Aké sú alotropné odrody uhlíka?

Stručná charakteristika uhlíka

Uhlík (C) je prvok klasifikovaný ako nekov s atómovým číslom 6. To znamená, že má šesť protónov v jadre a rovnaký počet elektrónov v neionizovanej forme. Hoci je v zemskej kôre pomerne vzácny, tvorí viac zlúčenín ako ktorýkoľvek iný prvok . Je kľúčovým prvkom všetkých živých organizmov; buduje štruktúru bielkovín, sacharidov a tukov. V atmosfére je prítomný ako oxid uhličitý (CO ₂ ), ktorý je jednou z fáz kolobehu uhlíka v prírode.

Aké sú odrody alotropného uhlíka?

Štruktúra zložená z atómov uhlíka môže mať mnoho fyzických foriem. Tento jav sa označuje ako alotropné uhlíkové odrody . Alotropia je jav, ktorý postihuje veľké množstvo kovov a nekovov. Vyskytuje sa, keď sú rôzne odrody daného prvku prítomné v rovnakom fyzikálnom stave a majú rôzne chemické a fyzikálne vlastnosti . Môžu mať kryštalickú alebo molekulárnu štruktúru a líšia sa počtom atómov v molekule. Najznámejšie druhy alotropného uhlíka vyskytujúce sa v prírode sú grafit a diamant , mimoriadne rozdielne vo farbe, štruktúre a mäkkosti. Okrem toho sa vedcom podarilo v laboratórnych podmienkach vytvoriť desiatky ďalších odrôd.

Grafit – všestranný minerál

Nie je náhoda, že grafit, ktorý sa zvyčajne spája s ceruzkou, je mäkký, šedo-čierny minerál , mastný a špinavý na dotyk. Je tiež výborným vodičom elektriny a tepla, je nerozpustný vo vode a má mazacie vlastnosti. Vyskytuje sa v dvoch typoch štruktúr: šesťuholníkové a trigonálne a jeho atómy sú navzájom spojené v sieti rovnobežných rovín. Rovnako ako ostatné uhlíkové allotropy , aj grafit je odolný voči vysokým teplotám. Používa sa na výrobu elektród a téglikov, ohňovzdorných nádob a žiaruvzdorných tehál. Okrem toho sa používa pri výrobe mazív, antikoróznych farieb a leštiacich prostriedkov. Grafit sa v prírode vyskytuje v metamorfovaných horninách, ako sú grafitové bridlice a kryštalické bridlice. V súčasnosti je jeho najväčším producentom Čína. Na komerčné účely sa grafit získava pyrolýzou antracitu v dusíkovej atmosfére.

Diamant – najvzácnejší drahokam

Je ťažké nájsť dva rozdielnejšie uhlíkové allotropy ako diamant a grafit. Diamant je najtvrdší minerál na svete, ktorý je hodnotený 10 na 10-bodovej Mohsovej stupnici. Vyskytuje sa ako oktaedrické alebo hexaedrické kryštály s vysokým leskom a čiastočnou priehľadnosťou. Najvzácnejšie diamanty sú bezfarebné , ale vplyvom znečistenia môžu zožltnúť, zružovieť, zmodrať alebo zhnednúť. Nevedú elektrický prúd, ale sú dobrými vodičmi tepla. Ich povrch síce dokáže poškriabať iba iný diamant, no sú pomerne krehké. Prírodné diamanty sa vyskytujú najmä v primárnych ložiskách kimberlitu a drviny vzniknutých translokáciou. V šperkárstve sa používajú najmä kamene najvyššej kvality. Po príslušnom vyleštení sa im hovorí diamanty a na medzinárodnom trhu dosahujú závratné ceny. Dôležitou priemyselnou surovinou sú aj diamanty nižšej kvality a synteticky získané kryštály . Pre svoju tvrdosť sa používajú pri výrobe čepelí, vrtákov a brusív. Diamanty sa tiež používajú na výrobu prvkov lekárskych a vedeckých zariadení, tvrdomerov a tepelne vodivých pást.

