Dodaj do listy

ALOTROPOWE ODMIANY WĘGLA

Alotropia

Węgiel występuje w trzech odmianach alotropowych:  grafitu, diamentu i fullerenów. Zjawisko to polega na występowaniu tego samego pierwiastka chemicznego w dwóch, lub większej ilości form krystalicznych (np. węgiel w formie grafitu, diamentu, fullerenów) albo cząsteczkowych (tlen O2 i ozon O3), nazywane są odmianami alotropowymi. Oprócz węgla znane są odmiany alotropowe arsenu, fosforu, cyny, selenu, antymonu czy siarki. Określona odmiana wykazuje trwałość w pewnym zakresie temperatury oraz ciśnienia, a  zmiana takich warunków powodowuje powstanie innej odmiany alotropowej.

Grafit

Historia

W średniowieczu używano grafitu do pisania i wyrobu tygli alchemicznych. K. Scheele odkrył, że jest on odmianą węgla w 1779 r. Według legendy pewnego razu przeraźliwa burza poprzewracała olbrzymie drzewa, odsłaniając pokłady substancji o czarnej barwie, której pokłady znajdowały się pod korzeniami. Swoim wyglądem przypominała ona węgiel, ale nie była palna. Pasterze używali grafitu do  znakowania owiec. Materiał ten był najlepszym pod względem jakości, grafitów na świecie, wykorzystywanych powszechnie z uwagi na swą jednolitość. Używany był do produkcji  kul armatnich, w czasach Elżbiety I.

Budowa

Budowa grafitu nie należy do zbyt skomplikowanych (Rys 1). Sieć złożona jest z płaskich warstw ułożonych jedna na drugą. Każda z nich posiada formę plastra miodu - atomy węgla rozmieszczone

są w narożach sześciokątów. Atomy węgla w sześciokątach łączą się poprzez wiązanie kowalencyjne,

a pomiędzy warstwami oddziaływają dość słabo. Z tego względu krystaliczny grafit jest miękki, łatwo łupliwy.

Rys 1. Struktura grafitu

Właściwości fizyczne

barwa

czarno-szara

połysk

metaliczny

miękkość

bardzo miękki (twardość 1 w skali Mohsa), dość łupliwy

przewodnictwo

bardzo dobrze przewodzi prąd oraz ciepło

Rozpuszczalność

w wodzie

nie rozpuszcza się w wodzie

Odporność na czynniki chemiczne

i termiczne

bierny chemiczne, nie rozpada się pod wpływem podwyższonej  temperatury

Tabela 1. Właściwości fizyczne grafitu

Grafit oraz jego wytwory są stosunkowo odporne na czynniki chemiczne, łatwo ulega utylizacji nie powodując przy tym większej szkody dla środowiska naturalnego, nie nastręcza trudności w składowaniu.  Tym przymiotom zawdzięcza określenie go jako materiału nowoczesnego oraz ekologicznego. Grafit pełni również jeszcze bardzo ważną rolę, zastępując azbest Azbest minerał o dużej odporności termicznej i chemicznej, włóknista odmiana amfibolu lub serpentynu. Był wykorzystywany do produkcji materiałów ogniotrwałych i termoizolacyjnych. Obecnie jest wycofywany... Czytaj dalej Słownik geograficzny (o właściwościach  rakotwórczych). 

Występowanie

Grafit można spotkać w przyrodzie pod postacią minerału znajdującego się przede wszystkim w skałach metamorficznych (m.in. w łupkach grafitowych i łupkach krystalicznych). Największe złoża tej odmiany alotropowej są w Chinach (80%), Austrii, Brazylii, Korei Południowej, Indiach, na Cejlonie, Madagaskarze, Sri Lance, w Kalifornii i na Ukrainie. Najwartościowszy grafit na świecie pochodzi z Sonory w Meksyku, który jest drobny oraz szczególnie czarny. W Polsce wydobywa się go na Dolnym Śląsku.

Otrzymywanie

Grafit można otrzymać również sztucznie. Jego syntetyczną odmianę otrzymuje się z koksu petrochemicznego, który mieszany jest z pakiem (pozostałością podestylacyjnej smoły koksowej)

w temperaturze 160oC. Potem następuje koksowanie tej mieszaniny w atmosferze beztlenowej

w temperaturze 800 oC. Proces ten, powtarzany jest kilka razy, po wymieszaniu z kolejną dozą paku. Otrzymany surowiec Surowiec przedmiot naturalny (powstały w naturalnym procesie genetycznym), pochodzenia mineralnego, roślinnego lub zwierzęcego, wykorzystywany do dalszego przetwarzania (w przemyśle przetwórczym) w celu uzyskania... Czytaj dalej Słownik geograficzny poddaje się grafityzacji  w temperaturze: 2500 - 3000 oC.

