Alotropowe odmiany węgla

ALOTROPOWE ODMIANY WĘGLA


Alotropia- jest to występowanie tego samego pierwiastka chemicznego dwóch, lub kilku formach krystalicznych (np. węgiel w postaci grafitu, diamentu, lub fullerenów) lub cząsteczkowych (tlen O i ozon O ), zwanych odmianami alotropowymi. Znamy odmiany alotropowe węgla, arsenu, cyny, fosforu, antymonu, selenu, siarki. Każda z tych odmian jest trwała w pewnym zakresie temperatury i ciśnienia. Zmiana tych warunków może spowodować przemiany alotropowe.
Istnieją trzy odmiany alotropowe węgla: grafit, diament i fullereny.

Grafit

Grafit jest alotropową odmiana węgla o barwie czarno-szarej i metalicznym połysku. Jest bardzo miękki (wartość 1 w skali Mohsa), łupliwy i nierozpuszczalny w wodzie. Bardzo dobrze przewodzi prąd i ciepło (w przeciwieństwie do diamentu, który powstaje z grafitu w wysokiej temperaturze, bez dostępu tlenu). Posiada doskonałe właściwości smarne, jest odporny na czynniki chemiczne i termiczne. Ponadto grafit i wyroby grafitowe charakteryzują się obojętnością chemiczną, łatwością składowania, utylizacji, brakiem negatywnego wpływu na środowisko. Dzięki tym cechom, zyskał on miano materiału nowoczesnego i ekologicznego. Oprócz tego, grafit jest substytutem azbestu, którego wytwarzanie jest zabronione w wielu krajach, ze względu na jego rakotwórcze właściwości.

W średniowieczu grafit używany był do pisania oraz sporządzania tygli alchemicznych. W 1779 r. K. Scheele stwierdził, że grafit jest odmianą węgla. Jednakże znano go znacznie wcześniej. Legenda głosi, że pewnego dnia straszna burza poprzewracała ogromne drzewa, odkrywając duże pokłady czarnej substancji, znajdującej się pod ich korzeniami. Wyglądała jak węgiel, ale się nie paliła. Pasterze zorientowali się, że jest to idealny materiał do oznakowania owiec. W rzeczywistości, był to właśnie grafit. Był to jeden z najlepszych jakościowo, grafitów na świecie, nadającym się do wykorzystania ze względu na swą jednolitość. Znalazł on wiele zastosowań, ale przede wszystkim używany był do wytwarzania kul armatnich, pod rządami królowej Elżbiety I.
Budowa grafitu nie jest bardzo skomplikowana. Jego sieć składa się z płaskich warstw nałożonych jedna na drugą. Każda warstwa ma strukturę plastra miodu- atomy węgla ułożone są w regularne sześciokąty. W obrębie warstw, atomy węgla połączone są wiązaniami kowalencyjnymi, natomiast między warstwami działają tylko słabe siły. Dlatego kryształy grafitu są miękkie, dają się łatwo łupać.

Grafit występuje w przyrodzie w postaci minerału, głównie w skałach metamorficznych (m.in. w łupkach krystalicznych i łupkach grafitowych). Jego największe złoża znajdują się w Chinach (ok. 80%), Brazylii, Austrii, Indiach, Korei Południowej, na Madagaskarze, Cejlonie i Sri Lance, na Ukrainie i w Kalifornii. Najlepszy na świecie grafit pochodzi z Sonory w Meksyku- jest drobny i wyjątkowo czarny. W Polsce jego niewielkie złoża występują na Dolnym Śląsku.

Grafit otrzymujemy również sztucznie. Grafit syntetyczny produkuje się z koksu petrochemicznego. Ten półprodukt mieszany jest w temperaturze 160 st. C z pozostałością podestycyjną smoły koksowej, zwanej pakiem. Następnie przeprowadza się koksowanie tej mieszani w izolacji od tlenu w temperaturze 800 st. C. Czynność tą, powtarza się kilkakrotnie, zawsze po wymieszaniu kolejną porcja paku. Grafityzację otrzymanego półproduktu przeprowadza się w bardzo wysokiej temperaturze: 2500- 3000 st. C. W ten oto sposób otrzymujemy grafit syntetyczny.

