14.მე-14 ჯგუფის ელემენტები

14.1.ნახშირბადი

კითხვა:

რამდენი ალოტროპიული ფორმა აქვს ნახშირბადს? რა მნიშვნელოვანი გამოყენება ექნება მომავალში ნახშირბადის ალოტროპიულ ფორმებს ფულერენსა და გრაფენს? როგორია მათი აღნაგობა?

პასუხი:

ალმასი დაკრისტალებულია კუბურ სისტემაში. მესერში ატომები კოვალენტური ბმით არიან დაკავშირებულნი, ნახშირბადის ატომის ვალენტური ორბიტალები ალმასში sp³ ჰიბრიდიზაციის მდგომარეობაში არიან. ნახშირბადის ყოველი ატომი ალმასის სტრუქტურაში მოთავსებულია ტეტრაედრის ცენტრში, რომლის წვეროებშიც ოთხი უახლოესი ატომია განლაგებული. ნახშირბადის ატომებს შორის ბმების სიმტკიცე (სისტემის ენტროპიის მნიშვნელობა ძალიან დაბალია, 2.4 ჯ/მოლიK) განაპირობებს ალმასის ძალიან დიდ სიმაგრეს (მოსას სკალის მიხედვით ალმასის სიმაგრე 10-ის ტოლია). სწორედ ამ თვისების გამო მას იყენებენ სხვადასხვა ტექნიკური მიზნისათვის: საბურღად, მინის საჭრელად და სხვ.

გრაფიტის მოდელური სტრუქტურა	ალმასის მოდელური სტრუქტურა

გრაფიტი წარმოადგენს მუქ-ნაცრისფერ კრისტალს სუსტი მეტალური ბზინვარებით. მას შრეობრივი მესერი აქვს. ნახშირბადის ყველა ატომი sp² ჰიბრიდიზაციის მდგომარეობაშია. ყოველი მათგანი წარმოქმნის სამ კოვალენტურ ბმას მეზობელ ატომებთან, ბმებს შორის კუთხე 120ᴼ-ის ტოლია. ამის შედეგად წარმოიქმნება ბრტყელი ბადე, რომელიც წესიერი ექვსკუთხედებისაგან შედგება. s-ბმის წარმოქმნაში მონაწილეობს ნახშირბადის ატომის სამი ელექტრონი. გარე გარსის მეოთხე ელექტრონს უკავია 2p ორბიტალი და ჰიბრიდიზაციაში არ მონაწილეობს. არაჰიბრიდული ნახშირბადატომების ელექტრონული ღრუბლები მიმართულია შრის პერპენდიკულარულად და წარმოქმნიან p-ბმას. მეზობელი შრეები ერთმანეთთან, ძირითადად, დაკავშირებულია არიან ვან-დერ-ვაალსის ძალებით, თუმცა ბმას ნაწილობრივ მეტალური ხასიათი აქვს.

გრაფიტის კრისტალებში ატომების ცალკეული შრეები, რომლებიც ერთმანეთთან შედარებით სუსტად არიან დაკავშირებული, ადვილად სცილდება ერთმანეთს. გრაფიტის ღეროს ქაღალდზე გასმით მისი შრე ეკრობა ქაღალდს და ტოვებს რუხი ფერის კვალს. ამაზეა დამყარებული მისი გამოყენება ფანქრების დასამზადებლად.

კარბინი ნახშირბადის ხაზოვანი აღნაგობის პოლიმერია. ატომები შეერთებულია კანონზომიერად მონაცვლე მარტივი და სამმაგი ბმებით:

პოლიინური ფორმა

ცნობილია პოლიმერის სხვა ტიპიც, რომლის მაკროჯაჭვში ატომები ერთმანეთთან დაკავშირებულია ორმაგი ბმებით:

=C=C=C=C=

პოლიკუმულენი (პოლიენი)

კარბინი შავი ფერის, მბზინავი ნივთიერებაა. სიმტკიცით ჩამორჩება ალმასს, მაგრამ გრაფიტზე მტკიცეა.

C₆₀, C₇₀, C₂₄₀ ფულერენებში ატომები ისე უკავშირდებიან ერთმანეთს, რომ წარმოქმნილ მოლეკულას სფერული ფორმა აქვს.

გრაფენი ფირფიტოვანი აგებულების პოლიმერებია და ისეთ მაკრომოლეკულურ ნაერთებს მიეკუთვნებიან, რომელთა სტრუქტურაც პოლიციკლური სისტემებისაგან შედგება.

გრაფენის არაჩვეულებრივმა გამტარობამ განაპირობა მისი გამოყენება მზის ბატარეებსა და აკუმულატორებში. მან შეცვალა ინდიუმის და კალას დიოქსიდები, რომლებიც ასევე გამოიყენებოდა მზის ბატარეებში. გრაფენის თვისებები (სიმსუბუქე, ელასტიურობა და დიდი სიმტკიცე) მნიშვნელოვანია მისი გამოყენებისას.

ფულერენი C60	გრაფენი