Fullerény, teda alotropy sadzí

V prírode sa fullerény nachádzajú aj v menšom množstve. Sú to hnedé alebo čierne priesvitné pevné látky s kovovým leskom. Ich molekuly pozostávajú z väčšieho množstva atómov uhlíka – od 28 až po 1 500. Tieto relatívne nedávno objavené alotropné uhlíkové odrody pozostávajú z mnohých rôznych štruktúr. Sférické častice C60 tvoriace kryštály, známe tiež ako „buckyball“, sa považujú za najodolnejšie. Okrem toho môžu mať fullerény aj viacvrstvovú formu (tzv. nanobubliny ) alebo valcovú (tzv. nanorúrky ). Fullerény majú nízku chemickú aktivitu a sú nerozpustné vo vode. Majú polovodičové a supravodivé vlastnosti. Vďaka tomu sú široko používané v elektronickom, optickom, biomedicínskom a nanotechnologickom priemysle. Ich antioxidačný a farmakologický potenciál si zasluhuje osobitnú pozornosť. Vďaka svojej štruktúre a biokompatibilite môžu pôsobiť ako nosiče liečiv. Fullerény sa získavajú hlavne zo sadzí. Na tento účel sa používa množstvo rozpúšťadiel, ktoré umožňujú separáciu špecifických typov molekúl. Prípadne ich možno získať z iného uhlíkového alotropu – grafitu bombardovaného laserovým lúčom vo vákuu.

Grafén – dvojrozmerný uhlík

Jedným z najnovších objavených uhlíkových alotropov je grafén . Ide o plochú štruktúru vyrobenú z jednotlivých atómov uhlíka usporiadaných do tvaru plástov. Keďže má hrúbku jedného atómu, bežne sa považuje za dvojrozmerný materiál. Grafén je vynikajúci vodič tepla a elektriny. Medzi jeho najväčšie prednosti patrí aj transparentnosť a extrémne vysoká rýchlosť toku elektrónov – dokonca vyššia ako u kremíka. Okrem toho je grafén extrémne tvrdý a odolný voči rozťahovaniu. Tieto vlastnosti znamenajú, že grafén môže nahradiť kremík v elektronickom priemysle . Medzi jeho súčasné a budúce aplikácie patrí výroba vysokorýchlostných tranzistorov, rolovateľných dotykových obrazoviek a fotovoltaických modulov s batériami na skladovanie energie. Podobne ako iné uhlíkové alotrópy, aj grafén možno použiť ako nosič liekov, surovinu pre tkanivové inžinierstvo a dokonca aj ako prostriedok v onkologickej terapii. Grafén možno získať mnohými rôznymi spôsobmi. V súčasnosti sú najpoužívanejšie chemické naparovanie (CVD) a tepelný rozklad karbidu kremíka. Pôvodný spôsob odlepovania vrstvy uhlíkových atómov pomocou lepiacej pásky sa niekedy používa aj na laboratórne účely.

Cyklouhlík

Ešte novšia odroda alotropného uhlíka ako grafén sa nazýva cyklokarbón . Tvorí kruh pozostávajúci z 18 atómov uhlíka. Striedajú sa medzi nimi jednoduché a trojité väzby. Podobne ako grafén, aj cyklouhlík má hrúbku iba jedného atómu. Prvé odhady však ukazujú, že ide o polovodič. Jeho ďalšie vlastnosti zostávajú neznáme. Podľa vedcov bude možné vytvoriť cyklouhľovodíky s rôznym počtom atómov v kruhu. Ich potenciálne využitie zahŕňa miniaturizáciu elektronických zariadení .

Iné odrody alotropného uhlíka

Karbón napriek svojej obyčajnosti zostáva jedným z najfascinujúcejších prvkov. Stále prebiehajú výskumy na lepšie využitie jeho vlastností. Alotropné odrody uhlíka sa v tomto ohľade javia ako obzvlášť sľubné. Zaujímavým polymérom, ktorý zatiaľ zostáva v oblasti hypotetických úvah, je karbín . Tento názov sa vzťahuje na reťaz z uhlíkových atómov s potenciálnou silou 40-krát vyššou ako má diamant. Tento materiál je však natoľko nestabilný, že sa doteraz vyrábal iba vo vnútri nanorúrky. Ďalšou sľubnou alotropnou odrodou uhlíka je takzvaný Q-uhlík . Má trojrozmernú štruktúru, v ktorej atómy uhlíka tvoria tri ligandy. Jeho pravdepodobné aplikácie zahŕňajú zlepšenie skladovania energie v lítiových batériách. Okrem toho poznáme aj uhlíkovú nano-penu , poréznu kryštalickú štruktúru s magnetickými vlastnosťami. Sadze sú tiež špecifickou amorfnou alotropnou odrodou uhlíka. Budúcnosť ukáže, ako sa tieto a ďalšie unikátne uhlíkové štruktúry využijú. Vo svete je nadbytok prvku, takže rozvoj technológií by nemal ohrozovať stabilitu zdrojov alebo prírodného prostredia. V skutočnosti existuje veľká šanca, že alotropné odrody uhlíka pomôžu lepšie riadiť energiu a zlepšiť mnohé priemyselné procesy.