Zastosowanie

Własność fizyczna

Zastosowanie

Wysoka temperatura topnienia

Tygle, materiały ogniotrwałe,

Dobry przewodnik elektryczności

Kolektory napięcia, szczotki węglowe,  odbieraki prądu, taśmy przewodzące

i podkładziny

Dobrze smarujący powierzchnie

Smary, wypełnienia

Rozszerzalność

Podkładki, paski oraz pierścienie

w wysokich temperaturach,  folie

Odporność chemiczna

Używane w środowiskach korozyjnych

Wysokie przewodnictwo cieplne, spowalnianie procesu spalania, stabilność struktury w podwyższonych temperaturach

Do łączenie stali z metalami nieżelaznymi, do tygli odlewniczych oraz  materiałów okładzinowych

Redukcja współczynnika zużycia, redukcja współczynnika tarcia, smarowania

Do produkcji okładzin hamulcowych

Konsystencja miękka, niskie współczynnik tarcia, bierny chemicznie, odporny na działanie  wysokich temperatur

Smary

Bierny chemicznie, stabilny w temperaturze pokojowej, wysokie przewodnictwo elektryczne, przenoszenie ładunku

baterie, głównie suche ogniwa

Własności antykorozyjne

Farby stosowane przeciw korozyjnie (powierzchnie metalowe)

Przewodnictwo oraz kolor

Jako farby używane do ekranów elektrycznych

Własności antystatyczne

Do pokrywania podłóg w celu dla eliminacji elektryczności statycznej

Wysokie przewodnictwo ciepła i odporność na podwyższoną temperaturę

Materiały ogniotrwałe

Własności smarujące

Smary samochodowe, dodatki do wiercenia, do samosmarujących mechanicznych części np. łożyska czy  podkładki

Kontrola spalania

Materiały wybuchowe (kontrola bezdymnego spalania prochu)

Spowalnia neutrony, ale ich nie  wychwytuje

Opóźnia neutrony podczas reaktorach jądrowych

Tabela 2. Zastosowanie grafitu.

Grafit posiada bardzo różnorodne zastosowania względu na wiele właściwości. Grafitu używa się  także w ołówkach. Jego produkcja Produkcja zorganizowana działalność ludzi polegająca na wytwarzaniu dóbr materialnych oraz świadcząceniu usług, służąca zaspokojeniu potrzeb.
Czytaj dalej Słownik geograficzny
jest dość trudna. Wkłady stanowią mieszaninę czystego grafitu i glinki, a później wypala się w piecu ukształtowane pręciki. Zmielenie grafitu nie jest zbyt  łatwą czynnością,  gdyż użycie zwykłego młynka prowadzi do powstania smaru (ze względu na warstwowa strukturę). Do tego celu stosuje się urządzenia, dzięki któremu drobinki grafitu uderzają się o siebie, powodując rozdrobnienie. Tak otrzymany proszek grafitowy wyrabiany jest z glinką porcelanowa oraz wodą, aż do uzyskania kitu o jednolitej konsystencji. Stosunek składników wpływa na grubość ołówka. Najwięcej grafitu posiada ołówek bardzo miękki i zarazem czarny. Otrzymany wkład, wkłada się do powycinanych z listewek rowków przykrywając drugą, podobnie wyżłobioną listewką. Następnie twór ten maszyna przycina uzyskując pojedyncze ołówki, których przekrój może mieć formę  sześciokąta albo koła. Grafit może również występować w postaci płynnej. Przeznaczony jest on do naprawy niewielkich uszkodzeń oraz  rys na blankach wędzisk węglowych.

Diament

Historia

Diamenty są najcenniejszymi i najtwardszymi kamieniami szlachetnymi. Znane są od starożytności 

w Azji, rzadko przywożone do państw śródziemnomorskich. W XII wieku znane były w całej Europie,

a w XIV w,  ludzie Ludzie J. R. R. Tolkien Hobbit, czyli tam i z powrotem, bohater zbiorowy; ludzie Trzeciej Epoki są zupełnie podobni do ludzi współczesnych. Tak jak dzisiaj zdarzają się wśród nich postacie niezwykłe, szlachetne,... Czytaj dalej Słownik bohaterów literackich - gimnazjum uważali je za bardzo cenne i zajmowali się ich poszukiwaniem. Kamienie te szlifowano uzyskując formę ośmiokąta.

