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 (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 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 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 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 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
|
|
|
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
|
|
|
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
|
|
|
Zdolności katalityczne
|
Katalizatory: redukują nitrotoluen, konwersują metan, uwalniają tlenek węgla
|
Tabela 6. Zastosowanie fullerenów
