
کربن شیشه ای…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………19
کربن سیاه………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..22
کربن های متخلخل…………………………………………………………………………………………………………………………………………………..23
کربن فعال شده…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………27
کربن مایع…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………27
هیبریدهای اتم کربن و پیوند کووالانسی……………………………………………………………………………………………………………………29
نتیجه گیری……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….37
منابع………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….38
کربن
کربن (C) را می توان یک عنصر استثنائی در جدول تناوبی دانست. شیمی گسترده ترکیبات کربنی تا به آن حد است که یکی از گرایش های رشته شیمی با عنوان شیمی آلی (Organic Chemistry) به طور کامل به بررسی ترکیبات این عنصر از جدول تناوبی می پردازد. پیوند کوالانسی هر اتم کربن با انواع دیگر اتم ها یا اتم های کربن دیگر، ساختارهای نامحدود و بسیار متنوع را ایجاد می نماید. از جهت دیگر بسیاری از ترکیباتی که در طبیعت طی روش های طبیعی سنتز ساخته می شوند نیز از خانواده ترکیبات آلی (کربنی) اند. گستره وسیعی از ترکیبات شامل ترکیبات متنوع نفتی تا مواد دارویی و بسپارهای آلی (Polymers) زیر مجموعه ترکیبات کربن قرار می گیرند. در نانوفناوری نیز، ترکیبات کربنی دسته مهم و مشخصی را به خود اختصاص می دهند که با عنوان نانوساختارهای کربنی (Carbon Nanostructures) خوانده می شوند. نانوساختارهای کربنی خصوصیات فیزیکی-شیمیایی منحصر به فردی از خود نشان می دهند و نقش گسترده ای در زمینه فناوری های نوین و پیشرفته دارند. مطالعه شیمی پایه ترکیبات کربنی (شیمی آلی) می تواند راهگشای درک بسیاری از خصوصیات نانوساختارهای کربنی و همچنین اصلاح (Modification) ساختاری آنان باشد.
دو ایزوتوپ (Isotope) عمده کربن شامل 12C و 13C می باشد که به صورت طبیعی وجود ندارد. 14C ناپایدار است و جزء ترکیبات رادیواکتیو محسوب می شود. 13C در مقایسه با 12C فراوانی بسیار کمتری دارد اما یک هسته فعال در طیف سنجی تشدید مغناطیسی هسته (Nuclear Magnetic Resonance-NMR) محسوب می شود. 13CNMR یک تکنیک بسیار خوب و دقیق در بررسی ساختار مولکولی است.
کربن عنصری شیمیائی در جدول تناوبی با نشان C و عدد اتمی ۶ است. کربن عنصری غیر فلزی و فراوان، چهارظرفیتی و دارای چندین دگرشکل می باشد، از جمله:
* الماس، سخت ترین کانی شناخته شده و دارای بالاترین سرعت صوت و رسانایی گرمایی در میان مواد
* گرافیت، یکی از نرم ترین مواد
* فولرن ، مولکول هایی در حد بیلیونیوم متر هستند و اشکال مختلفی دارند.
دوده چراغ از سطوح کوچک گرافیت تشکیل شده. این سطوح بصورت تصادفی توزیع شده، به همین دلیل کل ساختمان آن همسانگرد (ایزوتروپیک) است.
چنین کربنی همسانگرد و مانند شیشه محکم است. لایه های گرافیت آن مانند کتاب مرتب نشده اند، بلکه مانند کاغذ خرد شده می باشند.
الیاف کربن شبیه کربن شیشه ای می باشند. تحت مراقبتهای ویژه (کشیدن الیاف آلی و کربنی کردن) می توان لایه های صاف کربن را در جهت الیاف مرتب کرد. هیچ لایه کربنی در جهت عمود بر محور الیاف قرار نمی گیرد. نتیجه الیافی با استحکام بیشتر از فولاد می باشد. کربن در تمامی جانداران وجود داشته و پایه [شیمی آلی] را تشکیل می دهد. همچنین این غیرفلز ویژگی جالبی دارد که می تواند با خودش و انواع زیادی از عناصر دیگر پیوند برقرار کند(تشکیل دهنده بیش از ده میلیون ترکیب). در صورت ترکیب با اکسیژن تولید دی اکسید کربن می کند که برای رویش گیاهان، حیاتی می باشد. در صورت ترکیب با هیدروژن ترکیبات مختلفی بنام هیدرو کربنها را بوجود می آورد که به شکل سوختهای فسیلی، در صنعت بسیار بنیادی هستند. وقتی هم با اکسیژن و هم با هیدروژن ترکیب گردد، گروه زیادی از ترکیبات را از جمله اسیدهای چرب را می سازند که برای حیات و استر، که طعم دهنده بسیاری از میوه ها است، ضروری است.ایزوتوپ C-۱۴ به طور متداول در سن یابی پرتوزایشی کاربرد دارد.
اشکال کربن
کربن به دلایل زیادی قابل توجه است. اشکال مختلف آن شامل یکی از نرم ترین (گرافیت) و یکی از سخت ترین (الماس) مواد شناخته شده توسط انسان می باشد. افزون بر این، کربن میل زیادی به پیوند با اتمهای کوچک دیگر از جمله اتمهای دیگر کربن، داشته و اندازه بسیار کوچک آن امکان پیوندهای متعدد را بوجود می آورد. این خصوصیات باعث شکل گیری ده میلیون ترکیبات کربنی شده است. ترکیبات کربن زیر بنای حیات را در زمین می سازند و چرخه کربن – نیتروژن قسمتی از انرژی تولید شده توسط خورشید و ستارگان دیگر را تامین می کند.
تولید کربن
کربن در اثر مهبانگ (انفجار بزرگ آغازین) حاصل نشده، چون این عنصر برای تولید نیاز به یک برخورد سه مرحله ای ذرات آلفا (هسته اتم هلیم) دارد. جهان در ابتدا گسترش یافت و به چنان به سرعت سرد شد که امکان تولید آن غیر ممکن بود. به هر حال، کربن درون ستارگانی که در رده افقی نمودار H-R قرار دارند، یعنی جائی که ستارگان هسته هلیم را با فرایند سه گانه آلفا به کربن تبدیل می کنند، تولید شد.
کاربردها
کربن بخش بسیار مهمی در تمامی موجودات زنده است و تا آنجا که می دانیم بدون این عنصر زندگی وجود نخواهد داشت(به برتر پنداری کربن مراجعه کنید). عمده ترین کاربرد اقتصادی کربن، فرم هیدروکربنها می باشد که قابل توجه ترین آنها سوختهای فسیلی، گاز متان و نفت خام است. نفت خام در صنعت پتروشیمی برای تولید محصولات زیادی از جمله مهم ترین آنها بنزین، گازوئیل و نفت سفید بکار می رود که از طریق فرآیند تقطیر در پالایشگاهها بدست می آیند. از نفت خام مواد اولیه بسیاری از مواد مصنوعی، که بسیاری از آنها در مجموع پلاستیک نامیده می شوند، شکل می گیرد.
