برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۳/۲۶ تا ۱۳۹۷/۰۴/۰۱

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱۴۴,۹۷۰
  • بازدید این ماه ۷۵۵
  • بازدید امروز ۷
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۲,۸۳۰
  • قبول شدگان ۲,۴۱۱
  • شرکت کنندگان یکتا ۱,۰۸۹
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۸۱
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

مقدماتی

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

شیمی ترکیبات کربن

ترکیبات کربنی (ترکیبات آلی) گستردگی زیادی داشته و از اهمیت بسزایی برخوردارند. ترکیبات آلی در دو گروه آلیفاتیک و آروماتیک قرار می‌گیرند. این ترکیبات می‌توانند زنجیره‌ای، حلقوی و/یا دربرگیرنده ساختارهای سه بعدی باشند. کربن می‌تواند هیبریدهای متنوع را در این ترکیبات دارا باشد. خصوصیات متنوع (نانو) ساختارهای کربنی مستقیماً با هیبرید اتم‌های کربن مرتبط است. به جز کربن و هیدروژن، اتم‌هایی همچون اکسیژن، نیتروژن، گوگرد، هالوژن‌ها و ... نیز در ساختار ترکیبات آلی مشارکت می‌کنند. گروه‌های عاملی بخش‌هایی از مولکول آلی با آرایش اتمی مشخص هستند که ویژگی‌ها و واکنش‌پذیری ترکیب را رقم می‌زنند.
1- مقدمه
کربن (C) را می‌توان یک عنصر استثنائی در جدول تناوبی دانست. شیمی گسترده ترکیبات کربنی تا به آن حد است که یکی از گرایش‌های رشته شیمی با عنوان شیمی آلی (Organic Chemistry) به‌طور کامل به بررسی ترکیبات این عنصر از جدول تناوبی می‌پردازد. پیوند کوالانسی هر اتم کربن با انواع دیگر اتم‌ها یا اتم‌های کربن دیگر، ساختارهای نامحدود و بسیار متنوعی را ایجاد می‌کند. از جهت دیگر بسیاری از ترکیباتی که در طبیعت طی روش‌های طبیعی سنتز، ساخته می‌شوند نیز از خانواده ترکیبات آلی (کربنی) هستند. گستره وسیعی از ترکیبات شامل ترکیبات متنوع نفتی تا مواد دارویی و بسپارهای آلی (Polymers) زیرمجموعه ترکیبات کربن قرار می‌گیرند. در نانوفناوری نیز، ترکیبات کربنی دسته مهم و مشخصی را به خود اختصاص می‌دهند که با عنوان نانوساختارهای کربنی (Carbon Nanostructures) خوانده می‌شوند. نانوساختارهای کربنی خصوصیات فیزیکی-شیمیایی منحصر به فردی از خود نشان می‌دهند و نقش گسترده‌ای در زمینه فناوری‌های نوین و پیشرفته دارند. مطالعه شیمی پایه ترکیبات کربنی (شیمی آلی) می‌تواند راهگشای درک بسیاری از خصوصیات نانوساختارهای کربنی و همچنین اصلاح (Modification) ساختاری آنها باشد.
دو ایزوتوپ (Isotope) عمده کربن شامل 12C و 13C می‌باشد که به‌صورت طبیعی وجود ندارد. 14C ناپایدار است و جزء ترکیبات رادیواکتیو محسوب می‌شود. 13C در مقایسه با 12C فراوانی بسیار کمتری دارد اما یک هسته فعال در طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته (Nuclear Magnetic Resonance-NMR) محسوب می‌شود. 13CNMR یک تکنیک بسیار خوب و دقیق در بررسی ساختار مولکولی است.

