Węgiel wchodzi w skład wielu nieorganicznych i organicznych związków chemicznych. Związki zawierające węgiel są podstawą życia na Ziemi, a cykl węglowo–azotowo–tlenowy dostarcza część energii wytwarzanej przez Słońce i inne gwiazdy. Węgiel występuje naturalnie jako antracyt (rodzaj węgla), grafit i diament. Historycznie, bardziej dostępna była sadza bądź węgiel drzewny. Ostatecznie, te różne materiały zostały rozpoznane jako formy tego samego elementu. Grafit, diament i fulereny są krystalicznymi formami alotropowymi węgla. Odmiany alotropowe różnią się między sobą budową, a co za tym idzie – właściwościami fizycznymi i niejednokrotnie aktywnością chemiczną.

Ciekawostka

R8jlomsQKjROD

Zdjęcie portretowe Antoine'a Lavoisiera, francuskiego chemika. Mężczyzna jest młody. Ma na głowie perukę. Włosy peruki są spięte z tyłu kokardą. Wzrok mężczyzny jest skierowany nieco w górę w prawo. Ma na sobie strój przypominający frak, a pod nim białą koszulę. Pod szyją ma zawiązaną chustę, tak zwany fular.

Diament jest najtwardszą substancją znaną człowiekowi (w dziesięciostopniowej skali Mohsa twardość diamentu wynosi $10$). Jego każdy atom połączony jest z czterema innymi atomami w postaci czworościennej. Ta podstawowa jednostka powtarza się i rozciąga we wszystkich kierunkach, tworząc siatkę oktaedryczną. Stanowi to krystaliczną strukturę diamentu, przedstawioną na animacji poniżej. Dodatkowo, wiązania między atomami są bardzo silnymi wiązaniami kowalencyjnymi, co nadaje sztywność i twardość kryształowi diamentu.

R1OJdx8zCbCTA

Animacja przedstawia strukturę diamentu. Swoją strukturę oraz twardość diament zawdzięcza sieci krystalicznej. W strukturze tej każdy atom węgla połączony jest wiązaniami kowalencyjnymi z czterema innymi atomami węgla, tworząc czworościan foremny (tetraedr). Wiązania te są jednakowe.

Dzięki swojej twardości diamenty są stosowane:

• w przemyśle do cięcia, wiercenia i szlifowania;

• do produkcji półprzewodników;

• jako drogocenne klejnoty w najdroższej biżuterii.

Diamenty to kamienie szlachetne w stanie surowym. Aby mogły zostać wykorzystane w jubilerstwie, muszą zostać oszlifowane. Podczas tego procesu powstaje kamień, który jest gotowy do umieszczenia w biżuterii ze względu na swój regularny kształt i wyjątkowy blask. Nazywamy go wówczas brylantem. Poddany obróbce jubilerskiej, diament silnie załamuje światło oraz mocno je rozprasza, co można zauważyć na zdjęciu poniżej.

RiRlva0Sd3VFy

Zdjęcie przedstawia przezroczysty brylant z wiązką światła, która przez niego przechodzi. Brylant ma płaski wierzchołek i liczne szlify po bokach.

Na cenę tych kamieni wpływa karat (masa kamienia), kolor (najcenniejsze są bezbarwne), klarowność (przejrzystość) oraz czystość (brak skaz i ciał obcych). Ważny element przy wycenie brylantów to również szlif. Każdy brylant jest diamentem, ale nie każdy diament staje się brylantem, ponieważ nie każdy zostaje oszlifowany.

RfT4rTtz0xAGy

Zdjęcie przedstawia pierścionek z diamentem w szlifie szmaragdowym. Pierścionek jest srebrny, oczko pierścionka jest różowe, oszlifowane, ma kształt zbliżony do prostokąta z zeszlifowanymi wierzchołkami.

Diament syntetyczny jest diamentem produkowanym w kontrolowanym procesie, w przeciwieństwie do diamentu naturalnego, wytworzonego w procesach geologicznych. Syntetyki produkowane są przy zastosowaniu tzw. metody wysokociśnieniowo–wysokotemperaturowej. Pod względem najważniejszych cech przypomina diament naturalny. Diamenty syntetyczne mogą być wykorzystywane w jubilerstwie, jednak ich wartość stanowi zaledwie $\frac{1}{10}$ naturalnego diamentu. Na początku firmy produkujące syntetyki miały dostarczać je wyłącznie do przemysłu, jednak teraz trafiają również na rynek jubilerski.

RN9Fqr3nGey8P

Zdjęcie przedstawia polikrystaliczną warstwę diamentową. Warstwa przypomina czarne, pokruszone różne kryształy ułożone obok siebie.

Grafit jest szarawo–czarną, błyszczącą i miękką krystaliczną formą węgla. Struktura grafitu jest zbudowana z dwuwymiarowej jednostki heksagonalnej, w której każdy atom węgla jest połączony z trzema innymi atomami węgla wiązaniami kowalencyjnymi w tej samej warstwie. Każda warstwa swoim wyglądem przypomina plaster miodu. Są one ułożone równolegle jedna nad drugą i utrzymywane przez słabe siły van der Waalsa. Dlatego grafit jest miękkim, śliskim ciałem stałym, które pozostawia czarny ślad na papierze. Poruszające się elektrony w jego strukturze sprawiają, że jest dobrym przewodnikiem ciepła i prądu elektrycznego.

