Які є алотропні різновиди вуглецю?

Коротка характеристика вуглецю

Карбон (C) — це елемент, який класифікується як неметал з атомним номером 6. Це означає, що він має шість протонів у ядрі та стільки ж електронів у неіонізованій формі. Хоча він порівняно рідко зустрічається в земній корі, він утворює більше сполук, ніж будь-який інший елемент . Це ключовий елемент усіх живих організмів; він будує структуру білків, вуглеводів і жирів. Він присутній в атмосфері у вигляді вуглекислого газу (CO ₂ ), який є однією з фаз кругообігу вуглецю в природі.

Що таке алотропні різновиди вуглецю?

Структура, що складається з атомів вуглецю, може мати багато фізичних форм. Це явище називають алотропними різновидами вуглецю . Алотропія – це явище, яке стосується великої кількості металів і неметалів. Це відбувається, коли різні різновиди даного елемента присутні в одному фізичному стані та мають різні хімічні та фізичні властивості . Вони можуть мати кристалічну або молекулярну будову і відрізнятися кількістю атомів у молекулі. Найвідоміші алотропні різновиди вуглецю, що зустрічаються в природі, — це графіт і алмаз , надзвичайно різні за кольором, структурою та м’якістю. Крім того, в лабораторних умовах вченим вдалося створити ще десятки сортів.

Графіт – мінерал універсальний

Не випадково графіт, який зазвичай асоціюється з олівцем, є м’яким, сіро-чорним мінералом , жирним і брудним на дотик. Він також є чудовим провідником електрики та тепла, він нерозчинний у воді та має мастильні властивості. Він зустрічається у двох типах структур: гексагональній і тригональній, і його атоми з’єднані між собою в мережу паралельних площин. Як і інші алотропи вуглецю , графіт стійкий до високих температур. Використовується для виробництва електродів і тиглів, вогнетривкого посуду і вогнетривкої цегли. Крім того, його використовують у виробництві мастильних матеріалів, антикорозійних фарб і полірувальних засобів. Графіт зустрічається в природі в метаморфічних породах, таких як графітовий сланець і кристалічний сланець. На сьогоднішній день його найбільшим виробником є ​​Китай. Для комерційних цілей графіт отримують шляхом піролізу антрациту в атмосфері азоту.

Діамант – найдорожчий дорогоцінний камінь

Важко знайти ще дві різні алотропи вуглецю, ніж алмаз і графіт. Алмаз є найтвердішим мінералом у світі, оцінений 10 за 10-бальною шкалою Мооса. Зустрічається у вигляді октаедричних або шестигранних кристалів з високим блиском і частковою прозорістю. Найдорогоцінніші діаманти безбарвні , але через забруднення вони також можуть стати жовтими, рожевими, синіми або коричневими. Вони не проводять електрику, але добре проводять тепло. Хоча їхню поверхню можна подряпати лише іншим діамантом, вони відносно крихкі. Природні алмази зустрічаються в основному в первинних родовищах кімберліту і крихти, утворених транслокацією. У ювелірній справі в основному використовуються камені найвищої якості. Після відповідного полірування вони називаються діамантами і досягають запаморочливих цін на міжнародному ринку. Діаманти нижчої якості та синтетично отримані кристали також є важливою промисловою сировиною . Завдяки своїй твердості вони використовуються у виробництві лез, свердел і абразивів. З алмазів виготовляють також елементи медичної та наукової апаратури, твердоміри та теплопровідні пасти.