Grafit ma bardzo wiele właściwości i tyle samo zastosowań. Ich większość przedstawia poniższa tabela:


Właściwość Zastosowanie
1. Wysoka temperatura topnienia (3650 оС)- Materiały ogniotrwałe, tygle.
2. Dobry przewodnik elektryczności-Szczotki węglowe, kolektory napięcia, odbieraki prądu, taśmy przewodzące i podkładziny.
3. Dobrze smarujący powierzchnie- Smary, wypełnienia
4. Rozszerzalność- Podkładki, paski i pierścienie używane w warunkach wysokich temperatur, folie.
5. Odporność na reakcje chemiczne- Zastosowanie w środowiskach korozyjnych.
6. Wysoka przewodność cieplna, spowalnianie spalania, zdolność do zachowania struktury w wysokich temperaturach.- Łączenie stali i metali nieżelaznych, tygle odlewnicze i materiały okładzinowe.
7. Redukcja współczynnika zużycia, redukcja współczynnika tarcia smarowania.- Składnik okładzin hamulcowych.
8. Miękka konsystencja, niskie tarcie, nieaktywny, odporność na wysokie temperatury.- Smary
9. Nieaktywny chemicznie, stabilny w normalnych temperaturach, wysoka przewodność elektryczna, wzrost w elektrochemicznej wymianie ładunków.- Zastosowanie w bateriach, dla suchych ogniw.
10. Własności nie korozyjne.- Farby dla zabezpieczenia powłok ochronnych powierzchni metalowych.
11. Przewodność i kolor- Farby do ekranów elektrycznych.
12. Własności antystatyczne.- Antystatyczne pokrycia podłóg dla redukcji elektryczności statycznej.
13. Wysoka przewodność cieplna i wysoka odporność na temperaturę.- Materiały ogniotrwałe (90-95 %С).
14. Własności smarujące.- Dodatki do wiercenia, smary samochodowe, samosmarujące części mechaniczne takie jak łożyska, podkładki itd.
15. Kontrola spalania- Materiały wybuchowe, w których grafit kontroluje bezdymne spalanie prochu.
16. Spowalnia neutrony bez ich przechwytywania.- Opóźnia neutrony w reaktorach jądrowych.



Jak każdy z nas wie, grafit znajduje się również w ołówkach. Wbrew pozorą, jego wyprodukowanie nie jest wcale takie proste. Wkłady otrzymuje się ze zmieszanego, czystego grafitu z glinką, a następnie wypala w piecu uformowane pręciki. Grafitu nie można mielić w zwykłych młynkach, gdyż jego płytkowa struktura, czyni z niego naturalny smar. Używa się więc urządzenia, w którym odłamki grafitu uderzają o siebie, wzajemnie się rozdrabniając. Drobny proszek grafitowy jest wyrabiany z glinką porcelanowa i wodą, do momentu uzyskania jednolitego kitu. W zależności od proporcji tych składników, powstają ołówki o różnych grubościach. Im miększy i czarniejszy ołówek, tym więcej jest w nim samego grafitu. Otrzymany wkład, umieszcza się w rowkach powycinanych listewek przykrywa się drugą, analogicznie przyciętą listewką. Tą specyficzną „kanapkę”, maszyna przecina na pojedyncze ołówki o przekroju sześciokąta lub koła. Ta wyjątkowo skomplikowana procedura, kończy technologię wytwarzania najprostszego narzędzia piśmienniczego w XXI wieku.

Istnieje także grafit w płynie. Przeznaczony jest do naprawy drobnych uszkodzeń i rys na blankach wędzisk węglowych.



Diament


Diament, jest odmianą alotropową węgla, najtwardszym minerałem z występujących przyrodzie (10 w skali Mohsa). Tworzy on bezbarwne, przezroczyste kryształy. Zanieczyszczenia nadają mu różnorakie zabarwienie (czerwone, zielone, niebieskie, brązowe). Diament charakteryzuje duża odporność chemiczna. W wyższych temperaturach diament przechodzi w grafit. Jest półprzewodnikiem prądu i bardzo dobrym przewodnikiem ciepła, trudnotopliwy, odporny na działanie ługów i kwasów. Jest odporny na ścieranie i chodź bardzo twardy, to łatwo go rozkruszyć. Odznacza się silnym, diamentowym połyskiem. Jako kamienie jubilerskie szlifowane są najczęściej na ośmiokąty.

Diamenty- najcenniejsze i najtwardsze kamienie szlachetne, znane były w starożytności, w Azji, niekiedy przywożono je do krajów śródziemnomorskich. W Europie pojawiły się w XII wieku, a już w XIV, należały do najbardziej poszukiwanych i cenionych kamieni ozdobnych.

Do dziś pozostaje zagadką proces powstawania naturalnych diamentów. Większość badaczy uważa, że krystalizują się one jeszcze w płaszczu Ziemi, na dużej głębokości.
Diamenty można wytworzyć w sztucznych warunkach, ze związków węgla: w temperaturze 3000 st. C, pod ciśnieniem 1000 MPa.

