کربن

ساختار اتم کربن

آلوتروپ ها و ترکیبات کربن
هدف اولیه ی این مقاله مطالعه ی برخی از ویژگی های کربن می باشد. کربن دارای پلیمرف های متعدد مانند گرافیت، فلرن ها و سایر شکل های غیر متداول دیگر هستند. این آلوتروپ ها( یا پلیمرف ها) دارای بلوک های ساختاری یکسانی( اتم کربن) هستند؛ اما شکل های فیزیکی یعنی راه هایی که بلوک های ساختاری در کنار هم قرار می گیرند، متفاوت است. به عبارت دیگر، این مواد دارای شکل های مولکولی یا کریستالی متمایزی هستند.
قابلیت یک عنصر برای ترکیب برای و تبدیل شدن به آلوتروپ ها، به کربن منحصر نمی شود. سایر عناصر ستون چهارم جدول تناوبی یعنی سیلیکون، ژرمانیوم و قلع نیز دارای این ویژگی هستند. به هر حال کربن از برخی لحاظ، متفاوت است و آلوتروپ های آن نیز متفاوت است.
ویژگی های آلوتروپ های مختلف کربن می تواند به طور زیادی تغییر کند. برای مثال، الماس سخت ترین ماده ی شناخته شده در طبیعت است در حالی که گرافیت می تواند یکی از نرم ترین مواد موجود در طبیعت باشد. الماس طیف نور مرئی را عبور می دهد اما گرافیت یک ماده ی اپک است. الماس یک ماده ی عایق است در حالی که گرافیت یک ماده ی رساناست. و همچنین فولرن ها از هر دوی این مواد متفاوت ترند. این مواد نیز از اتم های کربن تولید شده است. علت این تفاوت در ویژگی ها، تفاوت در قرارگیری اتم ها در ساختار این مواد است.
علاوه بر اینکه اتم های کربن می توانند به سادگی با اتم های کربن دیگر پیوند ایجاد کنند، این اتم ها همچنین می توانند با هیدروژن و سایر اتم های دیگر نیز ترکیب شده و گستره ی وسیعی از ترکیبات( مخصوصا ترکیبات با ترکیب شیمیایی یکسان ولی ساختارهای متفاوت) را تولید می کند. ترکیبات کربن و هیدروژن و مشتقات آنها شاخه ی بزرگی را در شیمی ایجاد می کنند که شیمی آلی نامیده می شود. بیش از نیم میلیون ترکیب آلی شناسایی شده اند و انواع جدید از این ترکیبات نیز هر روزه کشف می شوند. در حقیقت، ترکیبات کربن از تمام ترکیبات دیگر عناصر بیشتر است.
در حالی که مطالعه ی شیمی آلی در این مقاله مد نظر نمی باشد، از این بخش نمی توان صرفنظر نمود زیرا ترکیبات آلی یک بخش اصلی در فرایند های مرتبط با پلیمرف های کربن را به خود اختصاص داده است. برخی مثال ها در مورد مواد اولیه آلی در جدول 1 آورده شده است.
برای آگاهی یافتن از تشکیل آلوتروپ های کربن از این مواد اولیه و اطلاع یافتن در مورد رفتار و ویژگی های این مواد، این ضروری است که تصویری واضح از پیکربندی اتمی و راه های مختلف که اتم های کربن به هم پیوند می دهند، داشته باشیم. در این مقاله سعی داریم تا برخی از جنبه های این مسئله را مورد بررسی قرار دهیم.

ساختار اتم کربن

تمام اتم ها دارای یک هسته ی اتمی با بار مثبت هستند که دارای پروتون و نوترون می باشد. هر پروتن دارای بار 1+ می باشد. از لحاظ الکتریکی نوترون ذره ای خنثی تلقی می شود. هر پروتن و نوترون دارای جرم واحد هستند و به طور خاص، کل وزن هسته را این اتم ها تشکیل می دهند. الکترون ها اطراف هسته در حال چرخشند و هر کدام دارای بار 1- هستند. تعداد الکترون ها برابر تعداد پروتون هاست. بنابراین بار مثبت هسته با بار منفی الکترون ها خنثی می شود.
همانگونه که بوسیله ی شرودینگر محاسبه شد، رفتار الکترون ها در هنگام حرکت در اطراف هسته تابع قوانین خاص موج های پیوسته است. این قوانین می گوید، در هر اتم معین، الکترون ها در یک سری از سطوح انرژی واقع شده اند که این سطوح، اربیتال نامیده می شود. این اربیتال ها در حوالی هسته واقع شده اند. این اربیتال ها به طور کامل تعریف شده اند و در بین آنها گستره ی وسیعی از سطوح با انرژی بینابین وجود ندارد. در واقع این مسئله ممنوع می باشد زیرا فرکانس مربوطه، اجازه ی ایجاد یک موج پیوسته را نمی دهد.
در هر اربیتال، بیشتر از دو الکترون وجود ندارد و این دو الکترون دارای اسپین های مخالف هستند. این بیان قانون پائولی می باشد.