2- هیبریدهای اتم کربن و پیوند کوالانسی
تشکیل ترکیبات آلی بر پایه پیوندهای کوالانسی (Covalent Bonding) است. مدل اوربیتال‌های هیبریدی، یک الگوی توصیفی از تشکیل پیوندهای کوالانسی بین اتم‌هاست. در این مدل اوربیتال‌های هر اتم (که دربرگیرنده الکترون‌های پیوندی است) با یکدیگر ترکیب شده و اوربیتال‌های هیبریدی را تولید می‌کند. اوربیتال‌های هیبریدی ایجاد شده، دارای ساختار و انرژی مشابه بوده و در تشکیل پیوند با اتم‌های دیگر مشارکت می‌کنند. این پیوند با نام پیوند سیگما (σ) شناخته می‌شود. برای مثال در تشکیل مولکول متان (CH4) سه اوربیتال p و یک اوربیتال s از اتم کربن وارد واکنش می‌شود. از آن‌جا که هر چهار پیوند کربن-هیدروژن در متان کمابیش مشابهند، می‌توان تصور کرد که ترکیب (هیبرید) این چهار اوربیتال در ساخت مولکول به‌کار گرفته شده است. به عبارت دیگر، به جای سه اوربیتال p و یک s (جمعاً چهار اوربیتال)، چهار اوربیتال مشابه sp3 در واکنش شرکت نموده‌اند. در ترکیبات آلکان (Alkane) پیوندهای یگانه دارای هیبرید sp3، پیوندهای دوگانه در ترکیبات آلکن (Alkene) دارای هیبرید sp2، و پیوندهای سه گانه در ترکیبات آلکین (Alkyne) دارای هیبرید sp هستند. اوربیتال‌هایی از کربن که در پیوند شرکت نمی‌کنند به‌صورت غیرهیبریدی (عمود بر صفحه پیوند) باقی می‌مانند. شکل 1 ساختار هیبریدی متفاوت اتم‌های کربن را نشان می‌دهد. در ساختار sp2 ، سه اوربیتال هیبریدی با زاویه ̊120 در یک صفحه قرار می‌گیرند که از ترکیب یک اوربیتال اتمی s کربن با دو اوربیتال p آن به‌دست آمده‌اند. اوربیتال p هیبرید نشده به‌صورت عمود بر صفحه سه اوربیتال هیبریدی قرار می‌گیرد. در ساختار sp، اوربیتال‌های اتمی s و p از کربن با یکدیگر ترکیب شده و دو اوربیتال هیبریدی sp می‌سازند که با زاویه ̊180 نسبت به یکدیگر قرار می‌گیرند. دو اوربیتال p غیرهیبریدی در صفحاتی عمود بر اوربیتال‌های هیبریدی واقع می‌شوند. دو اوربیتال sp هیبریدی در تشکیل پیوند اصلی (سیگما σ) و دو اوربیتال p عمود برهم در تشکیل پیوندهای π دخالت می‌کنند.

filereader.php?p1=main_07113dd935e99e8bc
شکل 1-  اوربیتال‌های مولکولی هیبریدی اتم‌های کربن در آلکان (sp3)، آلکن (sp2) و آلکین (sp)

در اصل این هیبرید اتم کربن است که تفاوت‌های ساختاری و خصوصیات ترکیبات کربنی مختلف را باعث می‌شود. الماس یک ساختار بلوری کربنی با هیبرید sp3 می‌باشد. در مورد گرافن (صفحات گرافیتی) هیبرید کربن، sp2 می‌باشد. اوربیتال p باقیمانده (که در هیبرید sp2 شرکت نمی‌کند) عمود بر صفحه گرافیتی باقی می‌ماند و پیوندهای π را بین صفحات تشکیل می‌دهد (شکل 2). استحکام پیوند میان اتم‌های کربن (پیوندهای سیگما σ) در صفحه گرافیتی در مقایسه با پیوندهای ضعیف‌تر π در میان صفحات، باعث خصوصیت ورقه‌ای بودن گرافیت می‌شود. وجود الکترون‌های π در ساختار گرافیت، رسانش الکتریکی بالا را سبب می‌شود که در ساختار الماس با کربن هیبریدی sp3 دیده نمی‌شود. از جهتی الماس به‌دلیل ساختار بسیار پایدار خود، دارای رسانش گرمایی (Thermal Conductivity) بسیار بالا و از جهتی بالاترین میزان سختی (Hardness) در میان مواد توده‌ای (Bulk Material) است. در مقابل به‌دلیل فقدان الکترون‌های π، رسانش الکتریکی در الماس دیده نمی‌شود.

filereader.php?p1=main_453b0873811ca4823
شکل 2 - ساختار صفحات گرافیتی، از چپ به راست: اوربیتال‌های p عمود بر صفحه، ابر π دربرگیرنده صفحات، شمای پیوندهای π درمیان صفحات