دیگر کاربردها
* ایزوتوپ C-۱۴ که در ۲۷ فوریه ۱۹۳۰ کشف شد در سن یابی کربن پرتوزا مورد استفاده است.
* گرافیت در ترکیب با خاک رس به عنوان مغز مداد بکار می رود.
* الماس جهت تزئین ونیز در مته ها و سایر کاربردهایی که سختی آن مورد استفاده است کاربرد د ارد.
* برای تولید فولاد، به آهن کربن اضافه می کنند.
کربن در میله کنترل در واکنشگاه های اتمی بکار می رود.
* گرافیت به شکل پودر و سفت شده به عنوان ذغال چوب برای پخت غذا، در آثار هنری و موارد دیگر مورد استفاده قرار می گیرد.
* قرصهای ذغال چوب در پزشکی که به صورت قرص یا پودر وجود دارند برای جذب سم از دستگاه گوارشی مورد استفاده اند.
خصوصیات ساختمانی و شیمیایی فولرن به شکل ریزتیوب کربن، کاربردهای بالقوه امیدوار کننده ای در رشته در حال شکل گیری نانوتکنولوژی ذارد.
پیشینه
کربن (واژه لاتین carbo به معنی زغال چوب) در دوران پیشاتاریخ کشف شد و برای مردم باستان که آن را از سوختن مواد آلی در اکسیژن ضعیف تولید می کردند، آشنا بود.(تولید زغال چوب). مدت طولانی است که [الماس] به عنوان ماده ای زیبا و کمیاب به حساب می آید. فولرن، آخرین آلوتروپ شناخته شده کربن در دهه ۸۰ به عنوان محصولات جانبی آزمایشات پرتو مولکولی کشف شدند.
دگرگونه ها (آلوتروپها)
هشت آلوتروپ از کربن
نمودار فازی کربن
تاکنون چهار شکل گوناگون از کربن شناخته شده است: غیر متبلور(آمورف)، گرافیت، الماس و فولرن.
کربن در نوع غیر بلورین آن اساسا گرافیت است اما بصورت ساختارهای بزرگ بلورین وجود ندارد. این شکل کربن، بیشتر بصورت پودر است که بخش اصلی موادی مثل ذغال چوب و سیاهی چراغ )دوده) را تشکیل می دهد. در فشار و دمای اتاق کربن به شکل گرافیت پایدارتر است که در آن هر اتم با سه اتم دیگر بصورت حلقه های شش وجهی- درست مثل هیدروکربنهای معطر – به هم متصل شده اند. هردو گونه شناخته شده از گرافیت، آلفا (شش ضلعی) و بتا (منشور شش وجهی که سطوح آن لوزی است) خصوصیات فیزیکی همانند دارند تنها تفاوت آنها در ساختار بلوری آنها می باشد. گرافیتهای طبیعی شامل بیش از ۳۰٪ نوع بتا هستند در حالیکه گرافیتهای مصنوعی تنها حاوی نوع آلفا می باشند. نوع آلفا از طریق فرآوری مکانیکی می تواند به بتا تبدیل شود و نوع بتا نیز براثر دمای بالای ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد دوباره بصورت آلفا بر می گردد.
گرافیت به سبب پراکندگی ابر pi هادی الکتریسیته است. این ماده نرم بوده و ورقه های آن که اغلب به وسیله اتمهای دیگر تفکیک شده اند، تنها به وسیله نیروهای وان در والس به هم چسبیده اند به گونه ای که به راحتی یکدیگر را کنار می زنند.
در دما و فشارهای خیلی بالا کربن به صورت الماس پایدار است که در آن هر اتم با چهار اتم دیگر پیوند دارد. الماس ساختار مکعبی همانند سیلسیم و ژرمانیم دارد و (به سبب نیروی پیوندهای کربن – کربن) با نیترید بور هم الکترون(BN) در کنارهم بوده و سخت ترین جسم از نظر مقاومت در برابر سایش به شمار می رود. تبدیل الماس به گرافیت در حرارت اتاق به قدری کند است که محسوس نیست. در برخی شرایط کربن به شکل لونسدالیت (lonsdalite) متبلور می شود که مشابه الماس ولی شش ضلعی است. فولرین ساختاری مثل گرافیت دارد اما بجای بخش های تماماً شش ضلعی، حاوی پنج ضلعیها (یا احتمالاً هفت ضلعیهای) اتمهای کربن نیز می باشند که ورقه را به شکل کره، بیضی یا استوانه بوجود می آورند. ویژگیهایی از فولرین با نام فولرین باکمینستر (buckminsterfullerene) هم نامیده می شوند هنوز بخوبی بررسی نشده اند. اینگونه ساختار را به گونه کوتاه شده، گلوله های باکی (buckyballs) هم نامیده اند. کل نامگان فولرین برگرفته از نام باکمینستر فولر (Buckminster Fuller)، توسعه دهنده گنبد میله ای می باشد که از ساختار گلوله های باکی تقلید کرد.
پیدایش
تقریباً ده میلیون ترکیبات کربنی که برای دانش شناخته شده اند وجود دارد که هزاران نوع آنها در فرآیندهای حیاتی و واکنشهای آلی بسیار مهم اقتصادی، ضروری می باشند. این عنصر به مقدار فراوان در خورشید، ستارگان، ستاره های دنباله دار و نیز در جو بیشتر سیارات یافت می شود. بعضی از شهابسنگها حاوی الماسهای میکروسکپی هستند که در زمانیکه منظومه شمسی هنوز یک دیسک گازی شکل بود شکل گرفته اند. کربن به صورت ترکیب با سایر عناصر در جو زمین وجود دارد و در همه گونه آب حل می شود. کربن به همراه مقادیر کمتر کلسیم، منیزیم و آهن، عنصر اصلی سازنده جرم زیادی از سنگ کربنات (سنگ آهک، دولمیت، سنگ مرمر و…) می باشد. این عنصر در صورت ترکیب با هیدروژن تولید ذغال سنگ، نفت خام و گاز طبیعی می کند که آنها را هیدرو کربن می نامند. گرافیت به مقدار فراوان در نیویورک و تکزاس، آمریکا، روسیه، مکزیک، گرینلند و هند یافت می شود. الماس طبیعی در کیمبرلیت معدنی موجود درچینه ها یا ستونهای سنگهای آذرین یافت می شوند. بیشترین الماس در آفریقا بویژه آفریقای جنوبی، نامیبیا، بوتسوانا، جمهوری کنگو و سیرالئون وجود دارد. همچنین کانادا، قسمت های قطبی روسیه، برزیل و بخش های غربی و شرقی استرالیا دارای الماس می باشد.