پیکربندی هسته و الکترون ها

عنصر کربن دارای نماد C می باشد و عدد اتمی آن( Z) برابر 6 است. یعنی تعداد پروتن و الکترون ها در اتم های خنثی کربن برابر 6 می باشد. علاوه بر این، این هسته ها دارای 6 نوترون نیز می باشند( برای ایزوتوپ کربن 12). پیکربندی الکترونی در اربیتال های این اتم برابر می باشد. این پیکربندی در مقایسه با 8 اتن همسایه ی این ماده در جدول 2 آورده شده است.
عبارت بیان کننده ی این است که 3 عدد کوانتومی برای تعریف یک اربیتال لازم است. عدد 1 نشاندهنده ی اولیه اربیتال یعنی اربیتال k است. s نشاندهنده ی اربیتال فرعی s می باشد. و توان 2 نشاندهنده ی تعداد اتم هایی است که در اربیتال فرعی s واقع شده اند. تنها یک اربیتال در پوسته ی k وجود دارد که هیچ وقت نمی تواند بیش از دو الکترون داشته باشد. این دو الکترون که دارای اسپین های مخالف هستند، در نزدیکی هسته واقع شده اند و دارای حداقل انرژی ممکنه می باشند. پوسته ی پر k کاملا پایدار است و دو الکترون آن در تشکیل پیوند مشارکت ندارند.
و ، به 4 الکترونی اشاره دارد که در پوسته ی L واقع شده اند. پوسته ی L وقتی پر می شود که 8 الکترون در آن وجود داشته باشد. عنصر نئون دارای پوسته ی L پر است. الکترون ها پوسته ی L به دو تراز فرعی تعلق دارند. این دو تراز فرعی S و p هستند. الکترون های موجود در ترازهای فرعی 2s و 2p دارای سطوح انرژی متفاوتی هستند( عدد 2 اشاره به تراز اصلی یا پوسته ی L دارد). دو الکترون 2s دارای اسپین های مخالف هستند و دو الکترون موجود در 2p نیز دارای اسپین های موازی است. این تصویر از اتم کربن به طور شماتیک در شکل 1 آورده شده است.
پیکربندی اتم های کربن که در بالا بیان شد، پیکربندی در حالت خنثی است. در حالت خنثی، الکترون ها در پایین ترین اربیتال های ممکنه واقع شده اند و دارای حداقل انرژی ممکنه می باشند.

