Vilka är de allotropa varianterna av kol?

Korta egenskaper för kol

Kol (C) är ett grundämne som klassificeras som en icke-metall med atomnummer 6. Det betyder att det har sex protoner i kärnan och samma antal elektroner i icke-joniserad form. Även om det är relativt sällsynt i jordskorpan, bildar det fler föreningar än något annat element . Det är ett nyckelelement i alla levande organismer; det bygger upp strukturen av proteiner, kolhydrater och fetter. Det finns i atmosfären som koldioxid (CO ₂ ), som är en av faserna i kolets kretslopp i naturen.

Vilka är de allotropa kolvarianterna?

Strukturen som består av kolatomer kan ta många fysiska former. Detta fenomen kallas allotropa kolvarianter . Allotropi är ett fenomen som påverkar ett stort antal metaller och icke-metaller. Det uppstår när olika varianter av ett visst element är närvarande i samma fysiska tillstånd och de har olika kemiska och fysikaliska egenskaper . De kan ha en kristallin eller molekylär struktur och skiljer sig åt i antalet atomer i molekylen. De mest kända allotropa kolvarianterna som förekommer i naturen är grafit och diamant , extremt olika i färg, struktur och mjukhet. Dessutom lyckades forskare skapa dussintals ytterligare sorter under laboratorieförhållanden.

Grafit – ett mångsidigt mineral

Det är ingen slump att grafiten som vanligtvis förknippas med en penna är ett mjukt, gråsvart mineral , fet och smutsig vid beröring. Den är också en utmärkt ledare av elektricitet och värme, den är olöslig i vatten och har smörjande egenskaper. Det förekommer i två typer av strukturer: hexagonala och trigonala, och dess atomer är sammanlänkade i ett nätverk av parallella plan. Precis som de andra kolallotroperna är grafit resistent mot höga temperaturer. Det används för tillverkning av elektroder och deglar, brandsäkra kärl och eldfasta tegelstenar. Dessutom används den vid tillverkning av smörjmedel, rostskyddsfärger och polermedel. Grafit förekommer i naturen i metamorfa bergarter som grafitskiffer och kristallin skiffer. Nuförtiden är Kinas största producent. För kommersiella ändamål erhålls grafit genom pyrolys av antracit i en kväveatmosfär.

Diamant – den mest värdefulla ädelstenen

Det är svårt att hitta två fler olika kolallotroper än diamant och grafit. Diamanten är det hårdaste mineralet i världen, betygsatt 10 på den 10-gradiga Mohs-skalan. Det förekommer som oktaedriska eller hexaedriska kristaller med hög glans och partiell transparens. De mest värdefulla diamanterna är färglösa , men på grund av föroreningar kan de också bli gula, rosa, blå eller bruna. De leder inte elektricitet men är bra värmeledare. Även om deras yta bara kan skrapas av en annan diamant, är de relativt ömtåliga. Naturliga diamanter förekommer huvudsakligen i primär kimberlit och smulavlagringar som bildas genom translokation. Stenarna av högsta kvalitet används främst i smycken. Efter lämplig polering kallas de diamanter och når svindlande priser på den internationella marknaden. Diamanter av lägre kvalitet och syntetiskt framställda kristaller är också en viktig industriell råvara . På grund av sin hårdhet används de vid tillverkning av blad, borrar och slipmedel. Diamanter används också för att producera delar av medicinsk och vetenskaplig utrustning, hårdhetstestare och värmeledande pastor.