ترکیبات غیر آلی کربن
معروف ترین اکسید کربن، دی اکسید کربن (CO2) است که به مقدار کمتری در اتمسفر زمین وجود دارد. این اکسید توسط موجودات زنده، و برخی موارد دیگر تولید شده و مورد استفاده قرار می گیرد. آب مقدار کمی اسید کربنیک تولید می کند اما دی اکسید کربن مانند بیشتر ترکیباتی که دارای پیوندهای ساده چندگانه با اکسیژنهای روی یک کربن هستند، ناپایدار است. به هر حال، از طریق این واسطه، یونهای کربنات با تشدید تثبیت شده، بوجود می آیند. تعدادی از مواد معدنی مهم، کربناتها هستند که معروف ترین آنها کلسیت است. دی سولفید کربن، (۲ CS)، هم مانند آن می باشد.
اکسیدهای دیگر آن، مونوکسید کربن (CO) و زیراکسید (suboxide) نادر C3O۲ هستند. مونوکسید کربن که گازی بی رنگ و بی بو است به وسیله اکسیده شدن ناقص بوجود می آید. هر یک از این مولکولها دارای یک پیوند سه گانه و نسبتاً قطبی هستند که ناشی از تمایل به یک پیوند دائمی با مولکولهای هموگلوبین می باشد به طوریکه این گاز بسیار سمی است. سیانید (CN-) دارای ساختار و رفتاری بسیار شبیه به یون هالید بوده و نیترید سیانوژن (CN2) نیز به آن مربوط است.
کربن با فلزات قوی، کاربید C-، و یا استیلید C22-؛ بوجود می آورد که با متان و استیلن همراه بوده و هر دوی آنها اسیدهای به طور باور نکردنی پائتیک اسید هستند. در کل، کربن با الکترو نگاتیوی ۵/۲ به تشکیل پیوندهای کووالانسی تمایل دارد. تعداد کمی از کاربیدها مثل کربوراندوم و Sic، که شبیه الماس می باشند، بصورت شبکه های کوالانسی هستند.
زنجیره کربن
در ساختار اتمی هیدروکربنها، گروهی از اتمهای کربن (اشباع شده با اتمهای هیدروژن) تشکیل یک زنجیره می دهند. روغنهای فرار زتجیره های کوچک تری دارند. چربی ها دارای زنجیره های بلندتر و پارافینها زنجیره هایی بی اندازه بلندی دارند.
چرخه کربن
فرآیند مداوم ترکیب و آزادسازی کربن و اکسیژن که در آن انرژی و حرارت ذخیره و دفع می شود را چرخه کربن می گویند.فروگشت (کاتابولیسم) + فراگشت (آنابولیسم) = دگرگشت (متابولیسم). (واژه ها از فرهنگستان زبان و ادب فارسی). به چرخه کربن مراجعه کنید
ایزوتوپ ها
ایزوتوپ های کربن
اتحادیه بین المللی شیمی کاربردی و محض در سال ۱۹۶۱ ایزوتوپ کربن- ۱۲ را برای اوزان اتمی اتخاذ کرد. کربن- ۱۴ رادیوایزوتوپی است با نیمه عمر ۵۷۱۵ سال و برای تاریخ یابی رادیو کربن چوب، نقاط باستان شناسی و نمونه ها کاربرد بسیار زیادی دارد. کربن دارای دو ایزوتوپ پایدار طبیعی می باشد: (C-۱۲(٪۹۸٫۸۹ و C-۱۳(٪۱٫۱۱). نسبت این ایزوتوپها در؟ به نسبت الگوی VPDB (Vienna Pee Dee Belemnite from the Peedee Formation of South Carolina). d C-۱۳ در اتمسفر ۷ -؟ است است. هنگام فتوسنتز، کربنی که در بافت گیاه تثبیت می شود، به طور قابل ملاحظه ای به C-۱۳ موجود در جو بستگی دارد.
دو حالت برای توزیع مقادیر dC-۱۳ در گیاهان خشکی وجود دارد که ناشی از تفاوتهایی است که گیاهان در واکنشهای فتوسنتز بکار می برند. بیشتر گیاهان خشکی، گیاهان مسیر C۳ هستند و دارای ارزشهای dC-۱۳ بوده که بین ۲۴- و ۳۴- قرار دارند(؟). دومین گروه از گیاهان (گیاهان مسیر C۴) می باشند که ترکیبی از گیاهان آبی، صحرایی، شوراب زار و مرغزارهای استوایی هستند، و دارای ارزشهای dC-۱۳ بین ۶- و ۱۹- می باشند. یک گروه واسطه (گیاهان کم)، متشکل از جلبک و گلسنگ، دارای ارزشهای dC-۱۳ می باشد که بین ۱۲- و ۲۳-؟ هستند. dC-۱۳ گیاهان و موجودات زنده داده های سودمندی درباره مواد مغذی و ارتباطات شبکه غذایی ارائه می کند.
هشدارها
ترکیبات کربن گستره وسیعی از آثار سمی دارند.مونوکسید کربن (C O) موجود در اگزوز موتورهای درون سوز و سیانید (CN) که گاهی اوقات در آلودگیهای معدنی وجود دارد برای پستانداران بسیار سمی هستند. بسیاری از ترکیبات دیگر کربن نه تنها سمی نیستند بلکه در واقع برای زیست ضروری می باشند.گازهای آلی مثل اتیلن (H2C=CH2) و اتان و (HCCH)، و متان (CH4) در صورت مخلوط شدن با هوا قابلیت انفجار و اشتعال خطرناکی پیدا می کنند.
کربن عنصری شیمیائی در جدول تناوبی است ، با نشان C و عدد اتمی 6. کربن عنصری غیر فلزی و فراوان ، چهارظرفیتی ودارای سه صورت مختلف( آلوتروپی ) می باشد:
* الماس ( سخت ترین کانی شناخته شده)
* گرافیت( یکی از نرم ترین مواد)
* Covalend bound sp1 orbitals are of chemical interest only
فولریت ( فولرینز، مولکولهایی در حد بیلیونیوم متر هستند که در شکل ساده آن ، 60 اتم کربن یک لایه گرافیتی با ساختمان 3 بعدی منحنی ، شبیه به روروئک (روروئکی که قسمت جلوی آن مانند چوب اسکی خم شده) ، تشکیل می دهند
دوده چراغ از سطوح کوچک گرافیت تشکیل شده . این سطوح بصورت تصادفی توزیع شده، به همین دلیل کل ساختمان آن ایزوتروپیک است
چنین کربنی ایزوتروپیک و مانند شیشه محکم است. لایه های گرافیت آن مانند کتاب مرتب نشده اند ، بلکه مانند کاغذ خرد شده می باشند.