Budowa

Struktura diamentu jest uporządkowana (Rys 2). Jego sieć krystaliczną tworzy  atom węgla łączący się

z czterema innymi atomami węgla (węgiel jest pierwiastkiem czterowartościowym). Wszystkie odległości pomiędzy atomami węgla są takie same, tak więc wiązania też są równocenne (nie wykazuje łupliwości). Ponieważ wszystkie elektrony pozostają w wiązaniach, dlatego diamenty posiadają cechy izolatorów. Aby odróżnić diament Diament minerał. Odmiana czystego węgla, tworząca przeważnie bezbarwne, przezroczyste kryształy o ekstremalnej twardości minerału: 10 w skali Mohsa (największej ze wszystkich minerałów). Występuje w skałach... Czytaj dalej Słownik geograficzny od jego imitacji należy zbadać jego przewodnictwo. Prawdziwy diament charakteryzuje się brakiem przewodnictwa prądu elektrycznego.

Rys 2. Struktura diamentu

Właściwości fizyczne (Tabela 3)

Postać

Bezbarwne oraz przezroczyste kryształy, domieszka zanieczyszczeń powoduje zmianę barwy  (czerwona, niebieska, zielona, brązowa), silny, diamentowy połysk

Twardości

Najtwardszy minerał w przyrodzie (10 w skali Mohsa)

Przewodnictwo

Półprzewodnik prądu oraz bardzo dobry przewodnik ciepła

Trwałość

Trudnotopliwy, ale łatwo rozkruszyć go, wytrzymały na ścieranie pod wpływem podwyższonej temperatury ulega przemianie w grafit

Odporność na czynniki chemiczne

Odporny na działanie ługów oraz kwasów

Tabela 3. Właściwości fizyczne diamentu

Otrzymywanie

Proces powstawania diamentów naturalnych jest bardzo zagadkowy. Większość badaczy sądzi,

że tworzą się one przez krystalizację w płaszczu Ziemi, zachodzącej na bardzo dużej głębokości.

Diamenty syntetyczne otrzymuje się ze związków węgla przeprowadzając reakcję w temperaturze 3000 oC,  pod ciśnieniem 1000 MPa.

Występowanie

Diamenty można spotkać w silnie alkalicznych skałach magmowych, a także w rzecznych piaskach

oraz plażowych. Złoża pierwszych diamentów odkryto w 1872 r. na obszarze Afryki Południowej. Obecnie również znajduje się w tym miejscu słynna kopalnia nazywająca się Kimberley, zlokalizowana w wulkanie posiadającym średnicę ok. 500 m. Jedne z najpiękniejszych diamentów pochodzą z RPA, Indii, Indonezji (Borneo), Afryki Centralnej, Austrii oraz Wenezueli. Te kosztowne kryształy występują również w Botswanie, Rosji (Jakucja) czy Zairze. Największym diamentem ważącym 3106 karatów (około 621 g) znalezionym

w 1905r. jest Cullinan (wydobyto go w kopalni afrykańskiej Premier), a trzecim co do wielkości  300 - karatowy diament z Jakucji.  Ten największy podzielono na 105 brylantów, a obecnie wszystkie jego części są przechowywane w Londynie w Skarbcu Królewskim.

Najcenniejszymi diamentami znajdującymi się w Polsce są:

  •   czarny diament o dużych rozmiarach znajdujący się  w złotej puszce św. Stanisława (w skarbcu katedry na Wawelu)
  •   bezbarwny diament 10- karatowy w koronie Jana Kazimierza (w skarbcu na Jasnej Górze)

Największy diament wytworzony w sposób naturalny ważył 3106 karatów (1 karat = 0,2 g,

3106 karatów = 621,2 g)

Diament szlifuje się przy uzyciu proszku brylantowego nadając mu kształt brylantów. Szlif brylantowy wynaleziono w XVII w. Szlify przyjmują formę rozet albo rautów (zależnie od jego rodzaju). Cechują  się one ogniem, który powstaje na wskutek silnego rozproszenia światła, co związane jest z pojawianiem się barw tęczy. Wartość brylantów wyznacza się według: czystości, barwy, szlifu i liczby karatów (czyli wagi).

Zastosowanie (Tabela 4)

Własność fizyczna

Zastosowanie

Wygląd

w jubilerstwie, w postaci kamieni szlachetnych

wysoka twardość

  •   noże do skrawania metali, cięcia szkła, do łożysk
  •   do zakończeń wierteł geologicznych (drążenie w twardych skałach)
  •   do narzędzi chirurgicznych
  •   w laserach o dużej mocy półprzewodnikowych oraz głowicach
  •   dysków twardych

Własności polerujące

pasty diamentowe

Tabela 4. Zastosowanie diamentów

Magiczna moc

Już w czasach Majów diamenty odgrywały role amuletów. Były one symbolem władzy oraz śmiałości

i potęgi. Ten, kto je nosił był obdarzony zdolnością koncentracji, a kamienie przynosiły mu szczęście i radość, dodawały odwagi, ale tylko wtedy gdy  chroniono je przed wzrokiem złych ludzi. Diament, który zdobyto nieuczciwą drogą, miał przynosić nieszczęście.

