Jakie są odmiany alotropowe węgla?

Krótka charakterystyka węgla

Węgiel (C) jest pierwiastkiem zaliczanym do grupy niemetali o liczbie atomowej 6. Oznacza to, że posiada w jądrze sześć protonów, a w postaci niezjonizowanej tyle samo elektronów. Mimo że występuje relatywnie rzadko w skorupie ziemskiej, tworzy więcej związków niż jakikolwiek inny pierwiastek. Jest kluczowym elementem wszystkich organizmów żywych, buduje strukturę białek, węglowodanów i tłuszczów. W atmosferze obecny jest jako dwutlenek węgla (CO₂), który stanowi jedną z faz obiegu węgla w przyrodzie.

Co to są odmiany alotropowe węgla?

Struktura złożona z atomów węgla może przyjmować różnorodne formy fizyczne. Fenomen ten określany jest właśnie jako odmiany alotropowe węgla.

Alotropia jest zjawiskiem, które dotyczy większej liczby metali i niemetali. Polega ona na występowaniu w tym samym stanie skupienia różnych odmian danego pierwiastka, które charakteryzują się różnymi właściwościami chemicznymi oraz fizycznymi. Mogą one mieć strukturę krystaliczną lub cząsteczkową i różnić się liczbą atomów w cząsteczce.

Najbardziej znane odmiany alotropowe węgla występujące w przyrodzie to grafit oraz diament, skrajnie różniące się barwą, strukturą i miękkością. Ponadto naukowcom udało się w warunkach laboratoryjnych stworzyć dziesiątki dalszych odmian.

Grafit – wszechstronny minerał

Nieprzypadkowo kojarzący się z ołówkiem grafit jest miękkim, szaroczarnym minerałem, tłustym i brudzącym w dotyku. Jest też doskonałym przewodnikiem prądu elektrycznego i ciepła, nie rozpuszcza się w wodzie i wykazuje właściwości smarne. Występuje w dwóch typach struktur: heksagonalnej oraz trygonalnej, a jego atomy powiązane są ze sobą w sieć równoległych płaszczyzn.

Tak jak inne odmiany alotropowe węgla, grafit jest odporny na wysokie temperatury. Wykorzystuje się go do produkcji elektrod i tygli, naczyń ognioodpornych oraz ogniotrwałych cegieł. Ponadto znajduje zastosowanie w produkcji smarów, farb antykorozyjnych i środków polerskich.

Grafit w przyrodzie występuje w skałach metamorficznych, takich jak łupki grafitowe i łupki krystaliczne. Współcześnie największym jego producentem są Chiny. Do celów komercyjnych grafit pozyskuje się w procesie pirolizy antracytu w atmosferze azotu.

Diament – najcenniejszy kamień szlachetny

Trudno o dwie bardziej różniące się odmiany alotropowe węgla niż diament i grafit. Diament jest najtwardszym minerałem na świecie, oznaczanym 10 w dziesięciostopniowej skali Mohsa. Występują w postaci ośmio- lub sześciościennych kryształów o wysokim połysku i częściowej transparencji.

Najszlachetniejsze diament są bezbarwne, ale wskutek zanieczyszczeń mogą również przyjmować kolor żółty, różowy, niebieski czy brązowy. Nie przewodzą one prądu elektrycznego, są natomiast dobrymi przewodnikami ciepła. Mimo że ich powierzchnię może zarysować tylko inny diament, odznaczają się relatywną kruchością.

Naturalne diamenty występują przede wszystkim w pierwotnych złożach kimberlitowych oraz okruchowych, utworzonych wskutek przeniesienia. Kamienie najwyższej jakości wykorzystywane są głównie w jubilerstwie. Po odpowiednim oszlifowaniu nazywane są brylantami i osiągają zawrotne ceny na międzynarodowym rynku.

Gorszej jakości diamenty oraz kryształy pozyskane syntetycznie są również ważnym surowcem przemysłowym. Ze względu na swoją twardość wykorzystywane są do produkcji ostrzy, wierteł i materiałów ściernych. Z diamentów wytwarza się także elementy aparatury medycznej i naukowej, twardościomierze oraz pasty termoprzewodzące.

Fulereny, czyli sadzowe odmiany alotropowe węgla

W przyrodzie spotkać można w mniejszych ilościach również fulereny. Są to brązowe lub czarne półprzeźroczyste ciała stałe o metalicznym połysku. Ich cząsteczki składają się z większych ilości atomów węgla – od 28 do nawet 1500.

Na te odkryte stosunkowo niedawno odmiany alotropowe węgla składa się wiele różnych struktur. Za najtrwalsze uważa się kuliste cząsteczki C60 tworzące kryształy zwane również „buckyball”. Poza tym fulereny przyjmować mogą również postać wielowarstwową (tzw. nanocebulki) lub walcowatą (tzw. nanorurki).