شکل 3 ساختارهای حدواسط (Intermediate) از کربن را نشان می‌دهد. این ترکیبات کربنی پایدار نیستند و از این‌رو واکنش‌پذیری بالایی از خود نشان می‌دهند. بسیاری از واکنش‌های ترکیبات آلی از مسیر یکی از این حد واسط‌ها می‌گذرد (حدواسط در مسیر واکنش تولید و سپس مجدداً مصرف می‌شود). هرچند در شکل 3 حدواسط‌های کربنی با ساختار مسطح نشان داده شده‌اند، برخی از این ترکیبات می‌توانند ساختارهای دیگر (مثلاً هرمی) نیز داشته باشند.

filereader.php?p1=main_476cc6ddc56a59583
شکل 3 - حدواسط‌های کربنی واکنش‌پذیر

کربوکاتیون (Carbocation) گونه‌ای با ساختار هندسی مسطح مثلثی (Trigonal Planar) است که تنها دارای 6 الکترون می‌باشد (Sixtet). کربوکاتیون به‌عنوان یک مرکز مثبت عامل واکنش با ترکیبات دارای الکترون (یا بار منفی) است که اصطلاحا ترکیبات هسته‌دوست (Nucleophile) نامیده می‌شوند. برخلاف کربوکاتیون، کربانیون (Carbanion) هشت الکترونی است (Octet) و یک مرکز منفی در مسیر واکنش ایجاد می‌کند که به ترکیبات الکترون‌دوست (Electrophile) تمایل دارد.

3- هیدروکربن‌های آروماتیک و آلیفاتیک
در شیمی آلی، به ترکیباتی که تا درصد بالایی از فرمول مولکولی خود از کربن و هیدروژن ساخته شده‌اند، ترکیبات هیدروکربنی (Hydrocarbons) گفته می‌شود. ترکیبات هیدروکربنی در دو دسته آلیفاتیک (Aliphatic) و آروماتیک (Aromatic) قرار می‌گیرند. ترکیبات آروماتیک ساختاری ویژه دارند؛ در این ترکیبات، پیوندهای دوگانه (پیوندهای π) به‌صورت یکی در میان قرار گرفته‌اند. از آنجا که ساختار این ترکیبات حلقوی بوده و حالتی مسطح (Planar) دارند، الکترون‌های π (پای) غیرمستقر (Delocalized) می‌توانند درون مولکول جریان یابند. به بیان دیگر، چنین مولکول‌هایی دارای یک سامانه جفت شده (Conjugate) بین اوربیتال‌های p اتم‌های کربن هستند (اتم‌های کربن هیبرید sp2 داشته و اوربیتال‌های p عمود بر صفحه مولکولی آزاد بوده و در تشکیل ابر الکترونی π مشارکت می‌کنند). به‌دلیل وجود همین جریان غیرمستقر الکترونی است که حلقه‌های آروماتیک پایداری شیمیایی خاصی را از خود نشان می‌دهند. باید ذکر کرد که ترکیبات آروماتیک حاوی تعداد مشخصی از الکترون‌های π هستند. معروف‌ترین ترکیب از این دسته، مولکول بنزن (Benzene) با فرمول مولکولی C6H6 و با 6 الکترون π است. ساختار اوربیتالی مولکول بنزن و ابر غیرمستقر الکترون‌های π در شکل 4 نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_733ad211acecd0712
شکل 4 - ساختار اوربیتالی مولکول آروماتیک بنزن، الف) اوربیتال‌های p عمود بر صفحه مولکولی و ابر π حاصل از جفت‌شدگی الکترون‌ها، ب) نمای شماتیک گردش الکترون‌ها در مولکول بنزن