Dla dzisiejszych wróżbitów, astrologów ów kryształ przynosi szczęście dla ludzi spod znaku lwa i barana. Badania naukowe potwierdziły, natomiast, że diamenty wpływają pozytywnie na hormonalną gospodarkę człowieka.

Fullereny

Historia

Stanowi odmianę alotropową węgla najpóźniej odkrytą, bo w 1985 przez Roberta Curla, Richarda Smalleya oraz Herolda Kroto.  Zostali oni uhonorowani  Nagroda Nobla w 1996 r.

Budowa

Fullereny tworzą cząsteczki węgla, które zawierają od paru dziesięciu do paruset atomów węgla. Najtrwalszymi odmianami są: C32, C44, C50, C58, C60, C70, C540, C960). Tworzą one pierścienie pięcio

i sześcioatomowe, mające kształt  kopuł geodezyjnych. Takie struktury  konstruował niegdyś R. Buckminster Fuller, i właśnie od jego nazwiska powstała nazwa tej odmiany alotropowej węgla. Cząsteczki C60, które mają najbardziej trwałą strukturę mogą utworzyć kryształ cząsteczkowy, zwany fullerytem.

Własności fizyczne  (Tabela 5)

Postać

Miękkich kryształków

Barwa

Żółta lub brązowa

Sublimacja

Łatwo sublimują

Rozpuszczalność w wodzie

Nierozpuszczalne  w wodzie

Rozpuszczalność w rozpuszczalnikach organicznych

Dobrze rozpuszczalne w rozpuszczalnikach pochodzenia organicznego

Tabela 5. Właściwości fizyczne fullerenów.

Podział fullerenów

  •   Fullereny egzohedralne -  takie, do których są przyłączone obce atomy od zewnątrz
  •   Fullereny endohedralne (Rys 3) - takie, w których obcy atom znajduje się wewnątrz:

Rys 3. Fullereny endohedralne

  •   Heterofullereny (Rys 4) - takie, w których obce atomy podstawiły atomy węgla (częściowo lub całkowicie):

Rys 4. Heterofullereny

Fullereny najprawdopodobniej są pochodzenia pozaziemskiego z uwagi na odkryte we wnętrzu cząsteczki gazy szlachetne mające niekonwencjonalny stosunek izotopów. Substancje te  odnaleziono  w nieznacznych ilościach w warstwie gliny obfitej w sadzę w  Nowej Zelandii,  pochodzenia kredowego. Małe ilości fullerenów występują 

w płomieniu palącej się świecy (a konkretniej w sadzy).

Otrzymywanie 

Pierwszy raz syntetyczne otrzymano fullereny w 1990r. Otrzymuje się je w próżni temperaturowej, w okolicach zera bezwzględnego (-270 st. K), w atmosferze helu wybijając laserem z grafitu atomy węgla. Można je także otrzymać z sadzy używając rozpuszczalników organicznych (np. benzenu).

Zastosowanie (obecne i w niedalekiej przyszłości) – Tabela 6

Własność

zastosowanie

Antyoksydami - wychwytują wolne rodniki

  •   Przy sklerozie, chorobie Parkinsona
  •   i opóźnianiu procesów starzenia
  •   W stabilizatorach paliw samolotowych

Fulleren C60 - niszczenie komórek nerwowych w mózgu

Leki poprawiające pamięć

Pochodne fullerenów - matanofullereny

Pomocne w terapii AIDS, blokują centra aktywne enzymów wirusa HIV (peptydazy oraz trankryptazy)

Pochodna liposomowa C60

Leki na raka (działanie niszczące w stosunku do  komórek rakowych, powodują uszkodzenie aminokwasów)

Fullereny endohedralne z pierwiastkiem promieniotwórczym

Zastosowanie w diagnostyce

Fullerydy (zawierające atom metalu alkalicznego), przewodzą prąd elektryczny w temperaturze poniżej  krytycznej

Jako półprzewodniki

Przewodnictwo

W fotoprzewodnictwie

Trwałość

  •   Polepszają jakość oraz trwałość wydruków z drukarek
  •   Ulepszają jakość aluminium (C60 utwardza stop)
  •   W wytwarzaniu diamentów (fulleren w atmosferze wysokiego ciśnienia przekształca się w diament)

Zdolności katalityczne

Katalizatory: redukują nitrotoluen, konwersują metan, uwalniają tlenek węgla

Tabela 6. Zastosowanie fullerenów