Какие есть аллотропные модификации углерода?

Краткая характеристика углерода

Углерод (С) — элемент, относящийся к группе неметаллов с атомным номером 6. Это означает, что он имеет шесть протонов в ядре и столько же электронов в неионизированном состоянии. Хотя он относительно редко встречается в земной коре, он образует больше соединений, чем любой другой элемент. Это ключевой элемент всех живых организмов, из него состоят структуры белков, углеводов и жиров. В атмосфере он присутствует в виде двуокиси углерода (CO₂), которая является одной из фаз круговорота углерода в природе.

Что такое аллотропные модификации углерода?

Структура, состоящая из атомов углерода, может принимать различные физические формы. Это явление называется аллотропными модификациями углерода.

Аллотропия — это явление, которое влияет на большее количество металлов и неметаллов. Оно заключается в нахождении в одном и том же агрегатном состоянии разных модификаций данного элемента, характеризующихся различными химическими и физическими свойствами. Они могут иметь кристаллическую или молекулярную структуру и различаться числом атомов в молекуле.

Наиболее известными природными аллотропными модификациями углерода являются графит и алмаз, которые сильно различаются по цвету, структуре и мягкости. Кроме того, ученым удалось создать еще десятки разновидностей в лабораторных условиях.

Графит – универсальный минерал

Неслучайно графит у нас ассоциируется с карандашом, — это мягкий серо-черный минерал, жирный и грязный на ощупь. Он также является отличным проводником электричества и тепла, не растворяется в воде и обладает смазывающими свойствами. Он встречается в двух типах структур: шестиугольной и тригональной, и его атомы связаны друг с другом сетью параллельных плоскостей.

Как и другие аллотропные модификации углерода, графит устойчив к высоким температурам. Он используется для производства электродов и тиглей, огнестойких сосудов и огнеупорного кирпича. Кроме того, он используется в производстве смазочных материалов, антикоррозионных красок и полировальных средств.

Графит встречается в природе в метаморфических породах, таких как графитовые сланцы и кристаллические сланцы. Сегодня его крупнейшим производителем является Китай. Для коммерческих целей графит получают путем пиролиза антрацита в атмосфере азота.

Алмаз – самый драгоценный камень

Трудно найти две более разные аллотропные модификации углерода, чем алмаз и графит. Алмаз — самый твердый минерал в мире, имеющий оценку 10 по 10-балльной шкале Мооса. Алмазы бывают в виде восьми- или шестигранных кристаллов с сильным блеском и частичной прозрачностью.

Самые благородные бриллианты бесцветны, но они могут стать желтыми, розовыми, синими или коричневыми из-за загрязнения. Они не проводят электричество, но являются хорошими проводниками тепла. Хотя их поверхность можно поцарапать только другим алмазом, они относительно хрупкие.

Природные алмазы находят в основном в первичных кимберлитовых и россыпных месторождениях, образовавшихся в результате переноса. Камни высочайшего качества в основном используются в ювелирных изделиях. После соответствующей полировки они называются бриллиантами и достигают головокружительных цен на международном рынке.

Алмазы низкого качества и синтетические кристаллы также являются важным промышленным сырьем. Благодаря своей твердости они используются в производстве лезвий, сверл и абразивов. Алмазы также используются для изготовления элементов медицинского и научного оборудования, твердомеров и теплопроводных паст.

Фуллерены, т.е. сажевые аллотропные модификации углерода

В природе также можно найти в меньших количествах фуллерены. Они представляют собой коричневые или черные полупрозрачные твердые вещества с металлическим блеском. Их молекулы состоят из большего количества атомов углерода — от 28 до даже 1500.

Эти относительно недавно открытые аллотропные модификации углерода имеют множество различных структур. Наиболее прочными считаются сферические молекулы C60, образующие кристаллы, называемые также «бакибол». Кроме того, фуллерены также могут иметь многослойную (так называемые нанолуковицы) или цилиндрическую (так называемые нанотрубки) форму.

Фуллерены химически неактивны и нерастворимы в воде. Они обладают полупроводниковыми и сверхпроводящими свойствами. В результате они широко используются в электронной, оптической, биомедицинской и нанотехнологической промышленности. Особо следует отметить их антиоксидантный и фармакологический потенциал – благодаря своей структуре и биосовместимости они могут выступать в роли носителей лекарственных средств.

Фуллерены в основном получают из сажи. Для этой цели используется ряд растворителей, позволяющих выделять конкретные типы молекул. В качестве альтернативы их можно получить из другой аллотропной модификации углерода — графита, подвергнутого бомбардировке лазерным лучом в условиях вакуума.

Графен — двумерная аллотропная модификация углерода

Одной из недавно открытых аллотропных модификаций углерода является графен. Это плоская структура из отдельных атомов углерода, расположенных в виде сот. Поскольку его толщина составляет один атом, условно считается, что это двумерный материал.

Графен является отличным проводником тепла и электричества. Среди его самых больших преимуществ находится также прозрачность и чрезвычайно высокая скорость потока электронов — даже выше, чем в кремнии. Кроме того, графен чрезвычайно тверд и устойчив к растяжению.

Эти свойства означают, что графен может заменить кремний в электронной промышленности. Его текущие и будущие виды применения включают производство быстродействующих транзисторов, спиральных сенсорных дисплеев или фотоэлектрических модулей с батареями для хранения энергии. Как и другие аллотропные модификации углерода, графен можно использовать в качестве носителя лекарств, сырья для тканевой инженерии и даже в качестве агента в онкологической терапии.

Графен можно получить разными способами. На сегодняшний день наибольшее распространение получили осаждение из газовой фазы (CVD) и термическое разложение карбида кремния. В лабораторных целях иногда применяют и оригинальный метод отделения слоя атомов углерода с помощью липкой ленты.

Циклоуглерод

Циклоуглерод — это еще более новая аллотропная модификация углерода, чем графен. Он имеет форму кольца, состоящего из 18 атомов углерода. Между ними чередуются одинарные и тройные связи.

Как и графен, циклоуглерод имеет толщину всего в один атом. Однако первые оценки показывают, что это полупроводник. Другие его свойства пока остаются неизвестными.

По мнению ученых, можно будет создавать циклоуглероды с разным числом атомов в кольце. Их потенциальное применение включает, в частности, миниатюризацию электронных устройств.

Другие аллотропные модификации углерода

Углерод, несмотря на свою распространенность, остается одним из самых впечатляющих элементов. Непрерывно ведутся исследования, целью которых является лучшее использование его свойств. Особенно многообещающими в этом отношении кажутся аллотропные модификации углерода.

Интересным полимером, пока остающимся в сфере гипотетических предположений, является карбин. Это название означает цепочку из атомов углерода с потенциальной прочностью в 40 раз большей, чем у алмаза. Однако это настолько нестабильный материал, что до сих пор его можно было производить только внутри нанотрубки.

Другой многообещающей аллотропной модификацией углерода является так называемый Q-углерод. Он имеет трехмерную структуру, в которой атомы углерода образуют три лиганда. Его предположительные виды применения включают улучшение методов хранения энергии в литиевых батареях.

Кроме того, нам также уже известна углеродная нанопена, т.е. пористая кристаллическая структура с магнитными свойствами. Технический углерод (сажа) также является специфической аморфной аллотропной модификацией углерода.

Будущее покажет, как будут использоваться эти и другие уникальные углеродные структуры. В мире обилие этого элемента, поэтому развитие технологий не должно угрожать стабильности ресурсов или природной среде. Существует даже большая вероятность того, что аллотропные модификации углерода помогут лучше управлять энергией и улучшить многие промышленные процессы.