Karbonun Allotropları

29.07.2019 - 17:35

Karbon organik kimyanın temel elementidir. Bu nedenle organik kimyaya karbon kimyası da denmektedir. Bu yazıda organik kimyaya girmeden mutlaka bilmemiz gereken karbon elementinin allotropları üzerinde duracağız.

Ancak konunun iyi anlaşılması için önce allotrop ne demek bilmek gerekir. Ayrıca bu allotropları anlamak için karbon elementinin bazı temel özelliklerini de iyi anlamak gerekir. Bu yazıda hepsine değinmeye çalışacağız.

Aynı atomun farklı sayı ve dizilimler ile oluşturduğu maddelere allotrop denir. Allotropların fiziksel özellikleri ve bazı kimyasal özellikleri farklılık gösterir.

Karbonun allotropları şöyledir:

  1. Elmas
  2. Grafit
  3. Fulleren
  4. Grafen

Bunlardan ilk ikisi olan elmas ve grafit doğal allotrop iken fulleren ve grafen ise yapay allotroplardır. Doğal allotroplar doğada kendiliğinden bulunurken yapay allotroplar laboratuvar ortamında insanlar tarafından üretilmektedir.

Karbonun Temel Özellikleri

Organik kimyanın temeli olan karbon elementi bütün canlıların yapısında bulunur. Organik moleküllerin tamamında mutlaka karbon vardır. Organik bileşikler çok çeşitli olduğundan binlerce karbon bileşiğinden bahsedebiliriz. Bu bileşikleri sınıflandırmakla görevli kimya alanına ise organik kimya denmektedir.

2. periyot 4A grubunda yer alan karbonun değerlik elektron sayısı da 4'tür. Karbon 4 bağ yapar. Bu bağlar tekli, 2'li veya 3'lü olabilir. Karbonun elektron konfigürasyonu 1S2 2S2 2P2 şeklindedir.

Karbon atomları arasında bağ oluşurken fazla miktarda enerji açığa çıkar. Bu nedenle karbonların arasındaki bağlar oldukça kararlıdır. Karbonun allotropları da karbonun bu özelliğin sonucudur. Bu allotropların ana malzemesi karbon atomudur. karbon atomunun farklı şekilde bağlanmasıyla birbirinden fiziksel olarak tamamen farklı maddeler elde edilir.

Karbonun allotropları

Karbon atomu diğer atomlarla çok çeşitli şekillerde bağ yapabilir. Bu nedenle organik kimyada düz, dallanmış, halkalı veya aromatik olmak üzere birçok bileşik vardır.

  • İki atomun arasındaki tekli kovalent bağ sigma (σ) bağıdır.
  • İki atomun arasındaki ikili kovalent bağdan birisi sigma bağı, diğeri ise pi (π) bağıdır.
  • İki atomun arasındaki üçlü kovalent bağdan birisi sigma, diğer ikisi ise pi (π) bağıdır.

Karbon Elementinin Allotropları

Karbonun özelliklerini verdikten sonra yukarıda adlarından bahsettiğimiz karbonun allotropları üzerinde detaylı durmaya çalışalım.

1. Elmas

Karbonun düzgün kristal yapıya sahip olan allotropudur. Yüzyıllardır zenginliğin sembolüdür. Mücevher endüstrisinde kullanılan çok değerli bir taştır. Elmas ayrıca günlük hayatta ve sanayide de son dönemlerde yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır.

Elmasın en önemli fiziksel özelliği bilinen en sert doğal madde olmasıdır. Bu nedenle cam kesici, matkap ucu veya taş yontma aletlerinde kullanılır. Elmasın bu sert ve dayanıklı olma özelliği karbon atomlarının bağlanış şekliyle ilgilidir. Elması oluşturan bütün karbon atomu, kendisine komşu 4 karbon ile bağ yapar. Bu bağlar aşırı kuvvetli bağlardır.

Elmasın yapısındaki bağlardan dolayı elmas elektriği iletmez ancak ısıyı iletir.

Çeşitli endüstri alanlarında kullanılan elmasın yapay olarak taklidi üretilebilmektedir. Ancak doğal elmas yapay elmastan daha değerlidir. Elmas yüksek sıcaklık altında diğer bir allotrop olan grafite dönüşebilmektedir.

İlgili yazı: Karbon nasıl elmasa dönüşür?

2. Grafit

Grafit karbonun elmas dışındaki diğer doğal allotropudur. Siyah koyu renge sahip yumuşak ve parlak bir maddedir. Grafitte karbon atomları altıgen halkalar oluşturacak şekilde dizilmiştir. Aynı zamanda bu tabakalar arasında da zayıf bağlar bulunmaktadır.