ترکیبات آروماتیک معمولاً واکنش‌هایی از نوع جانشینی (Substitution) و به‌خصوص واکنش‌های جانشینی الکتروفیلی (Electrophilic Substitution) را انجام می‌دهند. برخلاف واکنش‌های افزایشی (Addition)، در واکنش‌های جانشینی ساختار (و در نتیجه پایداری) آروماتیکی حفظ می‌شود و تنها گروه‌های هیدروژن روی حلقه با گروه‌های دیگر (مثل متیل، نیترو، هالید ...) جایگزین می‌شوند.
دسته دیگر، ترکیبات آلیفاتیک هستند. هرچند این ترکیبات به‌صورت زنجیره‌ای (Chain) یا حلقوی (Cyclic) وجود دارند و می‌توانند حاوی پیوندهای π غیرمستقر (پیوندهای دوگانه و سه گانه) باشند، گردش الکترون در این ساختارها مشاهده نمی‌شود. از همین‌روست که ترکیبات آلیفاتیک پایداری خاص ترکیبات آروماتیک را ندارند و از این‌رو واکنش‌های شیمیایی گسترده‌تری را انجام می‌دهند. یک درشت مولکول (Macromolecule) می‌تواند دارای بخش‌های متفاوت آلیفاتیک و آروماتیک باشد. برخی از ترکیبات آلیفاتیک حلقوی (که می‌توانند شامل اتم‌هایی به‌غیر از هیدروژن و کربن نیز باشند) در شکل 5 آورده شده است.

filereader.php?p1=main_2a033441826e936c6
شکل 5- برخی ترکیبات آلیفاتیک حلقوی

به‌طور کلی در ترکیبات حلقوی، پایدارترین حلقه‌ها شش عضوی هستند (مثل سیکلوهگزان). حلقه‌های کوچک‌تر معمولاً دارای فشار بوده (Strain) و از این جهت ناپایدارتر هستند (مثل سیکلوبوتان). این ترکیبات حلقوی مسطح نیستند (Planar) و در فضا ساختارهای متفاوت سه بعدی به خود می‌گیرند. معمولاً در رسم ساختارها در شیمی آلی، اتم‌های کربن در نقاط شکست خط ها درنظر گرفته می‌شوند.
حلقه‌هایی که حداقل از دو نوع اتم ساخته شده‌اند (مثل اتر تاجی و اپوکسید) با نام هتروسیکل (Heterocylic) خوانده می‌شوند. شکل 6 تعدادی از معروف‌ترین ترکیبات هتروسیکل آروماتیک (Heteroaromatic) را نمایش می‌دهد:

filereader.php?p1=main_90b18523a879a9687
شکل 6- برخی ترکیبات هتروسیکل آروماتیک

4- وجود هترواتم‌ها (Heteroatoms) و گروه‌های عاملی
هرچند پیکره اصلی ترکیبات هیدروکربنی از کربن و هیدروژن تشکیل شده است، وجود عناصر دیگری همچون هالوژن‌ها و یا نیتروژن، اکسیژن، گوگرد و ... (هترواتم‌ها) نیز ممکن است. معمولاً هترواتم‌ها خواص الکترونگاتیویتی (Electronegativity) متفاوتی در مقایسه با اتم کربن دارند و از این جهت بر خصوصیات مولکول تاثیر به‌سزایی دارند. معمولاً هترواتم‌ها نسبت به کربن الکترونگاتیویتی بالاتری دارند، از این‌رو در هنگام پیوند با کربن، ابر الکترونی مشترک را بیشتر به سمت خود کشیده و اندکی بار منفی می‌گیرند. در مقابل، کربن نیز در پیوند با چنین اتم‌هایی اندکی بار مثبت می‌گیرد. معمولاً هترواتم‌ها نقش خود را در قالب گروه‌های عاملی (Functional Groups) اعمال می‌کنند. گروه‌های عاملی اکسیژن‌دار نظیر هیدروکسیل (-OH) و کربوکسیل (-COOH) به‌ترتیب خاصیت الکلی و اسیدی به مولکول می‌بخشند. گروه CO (پیوند دوگانه کربن و اکسیژن) نیز گروه کربونیل خوانده می‌شود و بسته به آنکه در چه بخشی از مولکول واقع شود، خصوصیات آلدهیدی (Aldehyde) یا کتونی (Ketone) را ایجاد می‌کند. نیتروژن بیشتر در ساختار ترکیبات آمین و آمید شرکت می‌کند و گوگرد، گاه به صورت گروه عاملی تیول (-SH) حضور دارد. مکان قرار گرفتن هترواتم‌ها در ساختمان مولکولی نیز حائز اهمیت است. برای مثال، اگر اکسیژن در میان زنجیره هیدروکربنی قرار گیرد (C-O-C) ساختار اتر (Ether) خوانده می‌شود، اما اگر همین اکسیژن از یک طرف به گروه عاملی کربونیل (CO) متصل باشد (C-O-(CO)-)، ساختار و خصوصیات به کل متفاوت خواهد بود. نوع اتم‌های سازنده به همراه هندسه مولکولی نقشی اساسی در قطبیت مولکول آلی خواهد داشت. شمایی از گروه‌های عاملی مهم در شکل 8 آمده است.