Fulereny są mało aktywne chemicznie i nierozpuszczalne w wodzie. Odznaczają się właściwościami półprzewodnikowymi i nadprzewodnikowymi. W rezultacie znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle elektronicznym, optycznym, biomedycznym oraz w nanotechnologii. Na szczególną uwagę zasługuje ich potencjał antyoksydacyjny oraz farmakologiczny – dzięki swojej strukturze i biokompatybilności mogą pełnić funkcję nośników leków.

Fulereny pozyskuje się przede wszystkim z sadzy węglowej. W tym celu wykorzystuje się szereg rozpuszczalników umożliwiających wyodrębnienie konkretnych typów cząsteczek. Alternatywnie można je pozyskiwać z innej odmiany alotropowej węgla – grafitu poddanego bombardowaniu promieniem laserowym w warunkach próżni.

Grafen – węgiel dwuwymiarowy

Jedną z najpóźniej odkrytych odmian alotropowych węgla jest grafen. Mowa o płaskiej strukturze z pojedynczych atomów węgla ułożonych na kształt plastrów miodu. Ponieważ ma ona grubość jednego atomu, umownie przyjmuje się, że jest materiałem dwuwymiarowym.

Grafen jest doskonałym przewodnikiem ciepła i elektryczności. Do jego największych zalet zalicza się również transparentność oraz niezwykle wysoką prędkość przepływu elektronów – wyższą nawet niż w krzemie. Ponadto grafen jest wyjątkowo twardy i odporny na rozciąganie.

Wspomniane właściwości sprawiają, że grafen może zastąpić krzem w przemyśle elektronicznym. Jego obecne i przyszłe zastosowania obejmują m.in. produkcję szybkich tranzystorów, zwijanych wyświetlaczy dotykowych czy modułów fotowoltaicznych wraz z akumulatorami do magazynowania energii. Podobnie jak inne odmiany alotropowe węgla grafen może być wykorzystywany jako nośnik leków, surowiec dla inżynierii tkankowej, a nawet środek w terapii onkologicznej.

Grafen pozyskiwać można wieloma różnym sposobami. Współcześnie największe zastosowanie mają osadzanie z fazy gazowej (CVD) oraz rozkład termiczny węgliku krzemu. Do potrzeb laboratoryjnych wykorzystuje się też czasem pierwotną metodę odrywania warstwy atomów węgla za pomocą taśmy klejącej.

Cyklokarbon

Jeszcze nowszą niż grafen odmianą alotropową węgla jest cyklokarbon. Przyjmuje on postać pierścienia zbudowanego z 18 atomów węgla. Pomiędzy nimi występują naprzemiennie wiązania pojedyncze i potrójne.

Podobnie jak grafen, cyklokarbon ma grubość zaledwie jednego atomu. Z pierwszych szacunków wynika jednak, że jest półprzewodnikiem. Inne jego właściwości pozostają jak dotąd nieznane.

Zdaniem naukowców możliwe będzie stworzenie cyklokarbonów o różnej liczbie atomów w pierścieniu. Ich potencjalne zastosowania obejmują przede wszystkim miniaturyzację urządzeń elektronicznych.

Inne odmiany alotropowe węgla

Węgiel mimo swojej powszechności pozostaje jednym z najbardziej fascynujących pierwiastków. Wciąż prowadzi się badania mające na celu lepsze wykorzystanie jego właściwości. Odmiany alotropowe węgla wydają się pod tym względem szczególnie perspektywiczne.

Ciekawym polimerem, pozostającym jak dotąd w sferze hipotetycznych rozważań, jest karbyn. Pod tą nazwą rozumie się łańcuch stworzony z atomów węgla o potencjalnej wytrzymałości 40 razy większej niż diament. Jest to jednak materiał tak niestabilny, że jak dotąd udało się go jednak wyprodukować jedynie we wnętrzu nanorurki.

Inną obiecującą odmianą alotropową węgla jest tzw. Q-carbon. Posiada on trójwymiarową strukturę, w której atomy węgla tworzą trzy ligandy. Jego prawdopodobne zastosowania obejmują doskonalenie metod gromadzenia energii w bateriach litowych.

Ponadto znamy już także węglową nanopiankę, czyli porowatą krystaliczną konstrukcję o właściwościach magnetycznych. Specyficzną, bezpostaciową alotropową odmianą węgla jest również sadza.

Przyszłość pokaże, w jaki sposób wykorzystane zostaną te i inne unikatowe struktury węgla. Pierwiastka jest na świecie pod dostatkiem, więc rozwój technologii nie powinien zagrażać stabilności zasobów czy środowisku naturalnemu. Istnieje wręcz spora szansa, że odmiany alotropowe węgla pomogą lepiej gospodarować energią i usprawnią wiele procesów industrialnych.