Fullerener, dvs allotroper av kimrök

I naturen kan fullerener även finnas i mindre mängder. De är bruna eller svarta genomskinliga fasta ämnen med en metallisk glans. Deras molekyler består av större mängder kolatomer – från 28 till till och med 1 500. Dessa relativt nyligen upptäckta allotropa kolvarianter består av många olika strukturer. Sfäriska C60-partiklar som bildar kristaller, även kända som "buckyball", anses vara de mest hållbara. Dessutom kan fullerener också ha en flerskiktsform (de så kallade nanobubblorna ) eller cylindriska (de så kallade nanorören ). Fullerener har låg kemisk aktivitet och är olösliga i vatten. De har halvledar- och supraledande egenskaper. Som ett resultat används de flitigt inom elektronik, optik, biomedicin och nanoteknik. Deras antioxidant- och farmakologiska potential förtjänar särskild uppmärksamhet. På grund av sin struktur och biokompatibilitet kan de fungera som läkemedelsbärare. Fullerener erhålls huvudsakligen från kimrök. För detta ändamål används ett antal lösningsmedel som möjliggör separation av specifika typer av molekyler. Alternativt kan de erhållas från en annan kolallotrop – grafit bombarderad med en laserstråle i vakuum.

Grafen – tvådimensionellt kol

En av de senast upptäckta kolallotroperna är grafen . Det är en platt struktur gjord av enkla kolatomer arrangerade i form av bikakor. Eftersom det är en atom tjockt anses det konventionellt vara ett tvådimensionellt material. Grafen är en utmärkt ledare av värme och elektricitet. Dess största fördelar inkluderar också transparens och extremt hög elektronflödeshastighet – till och med högre än i kisel. Dessutom är grafen extremt hårt och motståndskraftigt mot sträckning. Dessa egenskaper gör att grafen kan ersätta kisel inom elektronikindustrin . Dess nuvarande och framtida tillämpningar inkluderar tillverkning av höghastighetstransistorer, rullbara pekskärmar och solcellsmoduler med batterier för energilagring. På samma sätt som andra kolallotroper kan grafen användas som bärare för läkemedel, råmaterial för vävnadsteknik och till och med som ett medel vid onkologisk terapi. Grafen kan erhållas på många olika sätt. Nuförtiden är de mest använda är kemisk ångdeposition (CVD) och termisk nedbrytning av kiselkarbid. Den ursprungliga metoden att lossa lagret av kolatomer med hjälp av tejp används också ibland för laboratorieändamål.

Cyklokarbon

En ännu nyare allotropisk kolvariant än grafen kallas cyklokarbon . Den bildar en ring gjord av 18 kolatomer. Det finns omväxlande enkel- och trippelbindningar mellan dem. Liksom grafen är cyklokarbon bara en atom tjock. De första uppskattningarna visar dock att det är en halvledare. Dess övriga egenskaper är fortfarande okända. Enligt forskarna kommer det att vara möjligt att skapa cyklokarboner med olika antal atomer i ringen. Deras potentiella användningsområden inkluderar miniatyrisering av elektroniska enheter .

Andra allotropa kolvarianter

Kol förblir, trots sin vanlighet, ett av de mest fascinerande elementen. Det pågår fortfarande forskning för att bättre utnyttja dess egenskaper. Allotropa varianter av kol verkar särskilt lovande i detta avseende. En intressant polymer, som hittills återstår inom området för hypotetiska överväganden, är karbyn . Detta namn hänvisar till en kedja gjord av kolatomer med en potentiell styrka 40 gånger större än en diamant. Detta material är dock så instabilt att det hittills endast har producerats inuti nanoröret. En annan lovande allotrop variant av kol är det så kallade Q-kolet . Den har en tredimensionell struktur där kolatomer bildar tre ligander. Dess troliga tillämpningar inkluderar förbättrad energilagring i litiumbatterier. Dessutom känner vi också till kolnanoskum , en porös kristallin struktur med magnetiska egenskaper. Kolsvart är också en specifik amorf allotrop variant av kol. Framtiden kommer att visa hur dessa och andra unika kolstrukturer kommer att användas. Det finns ett överflöd av elementet i världen, så utvecklingen av teknik bör inte hota resursernas stabilitet eller den naturliga miljön. Faktum är att det finns en god chans att allotropa varianter av kol hjälper till att bättre hantera energi och förbättra många industriella processer.