Grafitin yapısında pi bağları bulunur. Grafitte pi bağı bulunur mu diye merak edenlere duyurulur. Bu pi bağlarında elektronlar hareket eder.

Grafitteki pi bağlarında hareket eden elektronlar sayesinde grafit ısı ve elektriği iyi iletir.

Hem erime noktasının yüksek olması hem de elektriği iyi iletmesi grafiti sanayi için önemli bir madde haline getirmiştir. Isıya karşı çok dayanıklı olmasından dolayı farklı metallerin eritildiği döküm potalarının yapımında grafit kullanılabilmektedir.

Grafit ayrıca kurşun kalem ucu yapımında, yapışma özelliğinden dolayı makineleri yağlama malzemesi olarak, pil üretimde kullanılır. Yumuşak ve dayanıklı bir madde olmasından dolayı sanayi için önemlidir. Ayrıca elektronik sanayisinde de kullanılmaktadır.

3. Fulleren

Karbonun yapay yani insan eliyle üretilen bir allotropudur. Belli sayıda karbon atomun birleştirilmesiyle oluşturulur. Fulleren top, çubuk, tüp ya da halka olarak sınıflandırılabilir. Fullerenin yapısı grafite benzer. Ancak tabakaları grafitin tabakalarından farklıdır.

Karbon atomları fullerende beşgen, altıgen ya da yedigen halkalar şeklinde olabilmektedir. Bu halkaların kıvrılması sonucu küresel yapı oluşabilir.

Yapay olarak üretilen çok sayıda fulleren bileşiği çeşidi vardır. Farklı sentezlerle son yıllarda fulleren bileşiklerinin çeşidi de artmıştır. İçi boş küreler ve silindirler şeklinde fulleren bileşikler vardır.

Fulleren bileşikleri güneş pillerinde, hidrojen yakıt depolarında, kurşungeçirmez yeleklerde kullanılabilir.

4. Grafen

Grafen karbonun iki boyutlu bir allotropudur. Grafen altıgen şeklindeki bal peteği örgü yapısındadır. İki boyutlu olan bu yapı çok özeldir. Bu yapı sayesinde grafen olağanüstü özellikler kazanmaktadır.

Grafen saydamdır. Elektrik ve ısıyı çok iyi ve hızlı iletir.

Grafenin ekstrem özelliklerini şöyle örneklendirebiliriz. Çelikten 6 kat daha küçük özkütleye sahiptir. Buna karşın çelikten 6 kat daha sert ve 13 kat daha esnektir.

Grafenin sahip olduğu bu olağanüstü özellikler sayesinde geleceğin teknolojisinde çok önemli bir yere sahip olacaktır. Küçük süper bilgisayarlardan kirlenmeyen giysilere, deri altına yerleştirilebilecek tıbbı cihazlardan katlanabilir ekranlara kadar birçok teknolojide grafenin kullanılması beklenmektedir.

Ayrıca grafenin süperkapasitör olarak kullanılmasıyla pillere alternatif de üretilmesi planlanmaktadır. Böylece çok daha fazla yüklü depolayan kondansatörler elde edilecek ve pil sorunu büyük oranda çözülecektir.

Hızlı şarj edilen bataryalar, sağlam ve hafif her türlü araç, su geçirmez giysiler gibi teknolojiler de grafenin planlanan kullanım alanları arasında yer almaktadır.

Karbon Nanotüp

Grafite çeşitli özel işlemlerin uygulanmasıyla elde edilen nanometrik boyutlardaki silindir tüplere nanotüp denmektedir. Nanometre metrenin 10-9 ile çarpılmasıyla elde edilir. Yani metrenin milyarda bir uzunluğu kadardır.

Nanotüplerin genişlikleri yani çapları nanometre mertebesindeyken uzunlukları milimetre seviyesindedir. Bu kadar ince olmalarına karşın bu denli uzun olabilmeleri nanotüplere müthiş özellikler kazandırır.

Şöyle bir örnek verecek olursak en sert doğal madde olan elmastan daha sert, çelikten daha dayanıklı, bakırdan 1000 kat daha iletken nanotüpler vardır. Üstelik çok zor koşullar altında dahi bu özellikler korunabilmektedir. Nanotüpler nanoteknoloji açısından çok önemli maddelerdir.

Nanotüplerden normal iletken üretilebildiği gibi yarı iletken ve süper iletkenler de üretilebilmektedir.


Etiketler:
  • kimya    
  • Yorumlar
    Yorum Yap