الیاف کربن شبیه کربن شیشه ای می باشند . تحت مراقبتهای خاص ( کشیدن الیاف آلی و کربنی کردن) می توان لایه های صاف کربن را در جهت الیاف مرتب کرد . هیچ لایه کربنی در جهت عمود بر محور الیاف قرار نمی گیرد . نتیجه الیافی با استحکام بیشتر از فولاد می باشد .
کربن در تمامی جانداران وجود داشته و پایه شیمی آلی را تشکیل می دهد.همچنین این غیر فلز ویژگی جالبی دارد که می تواند با خودش و انواع زیادی از عناصر دیگر پیوند برقرار کند( تشکیل دهنده بیش از ده میلیون ترکیب ).در صورت ترکیب با اکسیژن تولید دی اکسید کربن می کند که برای رشد گیاهان ، حیاتی می باشد.در صورت ترکیب با هیدروژن ترکیبات مختلفی بنام هیدرو کربنها را بوجود می آورد که به شکل سوختهای فسیلی، در صنعت بسیار بنیادی هستند. وقتی هم با اکسیژن و هم با هیدروژن ترکیب گردد ،گروه زیادی از ترکیبات را از جمله اسیدهای چرب را می سازند که برای حیات و استر ، که طعم دهنده بسیاری از میوه ها است ، ضروری است.ایزوتوپ C-14 به طور متداول در سن یابی رادیواکتیو کاربرد دارد.
ویژگیهای قابل توجه کربن
کربن به دلایل زیادی قابل توجه است. اشکال مختلف آن شامل یکی از نرم ترین ( گرافیت ) و یکی از سخت ترین ( الماس) موادر شناخته شده توسط انسان می باشد. بعلاوه کربن میل زیادی به پیوند با اتمهای کوچک دیگر از جمله اتمهای دیگر کربن ، داشته و اندازه بسیار کوچک آن امکان پیوندهای متعدد را بوجود می آورد. این خصوصیات باعث شکل گیری ده میلیون ترکیبات کربنی شده است .ترکیبات کربن زیر بنای حیات را در زمین می سازند و چرخه کربن – نیتروژن قسمتی از انرژی تولید شده توسط خورشید و ستارگان دیگر را تامین می کند.
کربن در اثر انفجار بزرگ( Big Bang) حاصل نشده ، چون این عنصر برای تولید نیاز به یک برخورد سه مرحله ای ذرات آلفا ( هسته اتم هلیم) دارد. جهان در ابتدا گسترش یافت و به چنان به سرعت سرد شد که امکان تولید آن غیر ممکن بود. به هر حال ، کربن درون ستارگانی که در رده افقی نمودار H-R قرار دارند ، یعنی جائی که ستارگان هسته هلیم را با فرایند سه گانه آلفا به کربن تبدیل می کنند ، تولید شد.
تاریخچـــــه
کربن ( واژه لاتین carbo به معنی ذغال چوب) در دوران ماقبل تاریخ کشف شد و برای مردم باستان که آنرا از سوختن مواد آلی در اکسیژن ضعیف تولید می کردند ، آشنا بود.( تولید ذغال چوب).مدت طولانی است که الماس بعنوان ماده ای زیبا و کمیاب به حساب می آید. فولرن ،آخرین آلوتروپ شناخته شده کربن در دهه 80 بعنوان محصولات جانبی آزمایشات پرتو مولکولی کشف شدند.
اشکال مختلف، ( آلوتروپها(
تاکنون چهار شکل مختلف از کربن شناخته شده است: غیر متبلور(آمورف) ، گرافیت ، الماس و فولرن .
کربن در نوع غیر بلورین آن اساسا گرافیت است اما بصورت ساختارهای بزرگ بلورین وجود ندارد.این شکل کربن ، بیشتر بصورت پودر است که بخش اصلی موادی مثل ذغال چوب و سیاهی چراغ ( دوده ) را تشکیل می دهد.
در فشار معمولی کربن به شکل گرافیت در می آید که در آن هر اتم با سه اتم دیگر بصورت حلقه های شش وجهی- درست مثل هدروکربنهای مطر – به هم متصل شده اند. هردو گونه شناخته شده از گرافیت ، آلفا (شش ضلعی ) و بتا ( منشور شش وجهی که سطوح آن لوزی است) خصوصیات فیزیکی مشابه دارند تنها تفاوت آنها در ساختار بلوری آنها می باشد.گرافیتهای طبیعی شامل بیش از 30% نوع بتا هستند در حالیکه گرافیتهای مصنوعی تنها حاوی نوع آلفا می باشند.نوع آلفا از طریق پردازش مکانیکی می تواند به بتا تبدیل شود و نوع بتا نیز براثر حرارت بالای 1000 درجه سانتیگراد دوباره بصورت آلفا بر می گردد.
گرافیت به سبب پراکندگی ابر pi هادی الکتریسیته است. این ماده نرم بوده و ورقه های آن که اغلب بوسیله اتمهای دیگر تفکیک شده اند ، تنها بوسیله نیروهای وان در والس به هم چسبیده اند به گونه ایکه به راحتی یکدیگر را کنار می زنند
در فشارهای خیلی بالا آلوتروپ کربن به صورت الماس در می آید که در آن هر اتم با چهار اتم دیگر پیوند دارد.الماس ساختار مکعبی همانند سیلیکن و جرمانیم دارد و ( به سبب نیروی پیوندهای کربن – کربن)
معرفی انواع صورت های کربن (2(
شرکت در آزمون
در این معرفی کوتاه، انواع دیگر کربن شامل کربنهای آمورف، کربن شیشه ای، کربن سیاه وکربن های متخلخل مورد بررسی قرار گرفته اند. همچنین خصوصیات و ویژگیهای هریک و روشهای تهیه آنها به اختصار شرح داده شده است.
کربن آمورف (AmorphousCarbon)
کربن آمورف اشاره به شبکه بسیار نا منظم اتمهای کربن دارد که به طور قابل توجهی دارای پیوندهای sp2 و 10% پیوندهای sp3 هستند. تقریبا هیچ پیوند sp در این ساختار وجود ندارد [1]. اگرچه کربن آمورف در محدوده ی وسیع نظمی ندارد ولی برخی نظم ها در محدوده ی کوچک دیده می شود.
