Zorluk Dağılımı
Konular (3)
Organik Kimya
Elektrokimya
Hidrokarbonlar
Örnek Sorular
Grafen, sp² hibritleşmesi yapmış karbon atomlarından oluşan tek katmanlı, altıgen örgü yapısında bir malzemedir. Bu yapı rulo haline getirilerek Karbon Nanotüpler (CNT) elde edilir. CNT'lerin elektriksel özellikleri, grafen sayfasının hangi yönde rulo yapıldığına (kiralite) bağlı olarak metalik veya yarı iletken olabilir. Grafen tabakasının elektriksel iletkenliği ile ilgili aşağıdaki ifadelerden hangisi, yapısındaki orbital etkileşimleri dikkate alındığında en kapsamlı açıklamadır?
Karbon atomları arasındaki tüm değerlik elektronları \sigma bağlarında lokalize olduğu için sadece ısıl iletkenlik gösterir.
Hibritleşmeye katılmayan her bir karbon atomuna ait p_z orbitalleri, düzleme dik konumda birleşerek tüm tabaka boyunca delokalize bir π sistemi oluşturur; bu 'elektron denizi' elektrik iletimini sağlar.
Altıgen halkaların merkezindeki boşluklar, protonların serbestçe hareket etmesine izin vererek iyonik iletkenlik sağlar.
Grafende karbon atomları arasındaki bağlar sp³ karakterinde olduğu için elektronlar atomlar arasında kuantum tünelleme ile hareket eder.
Sadece bal peteği yapısındaki kusurlu bölgelerde (pentagon veya heptagonlar) biriken yükler sayesinde iletkenlik oluşur.
Termodinamik verilere göre grafit, standart koşullar (25°C, 1 atm) altında karbonun en kararlı allotropudur. Elmasın grafite dönüşümü ekzotermiktir (ΔH = -1.9 kJ/mol), ancak bu dönüşümün aktivasyon enerjisi o kadar yüksektir ki oda koşullarında fark edilemez. Aşağıdaki grafik karbonun basınç-sıcaklık (P-T) faz diyagramının sadeleştirilmiş bir modelidir. Bu diyagram ve allotropların yapısal özellikleri dikkate alındığında, aşağıdakilerden hangisi sentezlenebilir bir çıkarımdır?
Yüksek basınç altında grafitin elmasa dönüşmesi, elmasın yoğunluğunun grafitin yoğunluğundan daha düşük olmasından kaynaklanır.
Sıvı karbonun aniden soğutulması (quenching) her zaman en düşük enerjili yapı olan grafiti verir.
Çok yüksek sıcaklıklarda (4000 K üstü) grafitin sıvı faza geçmeden doğrudan elmasa dönüşmesi termodinamik olarak imkansızdır.
Fullerenler ve karbon nanotüpler, bu diyagramda 'kararlı bölge' olarak işaretlenen alanların dışında, genellikle meta-stabil (yarı-kararlı) formlar olarak laboratuvar koşullarında sentezlenir.
Düşük basınç ve çok yüksek sıcaklık bölgesi, elmasın kristal yapısının bozulmadan korunduğu temel bölgedir.
Karbon allotroplarının fiziksel ve kimyasal özellikleri, atomlar arasındaki hibritleşme türü, bağ açıları ve orbital örtüşmeleri ile doğrudan ilişkilidir. Aşağıdaki tabloda saf karbonun dört farklı formu için deneysel veriler verilmiştir. Tablodaki verileri ve modern atom teorisini dikkate alarak, bu allotropların yapısal karakteristikleri hakkında yapılan çıkarımlardan hangisi 'hibritleşme-geometri' ilişkisi açısından yanlıştır? (Veriler standart koşullar altındadır.)
I. yapıdaki karbon atomları sp³ hibritleşmesi yapmış olup, tüm bağlar özdeş \sigma (σ) bağlarıdır.
II. yapıda p orbitallerinin yan yana örtüşmesiyle oluşan delokalize π elektronları, yapıya yüksek elektriksel iletkenlik kazandırır.
III. yapıda karbon atomları sp² hibritleşmesi yapmış olsa da, yapının küresel eğriliği nedeniyle p orbitalleri mükemmel bir paralellikte değildir, bu da '\piramitleşme' karakteri (sp²'den sp³'e kayma) katar.
IV. yapı, tek bir atom kalınlığında olup iki boyutlu bir bal peteği örgüsüne sahiptir ve karbon atomları arasındaki bağ uzunluğu II. yapıdan daha büyüktür.
Tüm yapılarda karbon atomları arasındaki bağların koparılması için gereken enerji (bağ enerjisi), hibrit orbitallerindeki 's' karakteri arttıkça artış gösterme eğilimindedir.
Karbonun yapay allotroplarından olan fullerenler, belirli sayıda karbon atomunun bir araya gelerek oluşturduğu kafes yapılardır. En bilinen üyesi olan Buckminsterfulleren () molekülü ile ilgili olarak; yapısındaki halka türleri, bağ açıları ve hibritleşme durumu analiz edildiğinde aşağıdakilerden hangisi söylenemez?
molekülünde her bir karbon atomu üç farklı karbon atomuna bağlanarak sp² hibritleşmesi yapmıştır, ancak yapının küresel eğriliği nedeniyle bu bağlar tam düzlemsel değildir.
Molekül yapısında 20 adet altıgen ve 12 adet beşgen halka bulunur; beşgen halkalar yapının kapanmasını ve küreselleşmesini sağlar.
Fullerenler, elmas ve grafitin aksine belirli bir molekül ağırlığına sahip olan ve organik çözücülerde (benzen gibi) çözünebilen moleküler yapılardır.
Yapıdaki tüm C-C bağları özdeştir ve grafit tabakalarındaki bağ uzunluğuyla (142 pm) tamamen aynı değerdedir.
Fullerenlerin içi boş kafes yapısı, içlerine uygun boyuttaki metal atomlarının veya küçük moleküllerin hapsedilmesine (endofulleren) olanak tanır.
Grafen, karbonun iki boyutlu (2D) bir allotropu olup modern teknolojide devrim niteliğinde özellikler sergiler. Aşağıdaki grafikte grafenin termal iletkenliği ile diğer yaygın iletken maddelerin oda sıcaklığındaki karşılaştırması verilmiştir. Grafenin bu olağanüstü termal ve elektriksel özelliklerinin temel yapısal nedeni aşağıdakilerden hangisinde en doğru şekilde açıklanmıştır?
Karbon atomlarının sp³ hibritleşmesi yaparak oluşturduğu 3 boyutlu dev molekül yapısı, titreşimlerin (fononların) hızla yayılmasını sağlar.
Tek bir atom kalınlığındaki bal peteği örgüsünde, her karbon atomunun yaptığı 3 adet \sigma bağının yanı sıra boşta kalan p orbitallerinin oluşturduğu delokalize π sistemi, elektronların ve ısı taşıyıcıların sürtünmesiz hareketine olanak tanır.
Grafen tabakaları arasındaki Van der Waals etkileşimlerinin yokluğu, karbon atomlarının serbestçe dönmesini ve bu sayede kinetik enerjinin kayıpsız iletilmesini sağlar.
Grafen yapısındaki karbon atomlarının sadece çift bağlarla (C=C) bağlı olması, bağ enerjisini maksimize ederek ısıl iletimi metalik bağlardan daha güçlü kılar.
Grafen, moleküler bir yapıda olduğu için ısı iletimi sadece molekül içi titreşimlerle gerçekleşir, bu da onu en iyi yalıtkanlardan biri yapar.