Węgiel nie jedno ma imię - czyli o węglu i jego alotropach

Blog 20 listopada 2024

Czas czytania: 6 minuty, 41 sekund

Spis treści

Czym jest zjawisko alotropii?

Kiedy myślimy o pierwiastkach w stanie wolnym (czyli takich których atomy są związane tylko z innymi atomami tego samego pierwiastka lub nie są w ogóle związane) wyobrażamy je sobie w konkretnej formie. Złoto to żółte, błyszczące i stosunkowo plastyczne ciało stałe, helowce to bezbarwne i bezzapachowe gazy, brom to brunatna śmierdząca ciecz itp. Istnieje jednak grupa pierwiastków które mogą występować pod różnymi postaciami w zależności od tego jak ich atomy są ze sobą związane. Zjawisko takie nosi nazwę alotropii. UWAGA! Alotropiami nazywamy tylko różne formy występowania pierwiastków. Jeżeli mamy do czynienia ze związkami chemicznymi analogiczne zjawisko nazywane jest polimorfią (z greki: „wiele postaci”).

Na początku przyjrzyjmy się bliżej różnym formom węgla. Jest to jedyna forma alotropii której znajomość jest wymagana przez podstawę programową. Węgiel ma liczbę atomową 6 i 4 elektrony na powłoce walencyjnej. Oznacza to że do osiągnięcia oktetu potrzebuje on stworzyć cztery wiązania kowalencyjne. Wiemy również że atomy węgla mogą przyjmować różne hybrydyzacje: sp³, sp² i sp. W zależności od hybrydyzacji atomów węgla oraz ich rozmieszczenia względem siebie możemy wyróżnić: diament, grafit, grafen czy fulereny.

Diament

Diamenty są naturalnie występującą krystaliczną formą węgla. Powstają z innych form węgla kiedy poddane są one ogromnemu ciśnieniu. Atomy węgla mają w nich hybrydyzacje sp³ , i każdy z nich połączony jest wiązaniami kowalencyjnymi z czterema innymi atomami węgla tworząc tetraedr. Diament ma twardość 10 w skali twardości Mohsa i daje się zarysować tylko innym diamentem. Poza tym jest doskonałym przewodnikiem ciepła, izolatorem elektrycznym, jest przejrzysty dla światła widzialnego i ma jeden z największych współczynników załamania światła ze wszystkich materiałów. Warto zaznaczyć że mimo swojej twardości jest on kruchy i silne uderzenie młotkiem sprawi że rozsypie się w pył.

Grafit

Grafit jest często spotykany w życiu codziennym jako wkład do ołówków. Atomy węgla mają w nim hybrydyzacje sp² i ułożone są w warstwy złożone z połączonych ze sobą sześciokątnych pierścieni. Warstwy te złączone są ze sobą tylko słabymi oddziaływaniami Van der Waals’a. Niezhybrydyzowane orbitale p „wystają” pod i nad warstwy, a między nimi elektrony mogą swobodnie się przemieszczać dzięki zjawisku delokalizacji. Jeżeli chodzi o właściwości fizyczne grafit jest tak daleki od diamentu jak tylko można to sobie wyobrazić. Jest on, miękki, dobrze przewodzi prąd elektryczny i jest kompletnie nieprzejrzysty. Z diamentem łączą go kruchość i dobre przewodnictwo cieplne. Jego miękkość wynika ze słabego oddziaływania między warstwami, a dobra przewodność elektryczna z występowania zdelokalizowanych elektronów na powierzchni całej warstwy.

Filip Stanek, siedzący na schodach, trzymający tablet z rysikiem, uśmiechnięty.

Polecane

Zobacz jak możemy Ci pomóc

Maturalny obóz wakacyjny Zajęcia indywidualne (MAT/CHEM/BIOL) Roczne Kursy Maturalne (MAT/CHEM/BIOL) Platforma Naukowców

Fulereny

Diament i grafit były znane od starożytności i wydawało by się że to by było na tyle jeżeli chodzi o formy alotropowe węgla. Dopiero w latach sześćdziesiątych XX wieku zaczęto teoretyzować nowe, nie znalezione w naturze formy węgla. Na potwierdzenie ich istnienia trzeba było czekać aż do 1985 roku, kiedy naukowcy z uniwersytetu w Sussex potwierdzili za pomocą spektrometrii masowej istnienie nowych cząsteczkowych form węgla między innymi C60 i C70.

Zdięcie kryształów fulerytu — Kryształy fulerytu złożone z cząsteczek fulerenu C₆₀ . Źródło: wikimedia commons

Ilustracja przedstawia strukture fulerenu C60. — Cząsteczka fulerenu C₆₀, zwanego buckminsterfulleren’em. Źródło: wikimedia commons

Ilustracja przedstawia strukturę kryształu fulerytu — Struktura kryształu fulerytu. Źródło: wikimedia commons

Kiedy mówimy o fulerenie zazwyczaj na myśl pierwsza przychodzi struktura C₆₀ . Jest on najczęściej występującym fulerenem i można go spotkać na przykład w sadzy węglowej. Atomy węgla mają w nim hybrydyzacje sp2 i połączone są w 20 pierścieni sześciokątnych i 12 pięciokątnych, a sama cząsteczka kształtem przypomina piłkę do piki nożnej (matematycznie ten kształt to ścięty dwudziestościan). Nazwa buckminsterfulleren pochodzi od nazwiska architekta i futurysty Richard’a Buckminster’a Fuller’a, który znany był z konstrukcji kopuł geodezyjnych. Struktury te są podobne kształtem do fulerenów.

