WĘGIEL - najciekawszy pierwiastek
Czy dasz wiarę, że na obu zdjęciach powyżej jest ten sam pierwiastek - WĘGIEL.
Największy brylant na świecie nazywa się Cullinan to oszlifowany diament czyli czysty węgiel. Waży 530,2 karata czyli 106,04 grama i zdobi brytyjskie berło królewskie. Jego wartość to ok. 27 mln. dolarów. Po prawej stronie widzisz kawał węgla kamiennego o zawartości pierwiastka C ok. 90 - 97 %. Tona antracytu kosztuje kilkaset złotych.
To węgiel i to węgiel. Tylko kolor i cena trochę inne.
Niektóre pierwiastki chemiczne występują w kilku odmianach, które różnią się budową wewnętrzną i co z tego wynika także właściwościami fizycznymi i chemicznymi. To zjawisko nazywa się alotropią.
Alotropia jest podobna do polimorfizmu czyli występowania tej samej substancji w kilku odmianach różniących się siecią przestrzenną kryształów oraz własnościami fizycznymi i chemicznymi.
Jednak polimorfizm odnosi się do związków chemicznych, a alotropia do pierwiastków. Przykładem polimorfizmu są różne skały wapienne tworzone przez polimorficzne odmiany węglanu wapnia CaCO3: kalcyt, aragonit, dolomit, kreda, a także gałązki koralowca.
Odmiany alotropowe poza węglem posiadają także: tlen, siarka, cyna, arsen, antymon, mangan, selen, fosfor.
Na koniec wstępu trzeba dodać, że węgiel to podstawowy pierwiastek wszystkich form życia jakie znamy. Poza najprostszymi związkami węgla, należącymi tradycyjnie do chemii nieorganicznej, badaniem budowy, właściwości oraz reakcji związków chemicznych zawierających węgiel zajmuje się chemia organiczna. Obecnie znanych jest ok. 20 mln związków organicznych.
Wiązania atomów węgla w diamencie
Wiązania atomów węgla w graficie
Diament i grafit
Obie formy alotropowe występują naturalnie w przyrodzie, tyle że grafit jest dość pospolity, natomiast diament bardzo rzadki (i dlatego tak drogi). Węgiel jest pierwiastkiem z 14 grupy układu okresowego, czyli jest czterowartościowy i ma cztery elektrony walencyjne na ostatniej powłoce, które tworzą wiązania z sąsiednimi atomami. Jednak atomy węgla mogą być powiązane w różny sposób co daje różne odmiany alotropowe.
Najsilniejsze powiązania występują w diamencie. Cztery atomy znajdują się we wierzchołkach czworościanu foremnego i tworzą połączenia wzdłuż jego krawędzi. To powoduje, że diament jest najtwardszym występującym na ziemi materiałem.
Grafit natomiast (ta odmiana węgla jest używana w ołówkach) ma całkowicie odmienną strukturę. Każdy atom tworzy trzy silne powiązania z trzema sąsiednimi atomami w warstwie o strukturze powiązanych sześciokątów. Natomiast czwarte, słabe wiązanie, łączy co drugi atom z atomem sąsiedniej warstwy.
To powoduje, że słabo powiązane warstwy mogą się "przesuwać" względem siebie - grafit jest miękki, co wykorzystujemy w ołówkach.
Diament bardzo słabo przewodzi prąd elektryczny, natomiast grafit jest dobrym przewodnikiem elektryczności (por. filmy).
Wiązania atomów węgla w fullerenach
Wiązania atomów węgla w nanorurce węglowej
Fullereny i nanorurki węglowe
Fullereny są przestrzennymi wielościennymi strukturami atomów węgla przypominających sferę kulistą. Fullereny choć odkryte dopiero w 1985 roku to okazuje się, że niewielkie ich ilości są w sadzy węglowej, którą znamy z kopcącej świeczki i która osadza się w piecach i kominkach.
Najbardziej typowym jest złożony z 60 atomów, kulisty fulleren C60.
Szczególną formą fulerenów są fulereny olbrzymie (ponad 500 atomów węgla), fulereny warstwowe (nanocebulki) oraz nanorurki węglowe, które mają postać pobocznicy walca o grubości jednego atomu i strukturze takiej jak grafen. Najdłuższa, otrzymana w 2008 r. nanorurka ma ponad 20 mm długości.
Fulereny, ze względu na swoje wyjątkowe własności m.in. nadprzewodzące i półprzewodnikowe, znajdują różnorakie zastosowania głównie w elektronice, technice biomedycznej i optycznej oraz wchodzą w skład katalizatorów.
Wiązania atomów węgla w grafenie
Wiązania atomów węgla w cyklooktadekawęglu (cyklowęglu)
Grafen i ... cyklowęgiel
Grafen, choć teoretycznie opisany został już w roku 1947, to wytworzony dopiero w roku 2004. to materiał zbudowany z pojedynczej warstwy atomów węgla i jest doskonałym przewodnikiem zarówno prądu jak i ciepła. Wynika to z ogromnej ruchliwości i prędkością przepływu elektronów.
Grafen ma także wielką wytrzymałość na rozciąganie, ponad 300 razy większą od stali konstrukcyjnej i kevlaru.
Najnowszym odkryciem, kolejnej formy węgla, jest cyklowęgiel, mający strukturę pierścienia złożonego z 18 atomów węgla, w którym naprzemiennie występują wiązania potrójne i pojedyncze. Fazę gazową odkryto w 1989 roku, a w fazie stałej otrzymano go dopiero w 2019 roku.
Podsumowanie
Zarówno odkrywcy fullerenów jak i grafenu zostali uhonorowani nagrodami Nobla, odpowiednio z chemii w 1996 i z fizyki 2010 roku.
Zarówno procesy ich wytwarzania jak i możliwości zastosowań są dopiero wypracowywane przez naukę i technikę. Polscy naukowcy z Politechniki Łodzkiej opracowali w 2015 roku (opatentowaną w UE i USA w 2016 r.) metodę wytwarzania płatów grafenu o powierzchni liczonej w metrach kwadratowych i wysokiej jakości własnościach, bliskich teoretycznym.
Jak widać węgiel dopiero odkrywa przed nami swoje tajemnice.
Zadanie:
Poszukaj w Sieci informacji skąd wzięła się nazwa fullereny?
Napisz co znalazła/eś i co na temat węgla szczególnie Cię zafrapowało?
A może coś trzeba dodatkowo wyjaśnić, napisz ...
tel.: 505 377 726 e-mail: kontakt@terazrozumiem.pl
NOTA PRAWNA: Zgodnie z art. 25 ust. 1 pkt 1 b) Ustawy o prawach autorskich i prawach pokrewnych (z 4 lutego 1994 r, z późn. zmianami) zastrzegam, że wszystkie materiały zamieszczone na terazrozumiem.pl są objęte prawami autorskimi, a ich dalsze rozpowszechnianie bez mojej zgody jest zabronione