R14G2n4G24cmu

Zdjęcie przedstawia plaster miodu i lejący się z niego miód. Plaster zbudowany jest z połączonych ze sobą sześciokątów.

RFfstqU6ywg55

Zdjęcie przedstawia strukturę grafitu w trzech warstwach - warstwy znajdują się jedna nad drugą w pewnej odległości od siebie. W obrębie każdej warstwy każdy atom połączony jest z trzema innymi atomami węgla. Warstwy przypominają płaską siatkę zbudowaną z sześciokątów. Odległość między warstwami jest dwukrotnie większa niż długość wiązań w obrębie warstwy.

Ciekawostka

Kompozyty grafitowe stały się niezastąpione w konstrukcji nadwozi bolidów Formuły $1$. Obecnie wykorzystuje się je w konstrukcji panelu głównego, skrzydeł oraz większości korpusu. Wytwarza się z nich elementy pracujące pod dużymi obciążeniami, w konstrukcjach lotniczych i kosmicznych.

R10qELALG2yXn

Zdjęcie przedstawia bolid Formuły 1, który z ogromną prędkością jedzie po torze wyścigowym.

Do niedawna grafen był jedynie teorią, ponieważ naukowcy nie byli pewni, czy kiedykolwiek będzie możliwe pokrojenie grafitu na pojedyncze warstwy o grubości atomu węgla. Odkrycie sposobu otrzymania grafenu było w dużej mierze dziełem przypadku. Jako pierwsi dokonali tego w $2004$ r. Andre Geim i Konstantin Novoselova z Uniwersytetu w Manchesterze. Nobliści nie wykorzystali w tym celu drogiego i zaawansowanego technologicznie sprzętu. Pozyskanie legendarnej substancji odbyło się przy użyciu taśmy klejącej, na którą naniesiono próbkę grafitu, a proces przyklejania nowej porcji taśmy i jej odrywania powtarzano do momentu uzyskania monowarstwy.

RGiZNCbCInStg

Animacja przedstawia strukturę grafitu. Tworzy płaską siatkę zbudowaną z połączonych ze sobą sześciokątów.

Najprostszym sposobem na scharakteryzowanie struktury grafenu jest przedstawienie jej jako pojedynczej, cienkiej warstwy grafitu. Atomy węgla są ułożone w układzie sześciokątnym. Grafen wykazuje ciekawe właściwości i cechy strukturalne, takie jak dwuwymiarowość, wysoka wytrzymałość (jest dwustukrotnie wytrzymalszy niż stal o tej samej grubości ), elastyczność, przezroczystość, przewodność cieplna (dwukrotnie większa niż diament), przewodność elektryczna. Poza tym, membrana z utlenionego grafenu nie przepuszcza gazów, a nawet atomów helu, będąc jednocześnie w pełni przepuszczalna dla wody.

Grafen, który jest tak niezwykły pod wieloma względami, zainspirował naukowców do myślenia o szerokim zakresie zastosowań tego materiału – w elastycznej elektronice (zwijanych w rolkę wyświetlaczy dotykowych), ogniwach słonecznych, półprzewodnikach, filtracji wody, superkondensatorach oraz monitoringu i ochronie środowiska (jako czujniki szkodliwych substancji).

Nanorurki węglowe (CNT) to cylindryczne cząsteczki składające się ze zwiniętych arkuszy jednowarstwowych atomów węgla (grafenu). Mogą być one jednościenne o średnicy mniejszej niż $1$ nanometr ($\mathrm{nm}$) lub wielościenne, składające się z kilku koncentrycznie połączonych nanorurek o średnicach sięgających ponad $100 \mathrm{nm}$. Ich długość może sięgać kilku mikrometrów, a nawet milimetrów.

Ri83Mhw1rXjuT

Animacja przedstawia strukturę nanorurki. Ma postać pustego w środku walca. Ściany zbudowane są ze zwiniętej warstwy grafenu.

Podobnie jak ich budulec – grafen, CNT są związane chemicznie wiązaniami o hybrydyzacji $s{p}_2$, a więc silną formą oddziaływania molekularnego. Ta cecha, w połączeniu z naturalną skłonnością nanorurek węglowych do łączenia się ze sobą za pomocą sił van der Waalsa, daje możliwość opracowania materiałów o bardzo wysokiej wytrzymałości i niskiej masie, które posiadają wysoce przewodzące właściwości elektryczne i termiczne. Dzięki temu są bardzo atrakcyjne dla wielu zastosowań. Nanorurki węglowe cechują się wytrzymałością mechaniczną na rozciąganie (może być czterysta razy większa w porównaniu ze stalą) oraz niską gęstością (ich gęstość stanowi jedną szóstą gęstości stali). Przewodność cieplna CNT jest lepsza od diamentu. Wszystkie te właściwości sprawiają, że nanorurki węglowe są idealnym materiałem do produkcji urządzeń elektronicznych, chemicznych, elektrochemicznych i bioczujników, tranzystorów, emiterów pola elektronowego, akumulatorów litowo–jonowych, źródeł światła białego, komórek magazynujących wodór, lamp elektronopromieniowych, urządzeń do ekranowania elektrycznego. W inżynierii tkankowej, nanorurki węglowe mogą działać jako rusztowanie dla wzrostu kości. Mogą być stosowane do monitorowania środowiska ze względu na to, że ich powierzchnia ma zdolność do absorbowania gazów.