흑연의 구조란?

흑연의 구조

흑연은 다음과 같은 거대한 공유 구조를 가지고 있습니다. 각 탄소 원자는 공유 결합에 의해 3개의 다른 탄소 원자에 연결됩니다. 탄소 원자는 육각형 원자 배열로 층을 형성합니다. 레이어 사이에는 약한 힘이 있습니다.

흑연은 3차원으로 설득력 있게 그리기가 상당히 어려운 층 구조를 가지고 있습니다. 아래 다이어그램은 각 레이어의 원자 배열과 레이어의 간격을 보여줍니다.

고체 탄소는 화학 결합의 유형에 따라 동소체로 알려진 다른 형태로 제공됩니다. 가장 일반적인 두 가지는 다이아몬드와 흑연입니다.

다이아몬드에서 결합은 sp3이고 원자는 각각 4개의 가장 가까운 이웃에 결합된 사면체를 형성합니다. 흑연에서 그것들은 sp2 오비탈 하이브리드이고 원자들은 각각 120도 떨어진 세 개의 가장 가까운 이웃에 결합된 평면에서 형성됩니다.

개별 층을 그래핀이라고 합니다. 각 층에서 탄소 원자는 결합 길이가 0.142 nm이고 평면 사이의 거리는 0.335 nm인 벌집 격자로 배열됩니다. 평면의 원자는 공유 결합되어 4개의 잠재적 결합 위치 중 3개만 충족됩니다.

네 번째 전자는 평면에서 자유롭게 이동하여 흑연을 전기 전도성으로 만듭니다. 층 사이의 결합은 약한 반 데르 발스 결합을 통해 이루어지며, 이를 통해 흑연 층이 쉽게 분리되거나 서로 미끄러질 수 있습니다. 층에 수직인 전기 전도도는 결과적으로 약 1000배 더 낮습니다.

다이어그램의 한 부분 또는 다른 부분이 매우 넓게 퍼져 있거나 매우 찌그러져 있지 않으면 레이어의 원자와 동일한 크기로 레이어의 측면도를 실제로 그릴 수 없습니다.

이 경우 관련된 거리에 대한 정보를 제공하는 것이 중요합니다. 층 사이의 거리는 각 층 내의 원자 사이 거리의 약 2.5배입니다.

물론 레이어는 위에 표시된 몇 개뿐만 아니라 엄청난 수의 원자에 걸쳐 확장됩니다.

당신은 탄소가 4개의 짝을 이루지 않은 전자 때문에 4개의 결합을 형성해야 한다고 주장할 수도 있지만, 이 도표에서는 이웃 탄소에 대해서만 3개의 결합을 형성하는 것으로 보입니다. 이 다이어그램은 단순화한 것으로 결합보다는 원자의 배열을 보여줍니다.

 

흑연의 결합

각 탄소 원자는 3개의 전자를 사용하여 3개의 가까운 이웃과 단순 결합을 형성합니다. 그러면 네 번째 전자가 결합 수준에 남습니다. 각 탄소 원자에 있는 이러한 "예비" 전자는 한 층의 원자 시트 전체에 걸쳐 비편재화됩니다.

그것들은 더 이상 특정 원자나 원자 쌍과 직접적으로 연관되지 않지만 전체 시트에서 자유롭게 돌아다닐 수 있습니다. 중요한 것은 비편재화된 전자가 시트 내 어디에서든 자유롭게 이동할 수 있다는 것입니다. 각 전자는 더 이상 특정 탄소 원자에 고정되어 있지 않습니다.

그러나 한 시트의 비편재화된 전자와 인접 시트의 전자 사이에는 직접적인 접촉이 없습니다. 시트 안의 원자는 강력한 공유 결합으로 결합되어 있습니다. 실제로는 비편재화된 전자로 인해 추가 결합이 발생하기 때문에 다이아몬드보다 더 강력합니다.

그렇다면 시트를 함께 고정하는 것은 무엇입니까? 흑연에는 반 데르 발스 분산력의 궁극적인 예가 있습니다. 비편재화된 전자가 시트 내에서 이동함에 따라 매우 큰 임시 쌍극자가 설정될 수 있으며 이는 전체 흑연 결정에 걸쳐 위와 아래 시트에서 반대 쌍극자를 유도할 수 있습니다.

흑연은 다이아몬드와 유사한 높은 융점과 같은 많은 특성을 가지고 있습니다. 흑연을 녹이기 위해서는 한 장의 시트를 다른 시트에서 느슨하게 하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 전체 구조에서 공유 결합을 끊어야 합니다.

부드럽고 미끄러운 느낌이 있으며 연필과 자물쇠와 같은 것의 건조 윤활제로 사용됩니다. 그라파이트는 카드 팩과 비슷하다고 생각할 수 있습니다. 각 카드는 강력하지만 카드가 서로 미끄러지거나 팩에서 완전히 떨어집니다. 연필을 사용하면 시트가 떨어져서 종이에 달라붙습니다.

흑연은 다이아몬드보다 밀도가 낮습니다. 이것은 시트 사이에 "낭비되는" 공간이 상대적으로 많기 때문입니다.

다이아몬드가 불용성인 것과 같은 이유로 흑연은 물과 유기 용매에 불용성입니다. 용매 분자와 탄소 원자 사이의 인력은 흑연의 강한 공유 결합을 극복할 만큼 충분히 강하지 않습니다.

전기를 전도합니다. 비편재화된 전자는 시트 전체에서 자유롭게 이동할 수 있습니다. 흑연 조각이 회로에 연결되면 전자가 시트의 한쪽 끝에서 떨어지고 다른 쪽 끝에서 새 것으로 교체될 수 있습니다.