الکترون های والانس و پتانسیل یونیزاسیون

در یک اتم معین، الکترون هایی که در اربیتال بیرونی واقع شده اند، تنها الکترون هایی هستند که برای ایجاد پیوند، وجود دارند. این الکترون ها الکترون های ظرفیت نامیده می شوند. در مورد اتم کربن، الکترون های والانس دو الکترون موجود در اربیتال 2p هستند. کربن در این حالت دو ظرفیتی است زیرا تنها دو الکترون برای ایجاد پیوند وجود دارد.
در حقیقت، کربن دو ظرفیتی وجود دارد و در برخی از ترکیبات میانی آلی مانند کاربن ها( برای مثال متیلن) وجود دارد. به هر حال، آلوتروپ های کربن و ترکیبات پایدار کربن دو ظرفیتی نیستند، بلکه 4 ظرفیتی اند که این مسئله بدین معناست که 4 الکترون والانس حضور دارند. در بخش های بعدی در مورد این افزایش ظرفیت صحبت می کنیم.
الکترون های والانس کربن به سهولت از این اتم گرفته می شوند. این مسئله در زمانی رخ می دهد که یک پتانسیل الکتریکی اعمال شود و بتواند موجب سرعت دادن به این الکترون ها و در نتیجه افزایش سطح انرژی آنها شود. این افزایش انرژی در صورتی که به حد معینی برسد، موجب می شود تا بر سد انرژی این الکترون ها، غلبه شود. وقتی این پدیده رخ دهد، اتم کربن یونیزه شده و یک کاتیون( یون با بار مثبت) ایجاد می شود. مقدار این انرژی پیوند برابر پتانسیل یونیزاسیون است. اولین پتانسیل یونیزاسیون، انرژی مورد نیاز برای جدا کردن اولین الکترون بیرونی است. پتانسیل یونیزاسیون دوم، انرژی مورد نیاز برای کندن دومین الکترون خارجی می باشد. انرژی یونیزاسیون محصولی از تغییر اولیه ی و پتانسیل یونیزاسیون است که در واحد الکترون ولت گزارش می شود ( یک الکترون ولت، واحد انرژی انباشته شده در یک ذره دارای بار الکتریکی واحد در طی عبور آن از یک اختلاف پتانسیل یک ولتی، است).
پتانسیل یونیزاسیون کربن و سایر اتم های نزدیک به کربن در جدول تناوبی، در جدول 2 آورده شده است. این باید تذکر داده شود که انرژی یونیزاسیون بتدریج از عنصر اول تراز الکترونی تا عنصر آخر، افزایش می یابد. برای مثال، مقادیر انرژی یونیزاسیون برای لیتیوم برابر 5.39 V و برای نئون برابر 21.56 V است. دیده می شود که یونیزاسیون اتم های دارای پوسته ی پر مانند نئون مشکل است اما یونیزاسیون اتم های دارای پوسته ای با 1 الکترون( مانند لیتیم) ساده است.
همانگونه که در جدول 2 نشان داده شده است، کربن در بین گازهای خنثای یا دو گاز نجیب هلیوم و نئون قرار گرفته است. وقتی یک ترکیب تشکیل می شود، کربن هم می تواند الکترون از دست بدهد و به سمت پیکربندی الکترونی هلیوم حرکت کند و هم می تواند الکترون دریافت کند و به سمت پیکربندی الکترونی نئون حرکت کند.
6 پتانسیل اتم کربن در جدول 3 نشان داده شده است.
همانگونه که در جدول 3 نشان داده شده است، در یک عنصر دارای عدد اتمی کم مانند کربن، تفاوت در انرژی الکترون ها در داخل یک پوسته( تراز اصلی) نسبتا در مقایسه با تفاوت در انرژی میان الکترون های موجود در دو پوسته ی اتمی مختلف، کمتر است.
همانگونه که انتظار می رود، جداشدن دو الکترون از پوسته ی k نیازمند انرژی بیشتری نسبت به جدایش 4 الکترون دیگر است.

ویژگی ها و خاصیت های اتم کربن

ویژگی ها و خاصیت های اتم کربن در جدول 4 آورده شده است.

جرم اتمی( وزن اتمی)

کربن عنصری به عنوان یک مرجع برای تعیین واحد جرم اتمی مورد استفاده قرار می گیرد. واحد جرم اتمی( amu) یک دوازدهم جرم اتمی ایزوتوپ کربن 12 می باشد. این تعریف در سال 1961، بوسیله ی اتحایده ی بین المللی شیمی محض و کاربردی، ارائه شده است. البته واحد جرم اتمی در مقایسه با مفاهیم استاندارد در مورد جرم، بسیار کوچک تر است. در واقع یک گرم را ایجاد می کنند( این عدد به عدد آواگادرو معروف است). همانگونه که در بخش های بعدی نشان داده خواهد شد، کربن طبیعی تقریبا دارای 98.89 % ایروتوپ کربن 12 و 1.11 % ایزوتوپ کربن 13 است. به عنوان یک نتیجه، جرم اتمی متوسط کربن برابر 12.01115 amu است.

شعاع اتمی

شعاع اتمی کربن نصف فاصله ی تعادلی میان اتم های کربن در ساختار گرافیت صفحه ای است. کربن دارای کوچکترین شعاع اتمی در میان عناصر نشان داده شده در جدول 5 است.