از آنجاکه ماهیت این نظم های کوچک بطور معین با توجه به روش تهیه تغییر می کند، خصوصیات فیلم های کربن آمورف وابسته به روشهای تهیه آن ها می باشد
دو پارامتر پیوند کربنی (نسبت پیوندهای SP2/SP3 ) و میزان هیدروژن، برای شناسایی نظم هادر محدوده ی کوچک که ممکن است در مقیاس Å ١٠وجود داشته باشد، پارامتر های بسیار مهمی هستند
کربن شیشه ای(GlassyCarbon)
کربن شیشه ای یک نوع کربن دیگر است که به طور تجاری با تخریب کنترل شده پلیمر های مشخص در دماهای 900-1000 درجه سانتیگراد تهیه می شود [1،2]. بنابرین نام کربن شیشه ای به یک خانواده از مواد کربنی بی نظم که شبیه شیشه هستند گفته می شود که به راحتی قابل پرداخت هستند و ظاهری سیاه و براق دارند. به دلیل اینکه این دسته از کربن ها در شرایط مختلفی تهیه می شوند، خصوصیات متنوع نیز دارند و خصوصیات آنها به نوع پیش ماده پلیمری و به طور ویژه به شرایط تهیه آنها بستگی دارد. کربن های شیشه ای ساختاره دانه ای دارند، نسبتا سخت هستند، هادی حرارتی هستند، نفوذ ناپذیرند، با ترکیبات زیستی سازگاری دارند و در دماهای بالا پایدارند. چگالی ظاهری کربن شیشه ای صرف نظر از دمای اعمال شده در گستره ای بین 1.50-1.46 گرم بر سانتی مترمکعب است که نشان دهنده حضور یک سری حفرات در زمینه آن است. مطابق با یک مدل ارائه شده، میکروساختار کربن شیشه ای از یک سری نوارها یا میکروفیبرهای شبیه گرافیت درهم پیچیده با طول ۱۰۰ و ۳۰ در برش عرضی تشکیل شده است و مشابه ساختار زنجیره پلیمری است که کربن شیشه ای از آن تهیه شده است. به خاطر میکروساختار نواری در هم پیچیده (شکل 1) Jenkins و Kawamura استدلال کردند که کربن شیشه ای حتی در دماهای بالا3000 درجه سانتیگراد به طور کامل گرافیتی نیست مطالعات پراش پرتوX (X-ray Diffraction, XRD) نشان می دهد که مابین نوارهای گرافیت شکل، اتمهای کربن در یک ساختار لانه زنبوری از لایه های گرافن منظم شده اند. مطالعه ی دقیق و جزئی ساختاری نشان داده است که کربن شیشه ای یک شبکه از ساختار های حفره دار به هم چسبیده دارد. شکل 2 وابستگی دمای هدایت الکتریکی کربن شیشه ای را در دماهای مختلف نشان می دهد. رفتار کلی در بسیاری از کربن های بی نظم دیده می شود
شکل 1- مدل Jenkins-Kawamura کربن شیشه ای. La و Lb طول های ابعاد افقی و عمودی گرافیتی نسبت به محور c گرافیت
شکل 2- وابستگی دمایی هدایت الکتریکی نمونه های کربن شیشه ای گرما دیده در دماهای مختلف
کربن سیاه (Carbon black)
کربن سیاه شکل آمورف کربن است که به صورت تجاری از تجزیه ی حرارتی یا اکسایشی هیدروکربن ها حاصل می شود. از کربن سیاه در صنعت به عنوان ماده ی پرکننده (Filler) برای اصلاح خصوصیات الکتریکی و نوری موادی که در آن ها پراکنده شده اند (ماده زمینه)، به طور وسیع استفاده می شود
انواع مختلف از کربنهای سیاه صنعتی، با توجه به فرایند ساخت شان نامگذاری می شوند. به عنوان مثال کربن های سیاه حراراتی (Thermal Black) توسط تخریب حرارتی گاز طبیعی، Channel Blacks توسط احتراق جزئی گاز طبیعی و Acetylene Blacks توسط تخریب گرما زای اتیلن، به دست می آیند. انواع دیگر کربن سیاه با روش های ویژه ای شامل فرساب لیزر گرافیت، پیرولیز استیلن و اتیلن با لیزر CO2 که توسط مقادیر جزئی Fe(CO)5 کاتالیز می شود و روش آماده سازی حرارتی زغال بدست می آیند. با این روش های سنتزی، انواع مختلف از کربن با خصوصیات فیزیکی و شیمیایی مختلف تولید می شوند[1]. ساختار میکروبلوری چندین نوع از کربن های سیاه (در اندازه های 1000Å و بالاتر) به فرم های محصول تازه سنتز شده و هم بعد از اعمال حرارت (بالاتر از 3000 درجه سانتیگراد)، توسط تکنیکهای پراش پرتو XRD) X)، میکروسکوپ الکترونی عبوری با قدرات تفکیک بالا (HRTEM) و پراکندگی رامان، اثبات شده است. مطالعات XRD بر روی کربن های سیاه نشان می دهد که کربنهای سیاه سنتز شده، از لایه های شبه گرافیت تشکیل شده است که در آن اتم های کربن، موقعیت های نسبتا یکسانی با آنچه در گرافیت مشاهده می شوند، دارند
شکل 3- عکس و تصویر میکروسکوپ نوری از کربن سیاه
کربن های متخلخل (Porous Carbons)
کربن های متخلخل یک دسته از ساختارهای کربن ها هستند که تخلخل زیاد دارند. مساحت سطح آنها بالاست و دارای حفراتی با ابعاد نانومتری مشابه با ابعاد فولرن هستند [1]. این دسته شامل کربن های فعال (Activated Carbon)، گرافیت ورقه ورقه شده (Exfoliated Graphite) و ایروژل های کربن (Carbon Aerogels) می باشند. نانوحفرات ممکن است به شکل های قفسه ای یا تونلی باشند. در تهیه کربن فعال Isotropic Pitch.و فنول به عنوان پیش ماده استفاده می شوند. گرافیت ورقه ورقه شده فرم دیگر از کربن دارای مساحت سطح بالاست که با حرارت دادن ترکیب بین لایه ای (Intercalated Compound) تهیه می شود.
کربن ایروژل یک فرم نامنظم از کربن پیوند شده sp2 .با دانسیته بالکی پایین است و به وسیله ی فرآیند فوق سرمایش (Supercooling)تهیه می شود [5،4]. این مواد مثال هایی از مواد با چگالی کم و ساختار خوشه مانند هستند که از ذرات کربنی متصل شده به هم با قطر نزدیک به 12nm تشکیل شده اند. بین هر ذره یک نانوساختار مشابه کربن شیشه ای شامل یک شبکه از نوارهای گرافیتی با عرض 2.5nm مشاهده می شود (شکل 4). مساحت سطح این ساختار بین 600 تا 800m2g-1 می باشد.