Diament posiada uporządkowaną sieć krystaliczną, więc jest kryształem. W jego sieci, atom węgla łączy się z czterema innymi atomami węgla (węgiel jest czterowartościowy). Wszystkie odległości między atomami węgla, są jednakowe.
Diament nie przewodzi prądu elektrycznego, jest natomiast bardzo dobrym przewodnikiem ciepła. Właściwość ta, jest wykorzystywana do odróżnienia diamentu od jego imitacji. Oprócz tego diamenty są izolatorami, gdyż wszystkie elektrony znajdują się w wiązaniach.

Te drogocenne kamienie występują w silnie zasadowych skałach magmowych, oraz w piaskach rzecznych i plażowych. Pierwsze złoża diamentów odkryto na terenie Afryki Południowej w 1872 r. Do dziś znajduje się tam słynna kopalnia Kimberley, założona w dużym kominie wulkanicznym o średnicy ok. 500 m. Najpiękniejsze diamenty pochodzą z Indii, RPA, Afryki Centralnej, Indonezji (Borneo), Austrii i Wenezueli. Występują także w Botswanie, Zairze, Rosji (Jakucja). Właśnie w Jakucji, znaleziono ponad 300-karatowy diament i jest to trzeci, największy w historii regionu , wydobyty kamień. Największym znalezionym do tej pory diamentem, jest Cullinan. Wydobyto go w 1905 roku, w afrykańskiej kopalni Premier. W stanie surowym, ważył 3106 karatów, tj. ok. 621 g. Cały diament podzielono na 105 brylantów. Przechowywane są obecnie w Skarbcu Królewskim w Londynie.

Przez szlifowanie za pomocą proszku brylantowego, nadaje im się kształt brylantów (tzw. szlif brylantowy, wynaleziony w XVII wieku), rozet, lub rautów (w zależności od rodzaju szlifu). Charakteryzują się one tzw. ogniem, powstającym w wyniku silnego rozproszenia światła. Pojawia się wtedy piękna tęcza barw. Wartość brylantów określa się wg. kryteriów: czystość, barwa, szlif i liczba karatów (waga).

Każda odmiana węgla, ma zastosowanie w życiu człowieka. Tak jest również z diamentem. Każdy z nas wie, że są one stosowane w jubilerstwie, jako kamienie szlachetne. Ale to nie jedyne ich zastosowanie. Ze względu na wysoka twardość, przeznaczone są do produkcji noży do skrawania metali, cięcia szkła, łożysk. Tworzy się z nich również zakończenia wierteł geologicznych (do drążenia twardych skał). Używają ich także lekarze: diamenty są wykorzystywane również do produkcji narzędzi chirurgicznych. Znajdziemy je również w laserach półprzewodnikowych o dużej mocy i głowicach dysków twardych. Do wszystkich celów technicznych, wykorzystuje się te mniej wartościowe gatunki diamentów: szare i czarne. Proszek diamentowy znajduje również szerokie zastosowanie. Produkuje się niego np. pasty diamentowe.

Od wieków wierzono, iż diamenty posiadają moc. Już Majowie uwzględnili go w swym horoskopie. Był dla nich symbolem władzy, śmiałości i potęgi. Obdarz dobrych ludzi zdolnością koncentracji, przynosi radość i szczęście, dodaje odwagi. Należy chronić go przed spojrzeniem złych ludzi. Gdy w pobliżu dzieje się coś złego, jego blask mętnieje. Diament zdobyty nieuczciwą drogą, przynosi nieszczęście. Astrologowie uważają, że jest sprzymierzeńcem zodiakalnych Lwów i Baranów. Naukowo zostało potwierdzone, że diamenty pozytywnie wpływają na gospodarkę hormonalną człowieka.

Najcenniejszymi diamentami zbiorach Polski, są: Wielki, czarny diament w złotej puszce św. Stanisława (skarbiec katedry na Wawelu), oraz bezbarwny 10- karatowy diament w koronie Jana Kazimierza (skarbiec na Jasnej Górze). Największy znaleziony diament ważył 3106 karatów (1 karat= 0,2 g.; 3106 karatów= 621,2 g.)




Fullereny


Fullereny, to najpóźniej poznana, alotropowa odmian węgla. Została odkryta w 1985 r. przez Roberta Curla, Richarda Smalleya i Herolda Kroto, którzy w 1996 r. za swe odkrycie dostali Nagrodę Nobla. Są to cząsteczki węgla zawierające od kilkudziesięciu do kilkuset atomów węgla (najbardziej trwałe odmiany to: C32, C44, C50, C58, C60, C70, C540, C960). Cząsteczki te, składają się z pierścieni pięcio i sześcioatomowych, tworzących zamkniętą strukturę kopuł geodezyjnych (skonstruował je R. Buckminstera Fullera- stąd nazwa). Fullereny występują w postaci miękkich, żółtych, lub brązowych kryształków. Łatwo sublimują, są dobrze rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych, ale nie rozpuszczają się w wodzie. Cząsteczki C60 (najbardziej trwałe), maja kształt piłki futbolowej, mogą tworzyć kryształ cząsteczkowy-fulleryt.