ایزوتوپ های کربن

ویژگی های ایزوتوپ های کربن

ایزوتوپ های یک عنصر دارای عدد اتمی یکسانی هستند. این بدین معناست که تعداد الکترون ها و پروتون های آنها برابر است. به هر حال چیزی که موجب می شود ایزوتوپ های مختلف یک ماده از هم متفاوت باشند، تعداد متفاوت نوترون ها و بنابراین تفاوت در جرم اتمی آنها می باشد. عدد جرمی( وزن اتمی) مجموع تعداد پروتون ها و نوترون های یک ماده است که با نماد A نشان داده می شود.
کربن عنصری دارای چندین ایزوتوپ است که در جدول 6 آورده شده اند. متداول ترین ایزوتوپ این ماده، ایزوتوپ کربن 12 است که دارای 6 نوترون است. سایر ایزوتوپ های این ماده دارای 4 و 10 نوترون هستند.
ایزوتوپ کربن 12 و 13 ایزوتوپ های پایدار این عنصر هستند. این پایداری بدین معناست که ساختار این مواد به سرعت تغییر نمی کنند و از این رو به سرعت متلاشی نمی شوند. 5 ایزوتوپ دیگر این ماده رادیواکتو هستند. این بدین معناست که به طور ناگهانی تجزیه شده و از خود ذرات بتا انتشار می دهند. ذره ی بتا یا یک الکترون با بار منفی یا یک پوزیترون با بار مثبت است که از تجزیه ی نوترون تولید می شود. سرعت متوسط یکپارچگی ثابت است( صرفنظر از هر تغییری که ممکن است در شرایط فیزیکی و شیمیایی اتم ایجاد شود. عدم پیوستگی یک ایزوتوپ رادیو اکتیو با نیمه عمر اندازه گیری می شود. نیمه عمر زمانی است که در آن تعداد اولیه ی ایزوتوپ های رادیواکتیو، نصف می شود.
همانگونه که در جدول 4 نشان داده شده است، ایزوتوپ های کربن 12، 11، 15 و 16 دارای نیمه عمرهای گوتاهی هستند و استفاده ی عملی از آنها محدود است. به عبارت دیگر، کربن 14 دارای نیمه عمر طولانی است و از این رو این ایزوتوپ، ایزوتوپ مناسبی برای کاربردهای مهم است.
ساختارهای اتمی کربن 12، 13، و 14 به طور شماتیک در شکل 2 نشان داده شده است.

تخمین طول عمر با استفاده از ایزوتوپ کربن 14

متلاشی شدن کربن 14 و سایر ایزوتوپ های رادیو اکتیو مانند اورانیوم 235 و 238، توریوم 232، روبدیوم 87 و پتاسیم k40، راهی واقعی برای تخمین طول عمر ماده فراهم می آورند. کربن 14 تنها برای تخمین زمان تولید ترکیبات کربن دار، قابل استفاده است. طول عمر طولانی 5730 روزه ی این ماده اجازه می دهد تا بوسیله ی آن بتوان تا 30000 طول عمر را با استفاده از این ماده تخمین زد. این دوره تقریبا برابر 5 نیمه عمر این ماده است و پس از گذشت این زمان، یک سی و دوم مقدار اولیه ی کربن 14 باقی می ماند. البته مقدار این ایزوتوپ پس از این دوره ی زمانی بسیار اندک می شود و بنابراین با استفاده از این روش، تنها می توان عمر وسایلی را تخیمن زد که کمتر از این مقدار عمر دارند.

مکانیزم تشکیل و فروپاشی کربن 14

در سال 1946، Willard F. Libby که یک شیمیدان بوده است، کشف کرده است که کربن 14 به طور پیوسته در اتمسفر زمین تشکیل می شود. این ایزوتوپ با واکنش ایزوتوپ عمده ی نیتروژن یعنی نیتروژن 14 با نوترون های پر انرژی تولید شده بوسیله ی اشعه های کیهانی، تولید می شود. در این واکنش، اتم نیتروژن 14 یک نوترون دریافت می کند و یک پروتن از دست می دهد. بنابراین عدد اتمی آن یکی کاهش یافته و کربن 14 تشکیل می شود.
همانگونه که در بالا بدان اشاره شد، کربن 14 یک ایزوتوپ رادیو اکتیو است و به طور خودبخودی با تابش ذرات بتا، فروپاشی می کنند. بنابراین همانگونه که در شکل 3 نشان داده شده است، با انجام این واکنش یک اتم نیتروژن تشکیل می شود. فرایند تشکیل و فروپاشی در اتمسفر به تعادل می رسد و مقدار کربن 14 در سطح پایینی، ثابت می شود. بیشتر این کربن 14 که در اتمسفر وجود دارد، به صورت دی اکسید کربن است.

ایزوتوپ کربن 14 در مواد زنده و مرده

گیاهان به طور مداوم دی اکسید کربن جذب می کنند و در نتیجه یک مقدار ثابت از ایزوتوپ کربن 14 در بافت های آن وجود دارد. حیوانات از این گیاهان تغذیه می کنند و بنابراین هر چیز زنده ای دارای کربن هایی است که مقدار اندکی از آن را کربن 14 تشکیل می دهد. این نسبت با نسبت موجود در اتمسفر برابر است. این مقدار تنها در حدود کربن 12 است.
بعد از مرگ، کربن 14 دیگر در بافت جایگزین نمی شود اما فرایند فروپاشی آن ادامه می یابد. بنابراین مقدار این ایزوتوپ در طی زمان کاهش می یابد. این مقدار می تواند اندازه گیری شود. این کار بواسطه ی اندازه گیری تعداد ذرات بتای تابش شده بوسیله ی اتم های کربن 14 باقی مانده، قابل حصول می باشد. این اندازه گیری با نمونه های زنده قابل مقایسه است.