شکل 4- شماتیک دیاگرام میکروساختار ایروژل کربن. هر دایره حاشور خورده نشان دهنده یک ذره کربن آمورف. میکروساختار نشان داده شده برای فرم های دانسیته A) کم ( حدود 0.1 گرم بر سانتیمتر مکعب) و B) زیاد (g/cm3 ~0/6). میکروساختار نشان می دهد و a) حالت mesopores که در فاصله مابین زنجیره های ذرات وصل شده، پل زده اند، وb) حالت micropores ساندویچ شده بین ذرات، c) ذرات جدا (قطر حدود 12 نانومتر). و d) حالت micropores درون ذرات و e) حالت micropores مابین ذرات همجوار
کربن فعال شده (Activated carbon)
کربن فعال شده به صورت جامد آمورف دارای ساختاری با مساحت سطح داخلی بالا می باشد که می تواند ملکول های مختلف را از فاز مایع یا گاز جذب کند [6] این ترکیب از تعدادی مواد ناخالص شامل چوب، پوست نارگیل، و زغال سنگ تولید می شود. فرایندهای ویژه ای برای تهیه کربن های فعال به فرمهای پودری، گرانول و کروی تا کنون گسترش یافته است.
روشهای تهیه
تولید کربن فعال بر پایه ماده اولیه و کاربرد مد نظر، به دو دسته طبقه بندی می شود: فعال سازی حرارتی و فعال سازی شیمیایی. به طور کلی، فعال سازی حرارتی شامل حرارت دادن و تبدیل کردن کربن به گاز در دماهای بالا می باشد، در حالیکه فعال سازی شیمیایی بوسیله ی آبگیری شیمیایی از ماده خام اولیه در دماهای بسیار پایین تر صورت می گیرد.
فرایند فعال سازی حرارتی
فعال سازی حرارتی در دو مرحله صورت می گیرد: تخریب حرارتی یا زغالی کردن (carbonization) پیش ماده و تبدیل به گاز کردن یا فعال سازی ماده زغالی شده. در مرحله زغالی شدن، هیدروژن و اکسیژن از پیش ماده خارج می شوند تا ساختار متخلخل اولیه کربنی تشکیل شود. در طول فعال سازی، برای افزایش حجم خلل وفرج و مساحت سطح ذره از طریق حذف محصولات فرار و تخلیه کربن (Carbon burn-off) ، اتمسفر اکسید کننده ای مانند بخار آب استفاده می شود.
فعال سازی حرارتی اغلب در کوره هایی با دماهای بالا تر از 1000 درجه سانتیگراد انجام می شود. یک فرایند فعال سازی حرارتی برای تولید کربن فعال شده از زغال در شکل 5 نشان داده شده است.
شکل 5- فرایند فعال سازی حرارتی برای تولید کربن فعال شده
فرایند فعال سازی شیمیایی
در فرایند فعال سازی شیمیایی، ابتدا پیش ماده با یک عامل فعال شیمیایی که اغلب فسفریک اسید است آماده سازی می شود و سپس تا دمای 700-450 درجه سانتیگراد حرارت داده می شود. سپس زغال حاصل با آب شسته می شود تا اسید از کربن خارج شود و خشک می شود. شکل 6 نمودار شماتیک فرایند فعال سازی شیمیایی چوب را نشان می دهد.
شکل 6- فرایند فعال سازی شیمیایی برای تولید کربن فعال شده
کربن مایع(Liquid carbon)
کربن مایع به فاز مایع از کربن اشاره دارد که نتیجه ی ذوب کربن خالص در فاز جامد (گرافیت، الماس، …) می باشد[1]. کربن مایع در فشار اتمسفر تنها در دماهای بسیار بالا پایدار است. ( نقطه ذوب گرافیت 4450 درجه کلوین). از آنجا که کربن دارای بالاترین نقطه ذوب نسبت به هر جامد فلزی دیگری است، برای جلوگیری از آلوده شدن مذاب، جنس بوته استفاده شده برای تهیه کربن مذاب نیز باید از کربن باشد.کربن مایع به طور آزمایشگاهی با روش ذوب گرافیت توسط لیزر تهیه شده است. نکته جالب اینکه با وجود تفاوت دماهای ذوب الماس و گرافیت، اعتقاد بر این است که کربن مایع یکسانی از این دو ماده تولید می شود.
شیمی ترکیبات کربن
شرکت در آزمون
ترکیبات کربنی (ترکیبات آلی) گستردگی زیادی داشته و از اهمیت بسزایی برخوردارند. ترکیبات آلی در دو گروه آلیفاتیک و آروماتیک قرار می گیرند. این ترکیبات می توانند زنجیره ای، حلقوی و یا دربرگیرنده ساختارهای سه بعدی باشند. کربن می تواند هیبرید های متنوع را در این ترکیبات دارا باشد. خصوصیات متنوع (نانو) ساختارهای کربنی مستقیما با هیبرید اتم های کربن مرتبط است. به جز کربن و هیدروژن، اتم هایی همچون اکسیژن، نیتروژن، گوگرد، هالوژن ها و … نیز در ساختار ترکیبات آلی مشارکت می کنند. گروه های عاملی بخش هایی از مولکول آلی با آرایش اتمی مشخص اند که ویژگی ها و واکنش پذیری ترکیب را رقم می زنند.
هیبریدهای اتم کربن و پیوند کوالانسی
تشکیل ترکیبات آلی بر پایه پیوندهای کوالانسی (Covalent Bonding) است. مدل اوربیتال های هیبریدی، یک الگوی توصیفی از تشکیل پیوندهای کوالانسی بین اتم هاست. در این مدل اوربیتال های هر اتم (که دربرگیرنده الکترون های پیوندی است) با یکدیگر ترکیب شده و اوربیتال های هیبریدی را تولید می کند. اوربیتال های هیبریدی ایجاد شده، دارای ساختار و انرژی مشابه بوده و در تشکیل پیوند با اتم های دیگر مشارکت می کنند. این پیوند با نام پیوند سیگما (σ) شناخته می شود. برای مثال در تشکیل مولکول متان (CH4) سه اوربیتال p و یک اوربیتال s از اتم کربن وارد واکنش می شود. از آنجا که هر چهار پیوند کربن-هیدروژن در متان کمابیش مشابهند، می توان تصور کرد که ترکیب (هیبرید) این چهار اوربیتال در ساخت مولکول به کار گرفته شده است. به عبارت دیگر به جای سه اوربیتال p و یک s (جمعا چهار اوربیتال)، چهار اوربیتال مشابه sp3 در واکنش شرکت نموده اند. در ترکیبات آلکان (Alkane) پیوندهای یگانه دارای هیبرید sp3، پیوندهای دوگانه در ترکیبات آلکن (Alkene) دارای هیبرید sp2، و پیوندهای سه گانه در ترکیبات آلکین (Alkyne) هیبرید sp را دارا می باشد. اوربیتال هایی از کربن که در پیوند شرکت نمی کنند به صورت غیر هیبریدی (عمود بر صفحه پیوند) باقی می مانند. شکل 1 ساختار هیبریدی متفاوت اتم های کربن را نشان می دهد. در ساختار sp2 ، سه اوربیتال های هیبریدی با زاویه ̊120 در یک صفحه قرار می گیرند که از ترکیب یک اوربیتال اتمی s کربن با دو اوربیتال p آن بدست آمده اند. اوربیتال p هیبرید نشده به صورت عمود بر صفحه سه اوربیتال هیبریدی قرار می گیرد. در ساختار sp، اوربیتال های اتمی s و p از کربن با یکدیگر ترکیب شده و دو اوربیتال هیبریدی sp می سازند که با زاویه ̊180 نسبت به یکدیگر قرار می گیرند. دو اوربیتال p غیر هیبریدی در صفحاتی عمود بر اوربیتال های هیبریدی واقع می شوند. دو اوربیتال sp هیبریدی در تشکیل پیوند اصلی (سیگما σ) و دو اوربیتال p عمود برهم در تشکیل پیوند های π دخالت می کنند.
