Carbon vô định hình: các loại, tính chất và công dụng

Carbon vô định hình là tất cả những gì carbon đẳng hướng với các cấu trúc được hoàn thiện với các khiếm khuyết phân tử và bất thường. Thuật ngữ allotrope đề cập đến thực tế là một nguyên tố hóa học duy nhất, như nguyên tử carbon, tạo thành các cấu trúc phân tử khác nhau; một số tinh thể, và một số khác, như trong trường hợp này, vô định hình.

Carbon vô định hình thiếu cấu trúc tinh thể tầm xa đặc trưng cho kim cương và than chì. Điều này có nghĩa là mô hình cấu trúc vẫn hơi không đổi nếu bạn hình dung các vùng của vật rắn rất gần nhau; và khi họ ở xa, sự khác biệt của họ trở nên rõ ràng.

Các đặc tính hoặc tính chất vật lý và hóa học của carbon vô định hình cũng khác với than chì và kim cương. Ví dụ, chúng ta có than củi nổi tiếng, một sản phẩm đốt gỗ (ảnh trên cùng). Đây không phải là chất bôi trơn, và nó cũng không sáng bóng.

Có một số loại carbon vô định hình trong tự nhiên và những giống này cũng có thể thu được tổng hợp. Trong số các dạng khác nhau của carbon vô định hình là carbon đen, than hoạt tính, bồ hóng và than củi.

Carbon vô định hình có những ứng dụng quan trọng ở cấp độ của ngành sản xuất năng lượng, cũng như trong các ngành dệt may và vệ sinh.

Các loại carbon vô định hình

Có một số tiêu chí để phân loại chúng, chẳng hạn như nguồn gốc, thành phần và cấu trúc của chúng. Cái sau phụ thuộc vào mối quan hệ giữa các nguyên tử cacbon với sự lai hóa sp2 và sp3; đó là, những người xác định một mặt phẳng hoặc một tứ diện, tương ứng. Do đó, ma trận vô cơ (khoáng vật học) của các chất rắn này có thể trở nên rất phức tạp.

Theo nguồn gốc của nó

Có carbon vô định hình có nguồn gốc tự nhiên, bởi vì nó là sản phẩm của quá trình oxy hóa và các dạng phân hủy các hợp chất hữu cơ. Trong số các loại carbon này là bồ hóng, carbon và carbon có nguồn gốc từ carbide.

Carbon vô định hình tổng hợp được sản xuất bằng cách lắng đọng hồ quang catot và kỹ thuật phún xạ catốt. Về mặt tổng hợp, màng carbon vô định hình kim cương hoặc carbon vô định hình cũng được sản xuất.

Cấu trúc

Ngoài ra, carbon vô định hình có thể được nhóm thành ba loại lớn tùy thuộc vào tỷ lệ của các liên kết sp2 hoặc sp3. Có carbon vô định hình, thuộc về carbon vô định hình nguyên tố (aC), carbon vô định hình hydro hóa (aC: H) và carbon vô định hình tứ diện (ta-C).

Carbon vô định hình nguyên tố

Thường được viết tắt là aC hoặc aC, nó bao gồm than hoạt tính và than đen. Giống của nhóm này thu được bằng cách đốt cháy không hoàn toàn các chất động vật và thực vật; nghĩa là, chúng đốt cháy với sự thiếu hụt cân bằng hóa học của oxy.

Chúng có tỷ lệ liên kết sp2 cao hơn trong cấu trúc hoặc tổ chức phân tử của chúng. Chúng có thể được tưởng tượng như một loạt các mặt phẳng được nhóm lại, với các hướng khác nhau trong không gian, sản phẩm của các nguyên tử tứ diện tạo nên sự không đồng nhất trong tổng thể.

Từ chúng, nanocomposite đã được tổng hợp với các ứng dụng điện tử và phát triển vật liệu.

Carbon hydro hóa vô định hình

Viết tắt là aC: H hoặc HAC. Trong số đó là bồ hóng, khói, than được khai thác dưới dạng bitum và nhựa đường. Các muội than có thể dễ dàng phân biệt khi có một ngọn lửa ở một ngọn núi nằm cạnh một thành phố hoặc thị trấn, nơi nó được quan sát thấy trong các luồng không khí kéo nó dưới dạng những chiếc lá đen mỏng manh có màu đen.