ایزوتوپ های 12 و 13 کربن

شواهد تجربی خوبی وجود دارد که در آن، ویژگی های آلوتروپ یا ترکیبات کربن بوسیله ی ترکیب ایزوتوپی اتم های کربن آنها، تحت تأثیر قرار می گیرد. در ادامه برخی مثال ها آورده شده است.
یک فرایند مورد استفاده برای تولید الماس مصنوعی وجود دارد که در آن از متان استفاده می شود که در آن اتم کربن تا 99.97 % غنی شده است. در این فرایند، الماس بوسیله ی روش CVD در یک پلاسمای میکرو موج، رسوب دهی شده است. الماس حاصله از این روش دارای رسانایی حرارتی است که 50 % بیشتر از الماس طبیعی است که دارای ایزوتوپ های کربن 12 و13 می باشد.
مثالی دیگر در این زمینه به فرایند طبیعی فوتوسنتز در مواد آلی مرتبط می شود. فوتوسنتز یک فرایند انتخابی ایزوتوپی است. این بدین معناست که ایزوتوپ کمتر کربن یعنی ایزوتوپ 13 جذب می شود به نحوی که کربن بدست آمده از منابع آلی اندکی نسبت به کربن بدست آمده از منابع غیر آلی، فقیرتر است.
این جذب انتخابی در مطالعات ژئوشیمیایی مهم می باشد زیرا اندازه گیری مقدار کربن 13 می تواند شاهد خوبی برای منشأ کربن باشد. برای مثال، کلسیت معدنی که یک ترکیب آهکی است که بیشتر از کربنات کلسیم تشکیل شده است و در سنگ های سرپوش بسترهای نمکی وجود دارد، دارای مقدار کمتری کربن 13 در مقایسه با سنگ های آهکی است که از منشأ غیر آلی بدست می آید و از این رو این بخش ها دارای منشأ نفتی هستند( نه منشأ غیر آلی).
بیشتر سنگ های آهکی از یون های بی کربناتی آب دریا ( ) تشکیل شده اند که در واقع از کربن دی اکسید اتمسفر تشکیل شده اند و دارای مقدار نرمالی از کربن 13 هستند. به عبارت دیگر، کلسیت گنبدهای نمکی بوسیله ی ترکیب یون های کلسیم و دی اکسید کربنی تشکیل شده اند که از اکسیداسیون نفت، تولید شده اند و از این روست که مقدار کربن 13 در این بخش ها از حد نرمال کمتر است. این فرایند های تشکیل به طور شماتیک در شکل 4 نشان داده شده است.
هیبریداسیون و پیوند کربنی

پیوند کربن

مشخصه ها و ویژگی های اتم های کربن منفرد در بخش های قبلی مورد بررسی قرار گرفت. این بخش یک مرور در زمینه ی راه هایی است که بوسیله ی آن اتم های کربن به همدیگر می پیوندند و جامدهایی مانند الماس، گرافیت و سایر پلیمرف های کربن را تولید می کنند.
یک پیوند شیمیایی در زمانی تشکیل می شود که یک الکترون به طور کافی در اطراف دو هسته ی نزدیک به هم قرار گرفته باشد. در مورد مولکول کربن، این پیوند، کوالانسی است و می تواند چندین شکل داشته باشد( ، و sp).

هیبریداسیون اتم کربن

اوربیتال های الکترونی
همین طور که قبلا اشاره شد، آرایش الکترونی 6 الکترون اتم کربن در حالت پایه برابر 1 است. در این حالت، دو الکترون در پوسته ی K و 4 الکترون در پوسته ی L قرار می گیرد( شکل 1).
در این مرحله این را باید متذکر شویم که هیچ الکترونی در یک اتم یا مولکول را نمی توان به طور دقیق مکان یابی نمود. تابع موج الکترون(Ψ )، احتمال وجود الکترون در یک حجم معین را تعیین می کند. اگر بخواهیم به طور ریاضی صحبت کنیم، این تابع دارای مقدار متناهی در فضاست اما مقدار تابع در فواصل چند آنگسترم دورتر از هسته، ناچیز می شود. برای تمام اهداف، این حجمی را که در آن بالاترین احتمال وجود الکترون ها وجود دارد، مشخص است و معمولا در تصاویر به صورت سایه دار نشان می دهند. مکان دقیق این حجم، مشخص نمی باشد.

