Alotropia węgla: diament, grafit i grafen

1.Alotropia

Zjawisko występowania tego samego pierwiastka chemicznego w kilku odmianach różniących się budową wewnętrzną, a przez to także właściwościami fizycznymi i chemicznymi. W przypadku węgla do najważniejszych odmian należą diament, grafit i grafen.

2.Diament

Odmiana alotropowa węgla o budowie przestrzennej, w której każdy atom węgla jest połączony z czterema innymi atomami. Tworzy bardzo twardą, trwałą sieć kowalencyjną. Diament nie przewodzi prądu elektrycznego i ma bardzo dużą twardość.

3.Grafit

Odmiana alotropowa węgla zbudowana z warstw atomów. W każdej warstwie atom węgla łączy się z trzema innymi, a między warstwami działają słabe oddziaływania. Dlatego grafit jest miękki, łupliwy i przewodzi prąd elektryczny.

4.Grafen

Pojedyncza warstwa atomów węgla ułożonych w regularną sieć sześciokątów. Można go traktować jako jedną warstwę grafitu. Jest bardzo wytrzymały, cienki i dobrze przewodzi prąd oraz ciepło.

5.Sieć kowalencyjna

Rodzaj budowy ciała stałego, w którym atomy są połączone wiązaniami kowalencyjnymi w rozległą strukturę. W diamentzie taka sieć obejmuje całą bryłę, co odpowiada za jego wyjątkową twardość.

6.Budowa warstwowa grafitu

W graficie atomy węgla tworzą płaskie warstwy. Wewnątrz warstwy wiązania są mocne, ale między warstwami oddziaływania są znacznie słabsze. To powoduje miękkość grafitu i możliwość wykorzystania go np. w ołówkach.

7.Przewodnictwo grafitu

Grafit przewodzi prąd elektryczny, ponieważ w jego strukturze występują elektrony mogące przemieszczać się w obrębie warstw. To odróżnia go od diamentu, który nie ma takich swobodnie poruszających się elektronów.

8.Twardość diamentu

Bardzo duża twardość diamentu wynika z tego, że każdy atom węgla jest silnie związany z czterema sąsiadami w całej przestrzennej sieci. Rozerwanie lub przesunięcie takiej struktury wymaga dużej energii.

9.Grafen a grafit

Grafen jest pojedynczą warstwą atomów węgla, natomiast grafit składa się z wielu takich warstw ułożonych jedna na drugiej. Obie odmiany mają podobny układ atomów w warstwie, ale różnią się liczbą warstw i właściwościami makroskopowymi.

10.Przewodnictwo diamentu

Diament nie przewodzi prądu elektrycznego w typowych warunkach szkolnych, ponieważ wszystkie elektrony biorą udział w tworzeniu wiązań i nie mogą swobodnie się przemieszczać w krysztale.

11.Zastosowania diamentu

Diament wykorzystuje się w jubilerstwie oraz do wyrobu narzędzi tnących i ściernych. Wynika to z jego połysku, trwałości i bardzo dużej twardości.

12.Zastosowania grafitu

Grafit stosuje się m.in. do produkcji wkładów ołówkowych, elektrod i smarów. Jego użyteczność wynika z miękkości, warstwowej budowy oraz zdolności przewodzenia prądu.

13.Zastosowania grafenu

Grafen jest materiałem perspektywicznym dla elektroniki, czujników i nowoczesnych materiałów kompozytowych. Łączy bardzo małą grubość z dużą wytrzymałością i dobrym przewodnictwem.

14.Odmiany alotropowe węgla

Różne postacie tego samego pierwiastka, w których atomy są inaczej rozmieszczone i połączone. U węgla prowadzi to do powstania substancji o skrajnie odmiennych właściwościach, mimo identycznego składu pierwiastkowego.