شکل 1- اوربیتال های مولکولی هیبریدی اتم های کربن در آلکان (sp3)، آلکن (sp2) و آلکین (sp)
در اصل این هیبرید اتم کربن است که تفاوت های ساختاری و خصوصیات ترکیبات کربنی مختلف را باعث می شود. الماس یک ساختار بلوری کربنی با هیبرید sp3 می باشد. در مورد گرافن (صفحات گرافیتی) هیبرید کربن، sp2 می باشد. اوربیتال p باقی مانده (که در هیبرید sp2 شرکت نمی کند) عمود بر صفحه گرافیتی باقی می ماند و پیوند های π را بین صفحات تشکیل می دهد (شکل 2). استحکام پیوند میان اتم های کربن (پیوندهای سیگما σ) در صفحه گرافیتی در مقایسه با پیوندهای ضعیفتر π در میان صفحات، باعث خصوصیت ورقه ای بودن گرافیت می شود. وجود الکترون های π در ساختار گرافیت رسانش الکتریکی بالا را سبب می شود که در ساختار الماس با کربن هیبریدی sp3 دیده نمی شود. از جهتی الماس به دلیل ساختار بسیار پایدار خود دارای رسانش گرمایی (Thermal Conductivity) بسیار بالا و از جهتی بالاترین میزان سختی (Hardness) در میان مواد توده ای (Bulk Material) است. درمقابل به دلیل فقدان الکترون های π، رسانش الکتریکی در الماس دیده نمی شود.
شکل 2 – ساختار صفحات گرافیتی، از چپ به راست: اوربیتال های p عمود بر صفحه، ابر π دربرگیرنده صفحات، شمای پیوندهای π درمیان صفحات
شکل 3 ساختارهای حدواسط (Intermediate) از کربن را نشان می دهد. این ترکیبات کربنی پایدار نیستند و از این رو واکنش پذیری بالایی از خود نشان می دهند. بسیاری از واکنش های ترکیبات آلی از مسیر یکی از این حد واسط ها می گذرد (حدواسط در مسیر واکنش تولید و سپس مجددا مصرف می شود). هرچند در شکل 3 حدواسط های کربنی با ساختار مسطح نشان داده شده اند، برخی از این ترکیبات می توانند ساختارهای دیگر (مثلا هرمی) نیز داشته باشند.
شکل 3 – حدواسط های کربنی واکنش پذیر
کربوکاتیون (Carbocation) گونه ای با ساختار هندسی مسطح مثلثی (Trigonal Planar) است که تنها دارای 6 الکترون می باشد (Sixtet). کربوکاتیون به عنوان یک مرکز مثبت عامل واکنش با ترکیبات دارای الکترون (یا بار منفی) است که اصطلاحا ترکیبات هسته دوست (Nucleophile) نامیده می شوند. برخلاف کربوکاتیون، کربانیون (Carbanion) هشت الکترونی است (Octet) و یک مرکز منفی در مسیر واکنش ایجاد میکند که به ترکیبات الکترون دوست (Electrophile) تمایل دارد.
هیدروکربن های آروماتیک و آلیفاتیک
در شیمی آلی، به ترکیباتی که تا درصد بالایی از فرمول مولکولی خود از کربن و هیدروژن ساخته شده اند، ترکیبات هیدروکربنی (Hydrocarbons) گفته می شود. ترکیبات هیدروکربنی در دو دسته آلیفاتیک (Aliphatic) و آروماتیک (Aromatic) قرار می گیرند. ترکیبات آروماتیک ساختاری ویژه دارند؛ در این ترکیبات، پیوند های دوگانه (پیوند های π) به صورت یکی درمیان قرار گرفته اند. از آنجا که ساختار این ترکیبات حلقوی بوده و حالتی مسطح (Planar) دارند، الکترون های π (پای) غیرمستقر (Delocalized) می توانند درون مولکول جریان یابند. به بیان دیگر، چنین مولکول هایی دارای یک سامانه جفت شده (Conjugate) بین اوربیتال های p اتم های کربن هستند (اتم های کربن هیبرید sp2 داشته و اوربیتال های p عمود بر صفحه مولکولی آزاد بوده و در تشکیل ابر الکترونی π مشارکت می کنند). به دلیل وجود همین جریان غیرمستقر الکترونی است که حلقه های آروماتیک پایداری شیمیایی خاصی را از خود نشان می دهند. باید ذکر کرد که ترکیبات آروماتیک حاوی تعدادی مشخصی از الکترون های π هستند. معروف ترین ترکیب از این دسته مولکول بنزن (Benzene) با فرمول مولکولی C6H6 و با 6 الکترون π است. ساختار اوربیتالی مولکول بنزن و ابر غیرمستقر الکترون های π در شکل 4 نشان داده شده است:
شکل 4 – ساختار اوربیتالی مولکول آروماتیک بنزن، الف) اوربیتال های p عمود بر صفحه مولکولی و ابر π حاصل از جفت شدگی الکترون ها، ب) نمای شماتیک گردش الکترون ها در مولکول بنزن
ترکیبات آروماتیک معمولا واکنش هایی از نوع جانشینی (Substitution) و به خصوص واکنش های جانشینی الکتروفیلی (Electrophilic Substitution) را انجام می دهند. برخلاف واکنش های افزایشی (Addition)، در واکنش های جانشینی ساختار (و در نتیجه پایداری) آروماتیکی حفظ می شود و تنها گروه های هیدروژن روی حلقه با گروه های دیگر (مثل متیل، نیترو، هالید …) جایگزین می شوند.