Przedstawienie różnorodnych kształtów fulerenów — Struktury różnych fulerenów. W środku atom azotu zamknięty w C₆₀ (J), atom gadolinu zamknięty w C₆₀ (K) i cząsteczka azotku gadolinu(I) zamknięta w C₆₀. Źródło: https://www.researchgate.net/figure/The-structural-models-of-different-fullerenes-Reproduced-with-permission-Copyright_fig2_366549068

Zdięcie Buckminster'a-Fuller'a wraz z modelem kopuły geodezyjnej zaprojektowanej przez niego. Kopuła przypomina kształtem fulereny których nazwa pochodzi od nazwiska Fuller'a — R. Buckminster Fuller z modelem kopuły goedezyjnej. Źródło: https://parametric-architecture.com/buckminster-fuller-doing-more-with-less/

Kryształy fulerytu mają twardość podobną do grafitu, są półprzewodnikami typu n i są nieprzezroczyste. W przeciwieństwie do innych form węgla fulereny rozpuszczalne są w rozpuszczalnikach aromatycznych i dwusiarczku węgla. Są również o wiele bardziej reaktywne chemicznie niż inne formy węgla.

Grafen

Wróćmy na chwile do grafitu. Przyglądając się jego strukturze widzimy, że skład się on z warstw węgla złączonego kowalencyjnie pomiędzy którymi występują jedynie stosunkowo słabe oddziaływania międzycząsteczkowe. Czy możliwe było by rozdzielenie tych warstw i otrzymanie materiału o grubości jednego atomu? Jak w przypadku fulerenów teoria tutaj wyprzedziła praktykę. Termin grafen został po raz pierwszy użyty do opisu takiej struktury w 1986 roku. Jednoznaczne potwierdzenie istnienia pojedynczych warstw grafenu miało miejsce dopiero w 2004 roku. Wtedy to naukowcy z uniwersytetu w Manchesterze użyli zaawansowanej technologiczne techniki o nazwie mikromechanicznego złuszczania.

Schemat procesu mikromechanicznego złuszczania, mechanical exfoliation — Schemat metody mikromechanicznego złuszczania (ang. micromechanical exfoliation). (a) taśma klejąca przyciśnięta jest do kryształu, (b) taśma klejąca jest odczepiona od kryształu, pozostaje na niej kilka-kilkanaście wierzchnich warstw kryształu, (c) taśma klejąca z grafitem przyciśnięta jest do wybranej powierzchni, (d) po oderwaniu na powierzchni spodnia warstwa pozostaje na powierzchni. Źródło :https://www.researchgate.net/figure/Micromechanical-exfoliation-of-2D-crystals-a-Adhesive-tape-is-pressed-against-a-2D_fig5_231057690

Grafen, fragment struktury grafenu — Struktura pojedyńczej warstwy grafenu. Źródło: https://www.grapheneuses.org/what-is-graphene/

Grafen mimo swojego podobieństwa do grafitu znacznie różni się od niego właściwościami. Pojedyncza warstwa grafenu jest praktycznie przejrzysta dla światła widzialnego. Jest on niezwykle odporny na rozciąganie (około 200 bardziej niż stal). Grafen lepiej niż grafit przewodzi prąd elektryczny i ciepło. W przeciwieństwie do grafitu jest on giętki, a i znacznie bardziej reaktywny chemiczne ze względu na końce warstw.

Porównanie i powtórka

Poznaliśmy już cztery postacie alotropowe węgla, zobaczmy w czym są do siebie podobne a czym się różnią

Właściwość	Diament	Grafit	Fulereny	Grafen
Rodzaj kryształu	Kowalencyjny	Kowalencyjny	Molekularny	Brak formy krystalicznej
Hybrydyzacja węgla	sp³	sp²	sp²	sp²
Twardość	Bardzo wysoka	Bardzo niska	Bardzo niska	Bardzo niska
Kruchość	Kruchy	Kruchy*	Kruchy	Wytrzymały
Przewodnictwo elektryczne	Izolator	Dobry przewodnik*	Półprzewodnik	Bardzo dobry przewodnik
Przewodnictwo cieplne	Bardzo dobre	Dobre*	Słabe	Bardzo dobre
Właściwości optyczne	Przejrzysty, bardzo duży współczynnik załamania światła	Czarny z metalicznym pobłyskiem	Czarny z metalicznym pobłyskiem	Przejrzysty

*grafit ma właściwości anizotropowe, co znaczy że zależą od kierunku, np. dobrze przewodzi wzdłuż płaszczyzn ale izoluje pomiędzy płaszczyznami

Zobaczmy też jak, może wyglądać zadanie dotyczące alotropów na maturze.

Matura Maj 2023, Poziom rozszerzony (Formuła 2015) – Zadanie 5. (2 pkt)

Węgiel tworzy kilka odmian alotropowych, które różnią się strukturą krystaliczną. Są wśród nich diament, grafit i fulereny. Poniżej przedstawiono informacje o jednej z odmian alotropowych węgla, a obok – model jej struktury krystalicznej. Występuje w postaci miękkiego minerału o słabym metalicznym połysku. Ta odmiana charakteryzuje się dobrym przewodnictwem elektryczności i ciepła.

Rozstrzygnij, czy przedstawione informacje dotyczą diamentu czy grafitu. Wyjaśnij, dlaczego ta odmiana charakteryzuje się dobrym przewodnictwem elektryczności.

Rozstrzygnięcie:

…………..

Wyjaśnienie:

………….

Zobacz odpowiedź

Rozwiązanie Aby wyjaśnić budowę cząsteczki C₃O₂, hybrydyzację typu sp przypisuje się orbitalom walencyjnym (trzech atomów / dwóch atomów / jednego atomu) węgla. Liczba wiązań σ w cząsteczce C₃O₂ wynosi (2 / 4 / 6 / 8). Uwaga: Geometria cząsteczki nie podlega ocenie.