AMORFE KOOLSTOF: SOORTEN, EIGENSCHAPPEN EN TOEPASSINGEN - CHEMIE - 2025

De amorfe koolstof is alle allotrope structuren gevuld met moleculaire defecten en onregelmatigheden van de koolstof. De term allotroop verwijst naar een enkel chemisch element, zoals het koolstofatoom, dat verschillende moleculaire structuren vormt; sommige kristallijn, en andere, zoals in dit geval, amorf.

Amorfe koolstof mist de kristallijne structuur op lange afstand die kenmerkend is voor diamant en grafiet. Dit betekent dat het structurele patroon enigszins constant blijft bij het bekijken van gebieden van de vaste stof die zeer dicht bij elkaar liggen; en wanneer ze ver weg zijn, worden hun verschillen duidelijk.

Brandende houtskool. Bron: Pixabay

De fysische en chemische kenmerken of eigenschappen van amorfe koolstof verschillen ook van die van grafiet en diamant. Zo is er bijvoorbeeld de bekende houtskool, een product van houtverbranding (bovenste afbeelding). Dit smeert niet en glimt ook niet.

Er zijn verschillende soorten amorfe koolstof in de natuur en deze variëteiten kunnen ook synthetisch worden verkregen. Tot de verschillende vormen van amorfe koolstof behoren roet, actieve kool, roet en houtskool.

Amorfe koolstof heeft belangrijke toepassingen in de energieopwekkingsindustrie, maar ook in de textiel- en gezondheidsindustrie.

Soorten amorfe koolstof

Er zijn verschillende criteria om ze te classificeren, zoals hun oorsprong, samenstelling en structuur. Dit laatste hangt af van de relatie tussen de koolstofatomen met sp ² en sp ³ hybridisaties ; dat wil zeggen, die welke respectievelijk een vlak of een tetraëder definiëren. Daarom kan de anorganische (mineralogische) matrix van deze vaste stoffen erg complex worden.

Volgens zijn oorsprong

Er is amorfe koolstof van natuurlijke oorsprong, omdat het het product is van oxidatie en vormen van ontbinding van organische verbindingen. Dit type koolstof omvat roet, steenkool en koolstof afgeleid van carbiden.

Synthetische amorfe koolstof wordt geproduceerd door middel van kathodische boogafzettingstechnieken en sputteren. Synthetisch worden ook diamantachtige amorfe koolstofcoatings of amorfe koolstoffilms vervaardigd.

Structuur

Amorfe koolstof kunnen worden gegroepeerd in drie grote types afhankelijk van de hoeveelheid SP ² of sp ³ bindingen aanwezig. Er is de amorfe koolstof, die behoort tot de zogenaamde elementaire amorfe koolstof (aC), de gehydrogeneerde amorfe koolstof (aC: H) en de tetraëdrische amorfe koolstof (ta-C).

Elementaire amorfe koolstof

Vaak afgekort BC of BC, het omvat actieve kool en roet. De variëteiten van deze groep worden verkregen door onvolledige verbranding van dierlijke en plantaardige stoffen; dat wil zeggen, ze branden met een stoichiometrisch tekort aan zuurstof.

Ze vertonen een groter aandeel sp ^2- bindingen in hun structuur of moleculaire organisatie. Ze kunnen worden voorgesteld als een reeks gegroepeerde vlakken, met verschillende oriëntaties in de ruimte, een product van tetraëdrische koolstofatomen die heterogeniteit in het geheel bewerkstelligen.

Van hen zijn nanocomposieten gesynthetiseerd met elektronische toepassingen en materiaalontwikkeling.

Gehydrogeneerde amorfe koolstof

Afgekort als BC: H of HAC. Deze omvatten roet, rook, gewonnen steenkool zoals bitumen en asfalt. Roet is gemakkelijk te onderscheiden wanneer er brand is in een berg nabij een stad of dorp, waar het wordt waargenomen in de luchtstromen die het in de vorm van fragiele zwarte bladeren dragen.

Zoals de naam aangeeft, bevat waterstof, maar covalent gebonden aan koolstofatomen, en niet van de moleculaire soort (H ₂ ). Dat wil zeggen, er zijn CH-bindingen. Als een van deze bindingen waterstof vrijkomt, zal het een orbitaal zijn met een ongepaard elektron. Als twee van deze ongepaarde elektronen heel dicht bij elkaar staan, zullen ze op elkaar inwerken, waardoor de zogenaamde bungelende bindingen ontstaan.