اربیتال کربن در حالت پایه

اربیتال های کربن در حالت پایه می تواند به صورت گرافیکی در شکل 5 دیده شود. محاسبات تابع موج بیان می کند که اربیتال s حالت کروی با لبه های نامشخص دارد که این ویژگی در همه ی اربیتال های مشابه دیده می شود. مانند همه ی اشکال کروی، اربیتال s غیر جهت دار است. اربیتال 2p می تواند به صورت دنبل های کشیده شده ای توصیف شوند که حول محورها و جهات خود، متقارن هستند.
اربیتال کربن در حالت هیبریدی
آرایش 1 اتم کربن برای تقارن های تتراهدرالی که در الماس یا متان وجود دارد، قابل استفاده نمی باشد. در این ترکیبات اتم کربن بوسیله ی 4 اتم دیگر احاطه شده است. در هر دو مورد، 4 پیوند دارای استحکام پیوند یکسانی هستند.
برای داشتن آرایش اتمی مناسب برای این تقارن، ساختار اتم کربن باید به حالتی دیگر تغییر کند که بتواند حالت 4 والانسی را پدید آورد. در این حالت 4 پیوند یکسان هستند. این جایگزین به عنوان نتیجه ای از تشکیل اربیتال های اتمی هیبریدی است. در این حالت آرایش الکترون های پوسته ی L اتم در حالت پایه یکی از الکترون های 2s خود را در اختیار اربیتال 2p می گذارد( شکل 6). این اربیتال های جدید اربیتال های هیبریدی نامیده می شود. علت این نامگذاری این است که آنها از ترکیب اربیتال های 2s و 2p ایجاد شده اند. این اربیتال هیبریدی با sp^3 نمایش داده می شود. علت این نمایش این است که یک اربیتال s و سه اربیتال p ترکیب شده است.
در حالت اربیتال هیبریدی ، اتم کربن دارای 4 اربیتال 2 است( به جای دو اربیتال 2s و دو اربیتال 2p) که حالت والانس از 2 به 4 می رسد. شکل دانسیته ی الکترونی محاسبه شده در شکل 7 آورده شده است. شکل گرافیکی این اربیتال به صورت ابر الکترونی در شکل 8 آورده شده است. این اربیتال متقارن است و بیشترین تمرکز بر روی یک سمت قرار دارد و در سمت دیگر، یک حالت دم مانند قرار دارد.
همانگونه که در شکل 8 و 9 نشان داده شده است، بخش های مختلف با علامت مثبت و منفی نمایش داده شده اند. این علامت ها نشان دهنده ی علامت تابع موج است و به معنای بارهای مثبت و منفی نمی باشد. وقتی یک اربیتال بوسیله ی یک گره از جدا می شود، علامت تغییر می کند.
یک تصویر گرافیکی از تشکیل اربیتال هیبریدی در شکل 9 نشان داده شده است. 4 اربیتال هیبریدی دارای شکل یکسانی هستند اما جهت گیری فضایی آنها متفاوت است. متصل شدن نقاط انتهایی این بردارها یک تتراهدرال منظم تشکیل می دهد( یعنی یک جامد با 4 سطح صفحه ای). در این تتراهدرال، زوایای مساوی وجود دارد. این زاویه برابر 109 درجه و 28 دقیقه است.
انرژی مورد نیاز برای هیبریداسیون و تغییر حالت اتم کربن از حالت پایه به حالت والانس مربوطه برابر 230 KJ 〖mol〗^(-1) است. این هیبریداسیون تنها به دلیل این ممکن است که انرژی مورد نیاز برای آن بیشتر بواسطه ی کاهش انرژی ایجاد شده در هنگام تشکیل پیوند با سایر اتم ها جبران می شود.
اتم هیبرید شده اکنون برای تشکیل یک گروه از پیوند ها با سایر اتم های کربن آماده است. این باید تذکر داده شود که این اربیتال های هیبریدی تنها در فرایند پیوند دهی اتم با سایر اتم ها ایجاد می شود و در ساختار واقعی یک اتم کربن آزاد وجود ندارد.
پیوند کوالانسی کربن
همانطور که در بالا اشاره شد، پیوند دهی کربن کوالانسی است و در مورد پیوند دهی ، اتم ها یک جفت الکترون به اشتراک می گذارند.4 الکترون والانس به خاطر اندازه ی کوچک اتمی، موجب می شود تا پیوند های کوالانسی قوی ایجاد شود و از این رو4 الکترون از 6 الکترون کربن در پیوند شرکت می کنند.
