Węgiel i jego odmiany alotropowe

Węgiel jest pierwiastkiem dwu i czterowartościowym. Występuje na stopniach utlenienia +2, +4 i –4, jest mało aktywny chemicznie. Nie rozpuszcza się w wodzie, kwasach i zasadach, w temperaturze pokojowej reaguje tylko z fluorem, po ogrzaniu tworzy związki z tlenem (CO i CO2) i siarką (CS2). W bardzo wysokich temperaturach łączy się bezpośrednio z wodorem oraz z wieloma metalami, tworząc tzw. węgliki (np. CaC2, Al4C3), które rozkładają się pod wpływem wody lub kwasów (np. CaC2+H2O=Ca(OH)2+C2H2). Atomy węgla wykazują zdolność do tworzenia wiązań między sobą, wskutek czego istnieje ogromna liczba związków węgla, łańcuchowych i pierścieniowych, prostych i rozgałęzionych, w skład których oprócz węgla i wodoru wchodzą przede wszystkim fluorowce, siarka, tlen i azot. Związki te stanowią przedmiot chemii organicznej.

Alotropia jest to występowanie tego samego pierwiastka chemicznego w 2 lub kilku formach krystalicznych (np. węgiel w postaci grafitu, diamentu i fullerenów) lub cząsteczkowych (tlen O2 i ozon O3), zwanymi odmianami alotropowymi. Znane są też liczne odmiany alotropowe m.in. arsenu, cyny, fosforu, antymonu, selenu, siarki. Każda odmiana alotropowa jest trwała w pewnym zakresie temperatury i ciśnienia. Zmiana tych warunków może spowodować określoną przemianę alotropową.

Odmiany alotropowe węgla.

Grafit to odmiana alotropowa węgla o barwie czarno-szarej i metalicznym połysku, mało reaktywna, bardzo miękka (wartość 1 w skali twardości Mohsa). Powstaje w wysokich temperaturach przy braku tlenu. Grafit dobrze przewodzi prąd elektryczny oraz ciepło, jest łupliwy, nierozpuszczalny. Czysty grafit krystalizuje w układzie heksagonalnym, sieć przestrzenna składa się z równoległych warstw, powiązanych ze sobą siłami Londona i oddalonych od siebie o 3,35 Å, w obrębie warstwy odległość między atomami węgla wynosi 1.42 Å.
Grafit występuje w przyrodzie w postaci minerału. Na skalę techniczną grafit jest otrzymywany przez ogrzewanie antracytu. Grafit służy do wyrobu elektrod, tygli ogniotrwałych, ołówków, smarów, farb. W reaktorach jądrowych pręty grafitu spełniają rolę moderatora.

Diament toodmiana alotropowa węgla, krystalizuje w układzie regularnym (w klasie tetraedrycznej) - każdy atom węgla połączony jest wiązaniami kowalencyjnymi z czterema innymi atomami znajdującymi się w narożach tetraedru, wszystkie odległości między atomami węgla są jednakowe i wynoszą 1,54 Å.
Diament tworzy bezbarwne, przezroczyste kryształy o ekstremalnie dużej twardości. Zanieczyszczenia nadają diamentowi różnorakie zabarwienie. Diament cechuje duża odporność chemiczna. W wyższych temperaturach diament przechodzi w grafit. Odwrotną przemianę można przeprowadzić tylko w bardzo drastycznych warunkach ciśnienia.
Bardziej przyszłościową metodą otrzymywania diamentu jest niskociśnieniowa epitaksja diamentu z fazy gazowej. Diamenty wykorzystywane są w technice do obróbki innych materiałów, w chirurgii jako narzędzia do cięcia. Diamenty po oszlifowaniu zwane są brylantami, rautami lub rozetami w zależności od rodzaju szlifu.
Występują w silnie zasadowych skałach magmowych oraz w piaskach rzecznych i plażowych. Używany w jubilerstwie jako kamień szlachetny. Odpowiednio domieszkowany diament (np. za pomocą boru) ma własności półprzewodnikowe, wytworzone z niego układy scalone mogą pracować w wysokich temperaturach. Tranzystor diamentowy ma wyższe napięcie przebicia i pracuje szybciej aniżeli jego odpowiedniki krzemowe.


Fullereny to cząsteczki węgla zawierające od kilkudziesięciu do kilkuset atomów, wchodzą w skład kryształów molekularnych tworzących odmianę alotropową węgla. Najbardziej trwałe fullereny to: C32, C44, C50, C58, C60, C70, C240, C540, C960. Cząsteczki te składają się z pierścieni pięcio- i sześcioatomowych, tworzących zamkniętą strukturę kopuł geodezyjnych skonstruowanych przez R. Buckminstera Fullera (stąd nazwa). Fullereny łatwo sublimują, są dobrze rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych. Cząsteczki C60 (najbardziej stabilne) mają kształt piłki futbolowej, o średnicy powyżej 1 nm. C60 można otrzymać przez laserowe odparowanie grafitu w atmosferze helu lub wytworzenie łuku elektrycznego między elektrodami grafitowymi (także w atmosferze helu). Rozdział fullerenów od innych związków węgla można wykonać za pomocą związków makrocyklicznych (tzw. kaliksarenów), które selektywnie tworzą z fullerenów odwracalne kompleksy typu gość- gospodarz.
Fullereny odnajdywane w przyrodzie są najprawdopodobniej pochodzenia pozaziemskiego, ponieważ gazy szlachetne uwięzione w ich wnętrzu mają nietypowy stosunek izotopów. Odkryto fullereny w śladowych ilościach w warstwie gliny bogatej w sadzę - pochodzącej z okresu kredowego (Nowa Zelandia). Cząsteczki C60 otoczone kolejnymi fullerenami (np. C240, C540, C960)) tworzą struktury hiperfullerenowe.
Wewnątrz cząsteczki fullerenu można umieścić atomy metali (tzw. metalofullereny). Przewiduje się, iż fullereny i ich metaliczne związki znajdą zastosowanie jako przewodniki, półprzewodniki, nadprzewodniki (nadprzewodnictwo), smary, włókna sztuczne, farmaceutyki.
Efekt nadprzewodnictwa fullerenów osiągnięto m.in. umieszczając we wnętrzu fullerenu C60 cząsteczkę bromoformu, to rozdęcie sieci krystalicznej fullerenu zwiększyło jego gęstość elektronową, dodatkowo przyłożenie poprzecznego pola elektrycznego wzmogło przewodnictwo. Tak zmodyfikowany fulleren wykazał nadprzewodnictwo w temperaturach sięgających aż 117 0 K.

Chaoit to kolejna odmiana alotropowa węgla. Są to białe kryształy mało reaktywne. Jest to odmiana najsłabiej zbadana.