Met dit type gehydrogeneerde amorfe koolstof worden films of coatings met een lagere hardheid verkregen dan die gemaakt met ta-C.

Tetraëdrische amorfe koolstof

Afgekort als ta-C, ook wel diamantachtige koolstof genoemd. Het bevat een hoog aandeel aan sp ^3- gehybridiseerde bindingen .

Amorfe koolstoffilms of coatings met een amorfe tetraëdrische structuur behoren tot deze classificatie. Ze missen waterstof, hebben een hoge hardheid en veel van hun fysische eigenschappen zijn vergelijkbaar met die van diamant.

Moleculair bestaat het uit tetraëdrische koolstofatomen die geen structureel patroon over lange afstand vertonen; terwijl bij diamant de volgorde constant blijft in verschillende gebieden van het kristal. De ta-C kan een bepaalde volgorde of patroon vertonen dat kenmerkend is voor een kristal, maar alleen op korte afstand.

Samenstelling

Steenkool is georganiseerd als lagen zwart gesteente die andere elementen bevatten, zoals zwavel, waterstof, stikstof en zuurstof. Hieruit ontstaan ​​amorfe koolstofatomen zoals steenkool, turf, antraciet en bruinkool. Antraciet is degene met de hoogste koolstofsamenstelling van allemaal.

Eigendommen

Echte amorfe koolstof heeft gelokaliseerde π-bindingen met afwijkingen in interatomaire afstand en variatie in bindingshoek. Het heeft sp ² en sp ³ gehybridiseerde bindingen waarvan de relatie varieert afhankelijk van het type amorf koolstof.

De fysische en chemische eigenschappen zijn gerelateerd aan de moleculaire organisatie en de microstructuur.

Over het algemeen heeft het eigenschappen van hoge stabiliteit en hoge mechanische hardheid, hittebestendigheid en slijtvastheid. Bovendien wordt het gekenmerkt door zijn hoge optische transparantie, lage wrijvingscoëfficiënt en weerstand tegen verschillende corrosieve stoffen.

Amorfe koolstof is onder meer gevoelig voor de effecten van straling, heeft een hoge elektrochemische stabiliteit en elektrische geleidbaarheid.

Toepassingen

Elk van de verschillende soorten amorfe koolstof heeft zijn eigen kenmerken of eigenschappen en zeer specifieke toepassingen.

Houtskool

Steenkool is een fossiele brandstof en daarom een ​​belangrijke energiebron, die ook wordt gebruikt om elektriciteit op te wekken. De milieu-impact van de kolenmijnindustrie en het gebruik ervan in energiecentrales wordt vandaag fel bediscussieerd.

Geactiveerde koolstof

Het is nuttig voor selectieve absorptie of filtratie van verontreinigingen uit drinkwater, ontkleurende oplossingen en kan zelfs zwavelgassen absorberen.

Carbon zwart

Carbon black wordt veel gebruikt bij het maken van pigmenten, drukinkten en een verscheidenheid aan verven. Deze koolstof verbetert in het algemeen de sterkte en weerstand van rubberen voorwerpen.

Als vulstof in velgen of banden verhoogt het de slijtvastheid en beschermt het materialen tegen aantasting door zonlicht.

Amorfe koolstoffilms

Het technologische gebruik van amorfe koolstoffilms of coatings in verschillende platte beeldschermen en micro-elektronica groeit. Het aandeel sp ² en sp ³ bindingen betekent dat amorfe koolstof films optische en mechanische eigenschappen van variabele dichtheid en hardheid.

Evenzo worden ze onder meer gebruikt in antireflecterende coatings, in coatings voor stralingsbescherming.

Referenties

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganische scheikunde. (Vierde druk). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2018). Amorfe steenkool. Hersteld van: en.wikipedia.org
3. Kouchi A. (2014) Amorfe koolstof. In: Amils R. et al. (eds) Encyclopedia of Astrobiology. Springer, Berlijn, Heidelberg.
4. Yami. (21 mei 2012). Allotrope vormen van koolstof. Hersteld van: quimicaorganica-mky-yamile.blogspot.com
5. Science Direct. (2019). Amorfe koolstof. Hersteld van: sciencedirect.com
6. Rubio-Roy, M., Corbella, C. en Bertran, E. (2011). Tribologische eigenschappen van gefluoreerde amorfe koolstof dunne films. Hersteld van: researchgate.net