دسته دیگر، ترکیبات آلیفاتیک هستند. هرچند این ترکیبات به صورت زنجیره ای (Chain) یا حلقوی (Cyclic) وجود دارند و می توانند حاوی پیوند های π غیرمستقر (پیوندهای دوگانه و سه گانه) باشند، گردش الکترون در این ساختارها مشاهده نمی شود. از همین روست که ترکیبات آلیفاتیک پایداری خاص ترکیبات آروماتیک را ندارند و از این رو واکنش های شیمیایی گسترده تری را انجام می دهند. یک درشت مولکول (Macromolecule) می تواند دارای بخش های متفاوت آلیفاتیک و آروماتیک باشند. برخی از ترکیبات آلیفاتیک حلقوی (که می توانند شامل اتم هایی به غیر از هیدروژن و کربن نیز باشند) در شکل 5 آورده شده است:
شکل 5- برخی ترکیبات آلیفاتیک حلقوی
به طور کلی در ترکیبات حلقوی، پایدار ترین حلقه ها شش عضوی هستند (مثل سیکلوهگزان). حلقه های کوچکتر معمولا دارای فشار بوده (Strain) و از این جهت ناپایدارتر می باشند (مثل سیکلوبوتان). این ترکیبات حلقوی مسطح نیستند (Planar) و در فضا ساختارهای متفاوت سه بعدی به خود می گیرند. معمولا در رسم ساختارها در شیمی آلی اتم های کربن در نقاط شکست خط ها درنظر گرفته می شوند.
حلقه هایی که لااقل از دو نوع اتم ساخته شده اند (مثل اتر تاجی و اپوکسید) با نام هتروسیکل (Heterocylic) خوانده می شوند. شکل 6 تعدادی از معروفترین ترکیبات هتروسیکل آروماتیک (Heteroaromatic) را نمایش می دهد:
شکل 6- برخی ترکیبات هتروسیکل آروماتیک
وجود هترو اتم ها (Heteroatoms) و گروه های عاملی
هرچند پیکره اصلی ترکیبات هیدروکربنی از کربن و هیدروژن تشکیل شده است، وجود عناصر دیگری همچون هالوژن ها و یا نیتروژن، اکسیژن، گوگرد و … (هترواتم ها) نیز ممکن است. معمولا هترواتم ها خواص الکترونگاتیویتی (Electronegativity) متفاوتی در مقایسه با اتم کربن دارند و از این جهت بر خصوصیات مولکول تاثیر به سزایی دارند. معمولا هترواتم ها نسبت به کربن الکترونگاتیویتی بالاتری دارند، از این رو در هنگام پیوند با کربن، ابر الکترونی مشترک را بیشتر به سمت خود کشیده و اندکی بار منفی میگیرند. در مقابل کربن نیز در پیوند با چنین اتم هایی اندکی بار مثبت میگیرد. معمولا هترواتم ها نقش خود را در قالب گروه های عاملی (Functional Groups) اعمال می کنند. گروه های عاملی اکسیژن دار نظیر هیدروکسیل (-OH) و کربوکسیل (-COOH) به ترتیب خاصیت الکلی و اسیدی به مولکول می بخشند. گروه CO (پیوند دوگانه کربن و اکسیژن) نیز گروه کربونیل خوانده می شود و بسته به آنکه در چه بخشی از مولکول واقع شود، خصوصیات آلدهیدی (Aldehyde) یا کتونی (Ketone) را ایجاد می کند. نیتروژن بیشتر در ساختار ترکیبات آمین و آمید شرکت می کند و گوگرد، گاه به صورت گروه عاملی تیول (-SH) حضور دارد. مکان قرارگرفتن هترواتم ها در ساختمان مولکولی نیز حائز اهمیت است. برای مثال اگر اکسیژن در میان زنجیره هیدروکربنی قرار گیرد (C-O-C) ساختار اتر (Ether) خوانده می شود اما اگر همین اکسیژن از یک طرف به گروه عاملی کربونیل (CO) متصل باشد(C-O-(CO)-)، ساختار و خصوصیات به کل متفاوت خواهد بود. نوع اتم های سازنده به همراه هندسه مولکولی نقشی اساسی در قطبیت مولکول آلی خواهد داشت. شمایی از گروه های عاملی مهم در شکل 8 زیر امده است.
شکل 7- تعدادی از گروه های عاملی مهم
نتیجه گیری
مطالعه شیمی آلی در شناخت خصوصیات و اصلاح نانوساختارهای کربنی حائز اهمیت است. کربن با اوربیتال های هیبریدی مختلف در ترکیبات متنوع شرکت می کند. اوربیتال های p که در هیبریداسیون شرکت نمی کنند، می توانند در تشکیل پیوندهای π مداخله کنند. جفت شدگی پیوندهای π در ساختارهای حلقوی پایداری خاص آروماتیکی را ایجاد می کند. حضور اتم هایی همچون نیتروژن و اکسیژن (هترواتم ها) در ساختار مولکول آلی، ویژگی های خاص را باعث می شود. وجود پیوندهای دوگانه، سه گانه و یا گروه های عاملی مختلف و همچنین هندسه متنوع اتصال اتم های کربن به یکدیگر منجر به گستردگی و واکنش پذیری ترکیبات آلی می شود.
منابـــــع :
* 1. Dresselhaus, M. S., Dresselhaus, G. P., EKLUND, C. Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes, Elsevier Science, (1996).
* 2. Zabel, H., Solin, S. A. (eds.), Graphite Intercalation Compounds I: Structure and Dynamics, Springer Series in Materials Science, vol.14. Springer-Verlag, Berlin, (1990).
* 3. Pumera, M.; Ambrosi, A.; Bonanni, A.; Chng, E. L. K.; Poh, H. L., "Graphene for Electrochemical Sensing and Bio Sensing", Trends in Analytical Chemistry, Vol.29, pp.954-965, (2010).
* 4. Pekala, R. W., Alviso, C. T., Renschler, C. L., Pouch, J. J., Cox, D. M. (eds.), Novel Forms of Carbon, vol.270, pp.3-14. Materials Research Society, Pittsburgh, PA, (1992).
* 5. Fung, A.W.P., Wang, Z. H., Lu, K., Dresselhaus, M. S., Pekala, R. W. Journal of Material Research, Vol.8, pp.1875-1885, (1993).
* 6. Burchell, T. D., Carbon Materials for Advanced Technologies, Elsevier Science (1999).
* 8. K. P. C. Vollhardt, N. E. Schore, Organic chemistry, Structure and function, 5th edition,USA, W. H. Freeman and Company (2007).
* 9. T. W. G. Solomons, C. B. Efryhle, Organic chemistry, 10th edition, USA, John Wiley & Sons (2011).
4