Buzz
Các dạng thù hình của carbon là những hình thức khác nhau mà carbon có thể tồn tại, mỗi dạng có cấu trúc mạng nguyên tử khác biệt. Những dạng này có ứng dụng riêng trong đời sống. Một số dạng phổ biến bao gồm carbon vô định hình, graphit và kim cương.
Đặc điểm
Ở điều kiện áp suất bình thường, carbon xuất hiện dưới dạng graphit, nơi mỗi nguyên tử liên kết với 3 nguyên tử khác trong mặt phẳng, tạo thành các vòng lục giác giống như trong các hydrocarbon thơm. Graphit có hai dạng chính là alpha (lục giác) và beta (rhombohedral), với các thuộc tính vật lý tương tự, ngoại trừ cấu trúc tinh thể. Graphit tự nhiên có thể chứa tới 30% dạng beta, trong khi graphit tổng hợp chủ yếu là dạng alpha. Dạng alpha có thể chuyển thành beta qua xử lý cơ học, và dạng beta có thể quay trở lại dạng alpha khi nung nóng trên 1000 °C.
Nhờ sự phân tán của các đám mây pi, graphit có khả năng dẫn điện. Vật liệu này mềm và cấu trúc lớp, thường xuyên bị tách ra bởi các nguyên tử khác, chỉ được kết nối bằng các lực van der Waals, làm cho chúng dễ dàng trượt qua nhau.
Dưới áp suất cực kỳ cao, các nguyên tử carbon hình thành thù hình kim cương, trong đó mỗi nguyên tử liên kết với 4 nguyên tử khác. Kim cương có cấu trúc lập phương giống như silic và germani, và với độ bền của các liên kết carbon-carbon, cùng với nitride bo (BN) là những vật liệu cứng nhất chống lại sự mài mòn. Sự chuyển đổi thành graphit ở nhiệt độ phòng diễn ra rất chậm và không thể nhận thấy. Trong các điều kiện khác, carbon có thể kết tinh thành Lonsdaleit, một dạng tương tự kim cương nhưng với cấu trúc lục giác.
Fulleren có cấu trúc tương tự như graphit, nhưng thay vì chỉ có cấu trúc lục giác, chúng có thể chứa các nguyên tử carbon với 5 hoặc 7 nguyên tử, làm cong các lớp thành các hình cầu, elip hoặc hình trụ. Các thuộc tính của fulleren vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ. Tên gọi của các fulleren được đặt theo tên Buckminster Fuller, nhà phát triển của kiến trúc mái vòm, và chúng mô phỏng cấu trúc của các 'buckyball'.
Các dạng thù hình của carbon rất khác biệt về nhiều thuộc tính.
So sánh giữa kim cương và graphit:
- Kim cương là vật liệu cứng nhất, trong khi graphit là một trong những vật liệu mềm nhất.
- Kim cương có khả năng chống mài mòn xuất sắc, trong khi graphit là một chất bôi trơn hiệu quả.
- Kim cương là chất cách điện lý tưởng, còn graphit là một vật liệu dẫn điện tốt.
- Kim cương thường trong suốt, trong khi graphit thì mờ đục.
- Kim cương kết tinh theo hệ lập phương, còn graphit kết tinh theo hệ lục giác.
So sánh giữa carbon vô định hình và carbon ống nano:
- Carbon vô định hình là chất dễ tổng hợp nhất, trong khi carbon ống nano cực kỳ khó chế tạo và có giá rất cao.
- Carbon vô định hình có tính đẳng hướng hoàn toàn, còn carbon ống nano là một trong những vật liệu phi đẳng hướng nhất mà con người chế tạo.
Kim cương
Kim cương là dạng thù hình cứng nhất của carbon cho đến khi A. Geim và S. Novoselov phát hiện ra graphene. Cấu trúc của kim cương: mỗi nguyên tử liên kết với 4 nguyên tử khác theo kiểu tứ diện, tạo thành mạng lưới 3 chiều với các vòng 6 nguyên tử.
Graphit
Graphit, hay còn gọi là than chì, là một trong những vật liệu mềm nhất. Cấu trúc của nó bao gồm các nguyên tử được liên kết theo kiểu tam giác với ba nguyên tử khác, tạo thành các lưới hai chiều với các vòng sáu nguyên tử ở dạng phẳng. Các lớp này liên kết lỏng lẻo với nhau.
Carbon vô định hình
Carbon vô định hình, còn gọi là chất dạng thủy tinh, có cấu trúc các nguyên tử carbon không có quy luật tinh thể, giống như thủy tinh.
Trong dạng vô định hình, carbon có cấu trúc tương tự như graphit nhưng không kết hợp thành các tinh thể lớn. Chúng thường tồn tại dưới dạng bột và là thành phần chính của than, muội, bồ hóng, nhọ nồi và than hoạt tính.
Graphene
Graphene là vật liệu cứng nhất và cũng là bán dẫn xuất sắc nhất. Nó có cấu trúc tấm phẳng, dày một lớp nguyên tử carbon với liên kết sp2 tạo thành mạng tinh thể hình tổ ong. Độ dài liên kết carbon-carbon trong graphene khoảng 0,142 nm. Đây là thành phần cấu trúc cơ bản của nhiều dạng thù hình như than chì, ống nano carbon và fulleren. A. Geim và S. Novoselov phát hiện ra graphene vào năm 2004 và được trao giải Nobel Vật lý năm 2010 cho phát hiện này.
Các dạng khác
Nhiều thù hình khác cũng đã được tạo ra hoặc phát hiện, như fuleren, ống nano carbon và lonsdaleit. Muội đèn bao gồm các bề mặt nhỏ dạng graphit phân bổ ngẫu nhiên, tạo ra cấu trúc đẳng hướng. Carbon thủy tinh cũng đẳng hướng và có tỷ lệ xốp cao. Khác với graphit thông thường, các lớp graphit trong carbon thủy tinh không chồng lên nhau theo kiểu trang sách mà có sự sắp xếp ngẫu nhiên.
- Fuleren: Cấu trúc gồm nhiều nguyên tử carbon liên kết theo kiểu tam giác, tạo thành các hình cầu rỗng, với buckminsterfulleren là dạng nổi tiếng nhất.
- Ceraphit: Cấu trúc rất mềm nhưng chưa được làm rõ.
- Lonsdaleit: Là biến thể của kim cương với cấu trúc tinh thể lục giác thay vì cấu trúc khối.
- Carbon xốp nano: Cấu trúc lưới nhẹ và từ tính với các bó tương tự như graphit, trong đó các nguyên tử liên kết theo kiểu tam giác trong các vòng 6 hoặc 7 thành viên.
- Carbon ống nano: Cấu trúc các ống nhỏ với nguyên tử liên kết theo kiểu tam giác tạo thành ống trụ rỗng.
Thù hình xốp nano đã được phát hiện và nó là một loại vật liệu có tính từ.
Liên kết ngoài
- Cấu trúc của các thù hình carbon tại Encyclopædia Britannica
(tiếng Anh)
- Cacbon trong Từ điển bách khoa Việt Nam
- Những thù hình bí ẩn của carbon
- Trung tâm Khoa học Vật liệu Tính toán
Thù hình của cacbon | ||
|---|---|---|
| dạng sp |
| |
| dạng sp |
| |
| dạng sp |
| |
| dạng hỗn hợp sp/sp |
| |
| các dạng khác |
| |
| Dạng giả thiết |
| |
| liên quan |
| |