شکل خاص اربیتال های اجازه می دهد تا هم پوشانی قابل توجهی ایجاد شود و در زمانی که اتم با یک اتم دیگر که دارای اربیتال است، مواجه می شود، پیوند مستحکمی تشکیل شود. علت این موضوع این است که این الکترون های پیوندی میان هسته، دافعه ی هسته ای را به حداقل می رساند و نیروهای جاذبه میان الکترون ها و هسته ها را ماکزیمم می کند. این تشکیل پیوند در شکل 10 نشان داده شده است. طبق قرارداد، یک اربیتال جهت دار مانند sp^3 اربیتال سیگما نامیده می شود و پیوند بین آنها، پیوند سیگما نامیده می شود.
هر تتراهدرال از کربن هیبرید شده با 4 اتم هیبرید شده ی دیگر ترکیب می شود و یک ساختار شبکه ای سه بعدی و کاملا کوالانسی تشکیل می دهند. شماتیک این کار در شکل 11 آورده شده است. از نقطه نظر هندسه ی مرکزی، هسته ی کربن می تواند به عنوان مرکز یک مربع در نظر گرفته شود. در این حالت هر 4 اربیتال گوشه های مربع را تشکیل داده اند. این ساختار در کریستال الماس مشاهده می شود.
یک آرایش پیوندی تتراهدرال مشابه نیز در مولکول متان مشاهده می شود. در این ماده، اتم کربن هیبرید شده به 4 اتم هیدروژن متصل می شود. 4 اربیتال مولکولی با ترکیب شدن هر اربیتال های با اربیتال اتم هیدروژن متصل شده به آن، تشکیل می شود( شکل 12). مولکول کربن تتراکلرید نیز دارای ساختار مشابه است.
زاویه ی تتراگونال 109 درجه و 28 دقیقه ی مولکول های پیوند سیگما باید به عنوان مقدار متوسط این زاویه در زمان های مختلف در نظر گرفته شود. علت این موضوع این است که این زاویه در طی زمان، تغییر می کند( به دلیل لرزه های گرمایی). انرژی پیوند سیگما و طول پیوند بسته به نوع اتم که به اتم کربن متصل شده است، تغییر می کند. جدول 7 انرژی پیوند و طول پیوند زوج های مختلف کربن را نشان می دهد. انرژی پیوند انرژی مورد نیاز برای شکستن یک مول پیوند است. یک مقدار مساوی از انرژی در هنگام تشکیل پیوند، آزاد می شود. در بخش های بعدی در مورد پیوندهای دوگانه و سه گانه کربن صحبت می کنیم.
پیوندهای که در جدول 7 لیست شده است، در تمام ترکیبات آلیفاتیک که ترکیباتی آلی هستند، وجود دارد. این ترکیبات شامل پارافین، اولفین و استیلن هیدروکربن ها و مشتقات آنها هستند.
اربیتال های و sp
اربیتال
علاوه بر اربیتال هیبریدی تتراگونال ، دو اربیتال دیگر در تشکیل ساختارهای آلوتروپ های کربنی وجود دارند. این اربیتال ها اربیتال های و sp نامیده می شوند.
در حالی که اربیتال های در ترکیبات آلیفاتیک و الماس، اربیتال مهمی تلقی می شود، اربیتال sp^2 پایه ی تمام ساختارهای گرافیتی و ترکیبات آروماتیک است.
مکانیزم هیبریداسیون قدری از هیبریداسیون متفاوت است. آرایش الکترون های پوسته ی L اتم در حالت پایه بدین صورت اصلاح می شود که الکترون های 2s تغییر مکان داده و با دو اربیتال 2p ترکیب می شوند و اربیتال های sp^2 را تشکیل می دهند. در این حالت، یک اربیتال غیر هیبریدی p همانطور که در شکل 13 نشان داده شده است، تشکیل می شود. حالت والانس در این حالت 4 است.
شکل دانسیته ی الکترونی محاسبه شده برای اربیتال مشابه شکل ارائه شده برای اربیتال است که در شکل 7 و 8 مشاهده می شود. این سه اوربتال همانند در یک صفحه قرار گرفته اند و جهت گیری محتمل آنها، زاویه ی 120 درجه است( شکل 14).
اربیتال 4 ام یعنی الکترون p غیر هیبریدی به طور عمودی به سمت صفحه ی تشکیل شده بوسیله ی سه اربیتال حرکت می کند و یک پیوند پای با سایر اتم ها تشکیل می دهند.

