Alotropia węgla: diament, grafit, grafen i fullereny

Alotropia to zjawisko występowania tego samego pierwiastka w kilku odmianach różniących się budową wewnętrzną, a w konsekwencji także właściwościami fizycznymi i częściowo chemicznymi. W przypadku węgla ma to szczególne znaczenie, ponieważ atomy tego pierwiastka mogą łączyć się w bardzo różny sposób, tworząc odmiany o skrajnie odmiennych cechach.

W liceum najczęściej omawia się cztery ważne odmiany alotropowe: diament, grafit, grafen i fullereny. Wszystkie są zbudowane wyłącznie z atomów węgla, ale różnią się ułożeniem atomów i typem struktury. To właśnie budowa decyduje o tym, czy dana odmiana jest twarda, miękka, przewodzi prąd czy ma zastosowanie w nowoczesnych technologiach.

Diament jest odmianą alotropową węgla o budowie przestrzennej sieci kowalencyjnej. Każdy atom węgla jest połączony z czterema innymi atomami, a silne wiązania kowalencyjne rozchodzą się we wszystkich kierunkach. Taka regularna i bardzo trwała struktura powoduje, że diament należy do najtwardszych znanych substancji.

Z budowy wynikają jego najważniejsze właściwości. Diament ma bardzo dużą twardość, wysoką temperaturę topnienia i dużą trwałość mechaniczną. Jednocześnie nie przewodzi prądu elektrycznego, ponieważ elektrony są silnie związane w wiązaniach i nie mogą swobodnie się przemieszczać.

Diament znajduje zastosowanie nie tylko w jubilerstwie. Wykorzystuje się go także do produkcji narzędzi tnących, ściernych i polerujących. W tych zastosowaniach kluczowa jest jego odporność na zarysowanie i ścieranie.

Grafit również jest zbudowany z atomów węgla połączonych wiązaniami kowalencyjnymi, ale jego struktura jest inna niż w diamencie. Atomy tworzą płaskie warstwy ułożone w regularne sześciokąty. W obrębie pojedynczej warstwy wiązania są silne, natomiast między warstwami działają tylko słabe oddziaływania międzycząsteczkowe.

To właśnie warstwowa budowa tłumaczy właściwości grafitu. Warstwy mogą łatwo przesuwać się względem siebie, dlatego grafit jest miękki i śliski w dotyku. Jest też dobrym materiałem smarnym. W odróżnieniu od diamentu grafit przewodzi prąd elektryczny, ponieważ część elektronów może poruszać się w obrębie warstw.

Do typowych zastosowań grafitu należą: elektrody, wkłady do ołówków oraz materiały smarne. W zadaniach szkolnych trzeba umieć powiązać te zastosowania z jego budową warstwową i przewodnictwem.

Grafen można traktować jako pojedynczą warstwę grafitu. Tworzy go cienka, niemal dwuwymiarowa sieć atomów węgla ułożonych w sześciokąty. Mimo bardzo małej grubości materiał ten odznacza się dużą wytrzymałością mechaniczną.

Grafen dobrze przewodzi prąd elektryczny i ciepło, a przy tym jest bardzo lekki. Zestaw tych właściwości sprawia, że stał się materiałem niezwykle ważnym w badaniach nad nowoczesną elektroniką i materiałami kompozytowymi.

W zakresie licealnym najważniejsze jest rozumienie relacji między grafenem a grafitem: grafit składa się z wielu warstw, a grafen to jedna taka warstwa wyodrębniona z tej struktury. Nie należy mylić grafenu z fulerenami, które mają budowę cząsteczkową, a nie warstwową.

Fullereny to odmiany alotropowe węgla o budowie cząsteczkowej. Atomy węgla tworzą zamknięte struktury przypominające klatki, kule lub elipsoidy. Najbardziej znanym przykładem jest $C_{60}$, którego cząsteczka ma kształt zbliżony do piłki zbudowanej z pięcio- i sześciokątów.

W przeciwieństwie do diamentu i grafitu, które mają rozległe sieci atomowe, fullereny występują jako odrębne cząsteczki. Ta różnica budowy wpływa na ich właściwości oraz możliwości zastosowania. W liceum warto zapamiętać przede wszystkim ich cząsteczkowy charakter i charakterystyczny przykład $C_{60}$.

Fullereny są ważne także dlatego, że pokazują, jak różnorodne struktury może tworzyć jeden pierwiastek. To dobry przykład zależności między budową a właściwościami substancji.

Porównując diament, grafit, grafen i fullereny, trzeba zawsze wychodzić od ich budowy. Diament ma sztywną sieć przestrzenną, dlatego jest bardzo twardy i nie przewodzi prądu. Grafit ma budowę warstwową, więc jest miękki i przewodzi prąd. Grafen to pojedyncza warstwa o dużej wytrzymałości i dobrym przewodnictwie. Fullereny mają natomiast budowę cząsteczkową.

Typowe zadania sprawdzają umiejętność uzasadniania właściwości na podstawie struktury. Trzeba umieć wyjaśnić, dlaczego grafit przewodzi prąd, dlaczego diament jest twardy oraz dlaczego grafit nadaje się na smary i elektrody. Często pojawia się też rozpoznawanie, która odmiana ma budowę warstwową, a która cząsteczkową.

Najważniejsza zasada brzmi: ta sama substancja pierwiastkowa może mieć bardzo różne właściwości, jeśli inaczej są w niej rozmieszczone atomy i elektrony. To jeden z najbardziej klasycznych przykładów związku między strukturą a właściwościami w chemii.