Фулерени, тобто алотропи сажі

У природі фулерени також можна знайти в менших кількостях. Вони являють собою коричневі або чорні напівпрозорі тверді речовини з металевим блиском. Їхні молекули складаються з більшої кількості атомів вуглецю – від 28 до 1500. Ці порівняно нещодавно відкриті алотропні різновиди вуглецю складаються з багатьох різних структур. Сферичні частинки С60, що утворюють кристали, також відомі як «бакібол», вважаються найбільш міцними. Крім того, фулерени також можуть мати багатошарову форму (так звані нанобульбашки ) або циліндричну (так звані нанотрубки ). Фулерени мають низьку хімічну активність і нерозчинні у воді. Вони мають напівпровідникові та надпровідні властивості. Як наслідок, вони широко використовуються в електронній, оптичній, біомедичній та нанотехнологічній промисловості. Особливої ​​уваги заслуговує їх антиоксидантний і фармакологічний потенціал. Завдяки своїй структурі та біосумісності вони можуть виконувати роль носіїв ліків. Фулерени в основному отримують із сажі. Для цього використовується низка розчинників, які дозволяють розділяти конкретні типи молекул. Крім того, їх можна отримати з іншого алотропу вуглецю – графіту, бомбардованого лазерним променем у вакуумі.

Графен – двовимірний вуглець

Одним з останніх відкритих алотропів вуглецю є графен . Це плоска структура з окремих атомів вуглецю, розташованих у формі сот. Оскільки він має товщину в один атом, його прийнято вважати двовимірним матеріалом. Графен є чудовим провідником тепла та електрики. Його найбільші переваги також включають прозорість і надзвичайно високу швидкість потоку електронів – навіть вищу, ніж у кремнію. Крім того, графен надзвичайно твердий і стійкий до розтягування. Ці властивості означають, що графен може замінити кремній в електронній промисловості . Його поточні та майбутні застосування включають виробництво високошвидкісних транзисторів, рухомих сенсорних дисплеїв і фотоелектричних модулів з батареями для зберігання енергії. Подібно до інших алотропів вуглецю, графен може використовуватися як носій для ліків, сировина для тканинної інженерії і навіть як агент в онкологічній терапії. Графен можна отримати різними способами. В даний час найбільш широко використовуються хімічне осадження з газової фази (CVD) і термічне розкладання карбіду кремнію. Оригінальний метод відриву шару атомів вуглецю за допомогою липкої стрічки також іноді використовується в лабораторних цілях.

Циклокарбон

Ще більш новий алотропний різновид вуглецю, ніж графен, називається циклокарбоном . Він утворює кільце з 18 атомів вуглецю. Між ними чергуються одинарні та потрійні зв’язки. Як і графен, циклокарбон має товщину всього в один атом. Однак перші оцінки показують, що це напівпровідник. Інші його властивості залишаються невідомими. За словами вчених, можна буде створювати циклокарбони з різною кількістю атомів у кільці. Їхнє потенційне використання включає мініатюризацію електронних пристроїв .

Інші алотропні різновиди вуглецю

Вуглець, незважаючи на свою поширеність, залишається одним із найцікавіших елементів. Дослідження все ще проводяться, щоб краще використовувати його властивості. Алотропні різновиди вуглецю здаються особливо перспективними в цьому відношенні. Цікавим полімером, поки що залишається в сфері гіпотетичних міркувань, є карбін . Ця назва відноситься до ланцюжка з атомів вуглецю, потенційна міцність якого в 40 разів перевищує силу алмазу. Однак цей матеріал настільки нестабільний, що поки що його виготовляли лише всередині нанотрубки. Іншим багатообіцяючим алотропним різновидом вуглецю є так званий Q-вуглець . Він має тривимірну структуру, в якій атоми вуглецю утворюють три ліганди. Його ймовірне застосування включає покращення зберігання енергії в літієвих батареях. Крім того, ми також знаємо вуглецеву нанопіну , пористу кристалічну структуру з магнітними властивостями. Сажа також є специфічним аморфним алотропним різновидом вуглецю. Майбутнє покаже, як використовуватимуться ці та інші унікальні вуглецеві структури. У світі існує велика кількість цього елемента, тому розвиток технологій не повинен загрожувати стабільності ресурсів або природному середовищу. Насправді існує велика ймовірність того, що алотропні різновиди вуглецю допоможуть краще управляти енергією та покращити багато промислових процесів.