Fullereny dzielmy na trzy rodzaje:
I Fullereny egzohedralne-są to fullereny, do których przyłączyły się „od zewnątrz” obce atomy

II Fullereny endohedralne- są to fullereny, wewnątrz których został uwięziony obcy atom:


III Heterofullereny-fullereny, w których nastąpiła częściowa, lub całkowita substytucja atomów węgla, przez atomy innych pierwiastków:


Mamy prawo przypuszczać, iż fullereny są pochodzenia pozaziemskiego. Ukryte w ich wnętrzu gazy szlachetne maja nietypowy stosunek izotopów. Odnaleziono fullerenu w śladowych ilościach warstwie gliny bogatej w sadzę, pochodzącej z okresu kredowego
(Nowa Zelandia). Bardzo niewielkie ilości fullerenów, zawiera sadza powstająca w płomieniu palącej się świecy.

W 1990r. po raz pierwszy otrzymano fullereny syntetyczne. Aby wytworzyć fullereny, należy wybić laserem atomy węgla z grafitu. Proces ten zachodzi w próżni temperaturowej, bliskiej zera bezwzględnego (-270 st. K), oraz atmosferze helu. Fullereny mogą być również wyselekcjonowane z sadzy, przy użyciu benzenu, lub innego rozpuszczalnika organicznego.

Wiążemy wielkie nadzieje z fullerenami. Już dziś wiemy, że maja szerokie zastosowanie w medycynie. Są one antyoksydami, tzn. pochłaniają i dezynfekują wolne rodniki (oskarża się je o powodowanie sklerozy, choroby Parkinsona i przyspieszenie starzenia). Udowodniono, że fulleren C60 spowalnia obumieranie komórek nerwowych mózgu. Badania wykazały, że pochodne fullerenów- matanofullereny, są pomocne w leczeniu AIDS. Blokują one aktywne centra enzymów wirusa HIV (peptydazy i trankryptazy). Z kolei liposomowa pochodna C60, działa destrukcyjnie na komórki rakowe, uszkadzając ich aminokwasy. Lecz to nie koniec. Gdyby wewnątrz C60, umieścić pierwiastek promieniotwórczy, powstanie radionukleoid przydatny w diagnostyce. Podróżowałby po organizmie, nie czyniąc mu szkody, a umożliwiając jego zbadanie.

Fullereny mają szansę zostać półprzewodnikami. Specyficzne związki fullerenów- fullerydy, mogą przewodzić prąd poniżej temperatury krytycznej. Fullerydy zawierają atom metalu alkalicznego. Niestety są one nietrwałe w powietrzu. Swoje zastosowanie fullereny znalazły również w fotoprzewodnictwie. Dodając ich do substancji fotoprzewodzącej, można znacznie polepszyć jej właściwości. Gdy fullereny są obecne w polimerach drukarek kopiarek, znacznie polepsz to jakość i trwałość wydruków. Inne ich zastosowanie ma miejsce w stabilizatorach paliw samolotowych (fullereny wyłapują wolne rodniki, co ułatwia swobodny przepływ paliwa), ulepszaniu jakości aluminium ( po dodaniu C60, jest ono twardsze) i produkcji diamentów (fulleren poddany wysokiemu ciśnieniu, zmienia swa strukturę, zamieniając się w diament). Fullereny są również katalizatorami (redukują nitrotoluen, uwalniają tlenek węgla, konwersują metan).


Źródła:


WWW.wiem.onet.pl
WWW.gold-shop.pl/kamienie.php
WWW.jubiler.pl
WWW.icpnet.pl
WWW.pmedia.info
WWW.slownik-online.pl
WWW.enter.pl
WWW.sc13,scenariusz.edussek.interklasa.pl/wegiel/diam.html
WWW.weglowce.republika.pl
WWW.sciagawa.pl
WWW.chemia.viii-lo.krakow.pl
WWW.dami.pl
WWW.ig.pwr.wroc.pl/studia/chemiii.ppt
WWW.bil.pl/forum-technika-nauka.htm
WWW.acco.pl/derwent.htm
WWW.mikado.pl/prawaakcesoria.htm
WWW.sinograf.pl
WWW.igo.katowice.pl
WWW.nauka.bydnet.pl/projekty/tablica/pioerw/c.html
WWW.gigawat.net.pl
WWW.wsp.czest.pl
WWW.kpk-ottawa.org
WWW.fulereny.dimp.ceti.pl