Như tên gọi của nó, nó có chứa hydro, nhưng liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử carbon chứ không phải thuộc loại phân tử (H ₂ ). Đó là, có liên kết CH. Nếu hydro được giải phóng từ một trong những liên kết này, sẽ có một quỹ đạo có electron chưa ghép cặp. Nếu hai trong số các electron chưa ghép cặp này rất gần nhau, chúng sẽ tương tác gây ra cái gọi là liên kết lơ lửng (liên kết lơ lửng, bằng tiếng Anh).

Với loại carbon vô định hình hydro hóa này, các màng hoặc lớp phủ có độ cứng thấp hơn thu được so với các loại được làm bằng ta-C.

Tứ diện carbon vô định hình

Viết tắt là ta-C, còn được gọi là carbon tương tự như kim cương. Nó chứa một tỷ lệ cao các liên kết lai hóa sp3.

Để phân loại này thuộc về màng hoặc lớp phủ của carbon vô định hình, với cấu trúc tứ diện vô định hình. Chúng thiếu hydro, có độ cứng cao và nhiều tính chất vật lý của chúng tương tự như kim cương.

Về mặt phân tử, nó bao gồm các nguyên tử tứ diện không có mô hình cấu trúc tầm xa; trong khi ở kim cương, thứ tự không đổi trong các vùng khác nhau của tinh thể. Ta-C có thể trình bày một trật tự hoặc mẫu đặc trưng nhất định cho một tinh thể, nhưng chỉ ở phạm vi ngắn.

Thành phần

Than được tổ chức dưới dạng tầng đá đen, chứa các nguyên tố khác như lưu huỳnh, hydro, nitơ và oxy. Từ đây phát sinh các loại cacbon vô định hình như than đá, than bùn, than antraxit và than non. Anthracite là loại có thành phần carbon cao nhất.

Thuộc tính

Cacbon vô định hình thực sự có các liên kết π nằm với độ lệch trong khoảng cách giữa các tế bào và sự thay đổi trong góc liên kết. Nó đã lai các liên kết sp2 và sp3 có mối quan hệ thay đổi tùy theo loại carbon vô định hình.

Tính chất vật lý và hóa học của nó có liên quan đến tổ chức phân tử và cấu trúc vi mô của nó.

Nhìn chung, nó có đặc tính ổn định cao và độ cứng cơ học cao, khả năng chịu nhiệt và chống mài mòn. Ngoài ra, nó được đặc trưng bởi vì nó có độ trong suốt quang học cao, hệ số ma sát thấp và khả năng chống lại các tác nhân ăn mòn khác nhau.

Carbon vô định hình rất nhạy cảm với tác động của chiếu xạ, có độ ổn định điện hóa cao và độ dẫn điện, trong số các tính chất khác.

Công dụng

Mỗi loại carbon vô định hình khác nhau có những đặc tính hoặc tính chất riêng và cách sử dụng rất riêng.

Than

Than là nhiên liệu hóa thạch, và do đó nó là một nguồn năng lượng quan trọng, cũng được sử dụng để tạo ra điện. Tác động môi trường của ngành khai thác than và việc sử dụng nó trong các nhà máy điện được thảo luận nhiều hôm nay.

Than hoạt tính

Nó rất hữu ích để thực hiện các quá trình hấp thụ hoặc lọc chọn lọc các chất gây ô nhiễm trong nước uống, dung dịch làm mất màu và thậm chí có thể hấp thụ khí lưu huỳnh.

Carbon đen

Carbon đen được sử dụng rộng rãi trong sản xuất bột màu, mực in và nhiều loại sơn. Carbon này thường cải thiện sức mạnh và sức đề kháng của các sản phẩm làm bằng cao su.

Vì chất độn trong lốp xe hoặc lốp xe làm tăng khả năng chống mòn và bảo vệ các vật liệu khỏi sự xuống cấp do ánh sáng mặt trời.

Màng carbon vô định hình

Việc sử dụng công nghệ của màng carbon vô định hình hoặc lớp phủ trong các loại thiết bị màn hình phẳng và vi điện tử đang phát triển. Tỷ lệ của liên kết sp2 và sp3 làm cho màng carbon vô định hình có các tính chất quang học và cơ học với mật độ và độ cứng khác nhau.

Ngoài ra, chúng được sử dụng trong lớp phủ chống phản xạ, trong lớp phủ để bảo vệ bức xạ, trong số các ứng dụng khác.