پیوند sp و اربیتال sp

اربیتال sp یم امتزاج از اربیتال های s و p است که دارای شکل دو قسمتی است. یکی از این بخش ها بزرگ و دیگری کوچک است( شکل 15). یک پیوند sp شامل دو اربتال sp است که به دلیل دافعه های متقابل، یک زاویه ی 180 درجه تشکیل می دهند. در نتیجه، مولکول sp یک مولکول خطی است. پیوند ایجاد شده در این حالت از نوع سیگماست و دارای استحکام بالایی است.
مثال هایی از مواد دارای این پیوند عبارتند از استیلن، کاربن ها و ... .

مولکول های بخار کربن

در دمای بالا، بخارات کربن گاز تشکیل می دهند. این گاز مخلوطی از اتم های کربن منفرد، مولکول های دو اتمی و چند اتمی است که دارای دو، سه، 4 و یا تعداد بیشتر اتم کربن هستند. این اجزای گازی معمولا با نمادهای C_1، C_2 و .... نشان داده می شوند.
آگاهی از ترکیب و رفتار این بخارات کربنی، اندازه گیری دقیق حرارت تشکیل آنها و تعیین دقیق سرعت آنها برای محاسبه ی حرارت تشکیل ترکیبات آلی مانند انرژی تمام پیوندهای موجود در ساختار، ضروری است.
تبخیر کربن یکی از فاکتورهای اصلی در فرسایش کربن است. این فرسایش پدیده ای اساسی است که کارایی گلوگاه های نازل راکت ها، اجزای موشک که با دمای بالا در تماس هستندرا تحت تأثیر قرار می دهد. سرعت فرسایش به ترکیب بخار کربن ایجاد شده در طی فرسایش و حرارت تشکیل نمونه های کربنی مختلف تشکیل شده، و ضرایب تخریب آنها، بستگی دارد.
اندازه گیری های طیف سنجی جرمی دقیق نشان داد که انرژی مورد نیاز برای تبخیر گرافیت و تشکیل تک اتم های کربنی برابر 710.51 KJ 〖mol〗^(-1) است. مقادیر انرژی مورد نیاز برای تشکیل نمونه های مختلف از بخارات کربن در جدول 8 آورده شده است.
آلوتروپ های کربن

دیاگرام فازی کربن

دیاگرام فازی کربن در شکل 16 نشان داده شده است. کربن در دمای 4800 کلوین و فشار 1000 اتمسفر تبخیر می شود. این تبخیر در ناحیه ی پایدار الماس اتفاق می افتد. تبدیل فشار بالای گرافیت به الماس در دماهای بالا( در حدود 3000 کلوین) و فشارهای بالا( بالاتر از 125 کیلو بار) رخ می دهد.

شکل های آلوتروپی

در بخش های قبلی در مورد راه های مختلف ایجاد پیوند بین اتم های کربن و تشکیل مواد جامد، صحبت کردیم. این جامدات آلوتروپ های( پلیمرف های ) کربن هستند. آنها دارای بلوک های ساختاری یکسانی هستند اما آرایش هیبریدی اتم ها در این مواد مختلف است.
این جامدات آلوتروپ می تواند به سه گروه عمده تقسیم بندی شوند:
ساختارهای که شامل گرافیت، مواد گرافیتی، کربن آمورف و سایر مواد کربنی هستند.
ساختارهای که شامل الماس و لونستالیت( یک شکل از کربن که در شهاب سنگ ها مشاهده شده است).

فلرن ها

این آلوتروپ ها برخی اوقات به همراه مواد شبه الماسی( DLD) همراه هستند که بوسیله ی روش های سنتز فشار پایین تولید می شوند. در واقع این مواد مخلوطی از الماس میکروکریستالی و گرافیت است.
بررسی های اخیر آشکار کرده است که یک سری از الماس های پلیمرمانند مانند الماس هگزاگونال 6-H وجود دارند. بر اساس بررسی های انجام شده، این مواد دارای ساختارهای سه بعدی از کربن هستند که در آنها پیوند ها به صورت هستند. این فاز حداقل از لحاظ تئوری، می تواند سخت تر از الماس باشد. با توجه به اطلاعات این مقابه، هنوز یک دیاگرام فازی متشکل از این نوع جدید از آلوتروپ های کربنی ترسیم نشده است.

مولکول های کربن فلرن شکل

یک گروه از مولکول های کربنی با نام فلرن در سال های اخیر کشف شده اند. این مولکول ها یکی دیگر از شکل های آلوتروپیک کربن است که هم از پیوند های و هم پیوند های تشکیل شده است. فلرن ها دارای کاربردهای زیادی هستند.