filereader.php?p1=main_f40b06160143a41ee
شکل 7- تعدادی از گروه‌های عاملی مهم

5- نتیجه‌گیری
مطالعه شیمی آلی در شناخت خصوصیات و اصلاح نانوساختارهای کربنی حائز اهمیت است. کربن با اوربیتال‌های هیبریدی مختلف در ترکیبات متنوع شرکت می‌کند. اوربیتال‌های p که در هیبریداسیون شرکت نمی‌کنند، می‌توانند در تشکیل پیوندهای π مداخله کنند. جفت‌شدگی پیوندهای π در ساختارهای حلقوی پایداری خاص آروماتیکی را ایجاد می‌کند. حضور اتم‌هایی همچون نیتروژن و اکسیژن (هترواتم‌ها) در ساختار مولکول آلی، ویژگی‌های خاص را باعث می‌شود. وجود پیوندهای دوگانه، سه گانه و یا گروه‌های عاملی مختلف و همچنین هندسه متنوع اتصال اتم‌های کربن به یکدیگر منجر به گستردگی و واکنش‌پذیری ترکیبات آلی می‌شود.

منابـــع و مراجــــع

1. 1- رابرت تورنتون موریسون، رابرت نیلسون بوید، شیمی آلی، عیسی یاوری، سیداحمد میرشکرایی، علی سیدی اصفهانی، علوم دانشگاهی، جلد اول، دوم، سوم (1388-1390).

2. K. P. C. Vollhardt, N. E. Schore, Organic chemistry, Structure and function, 5th edition,USA, W. H. Freeman and Company (2007).

3. T. W. G. Solomons, C. B. Efryhle, Organic chemistry, 10th edition, USA, John Wiley & Sons (2011).

نظرات و سوالات

نظرات

0 0

هادی زادسیرجان - ‏۱۳۹۵/۰۲/۰۳

با سلام و تشکر

دید خوب و قابل قبولی به بنده داد

0 0

الهام یاراحمدی - ‏۱۳۹۳/۰۷/۲۹

مرسی

0 0

افسانه ارست - ‏۱۳۹۳/۰۲/۱۹

الان امتحان شروع شده ولی من هنوز نمیدونم کارت ورود به جلسمو از کدوم سایت بگیرم

پاسخ مسئول سایت :
سلام
اگر منظور شما کارت مسابقه ی نانو هست باید به صفحه ی شخصی خود در سایت ستاد (nano.ir) و یا به نهاد ترویجی که از طریق آن ثبت نام کرده اید مراجعه نمایید.
0 0

شکوفه اسدی فریسار - ‏۱۳۹۲/۱۲/۲۵

بسیار عالی بود مطالب خیلی واضح بود به طوری که با یک بار خواندن کاملا متوجه موضوع میشویم

1 0

محمدهادی رئیسی - ‏۱۳۹۲/۱۰/۰۴

هم آلی بود هم عالی بود.

از این که مطالب رو ساده نوشتید که شیر فهم بشیم ممنون

2 -1

اکبر سلیمانی - ‏۱۳۹۲/۰۹/۲۰

عالی بود

0 0

طاهره اکبری بدخشان - ‏۱۳۹۲/۰۶/۰۴

با سلام مطالب خوبی گفته شده اما منابع در متن مشخص نیست.

0 0

پری

واقعا مرسی

2 -3

HAMID ARVIN

با سلام و خسته نباشید
سپاس ویژه از مدیران و مسوولان سایت.
با توجه به اینکه متخصص شیمی آلی و شیمی معدنی با سنتز ماده سرو کار دارند و درک کاملتری از ماده و ساختار آن دارند، اگه تو بحث "نانو ساختارهای کربنی" متخصص شیمی آلی و در بقیه مباحث (بجز نقاط کوانتومی) متخصص شیمی آلی و شیمی معدنی مقاله ارائه می داند، بهتر بود و شیوایی و یکنواختی متن حفظ می¬شد.
حمید آروین نژاد
دکترای شیمی آلی از دانشگاه شهید بهشتی

0 0

AMIN

20