Odmiany alotropowe węgla, ze względu na swoje właściwości, są powszechnie wykorzystywane w wielu dziedzinach. Najbardziej popularne to diament i grafit, jednak zastosowanie znajdują również fulleren, grafen czy cyklokarbon.

Diament

REDZ8uKsqmcjH

Zdjęcie przedstawia pierścionek z diamentami. Leży na otwartej Biblii w wersji angielskiej. Biblia jest otwarta na stronie „Hymnu o Miłości”.

R1Tx5t50pHsTp1

Ilustracja przedstawia sześcian. W narożach ma fioletowe kulki. Wnętrze wypełnia struktura zbudowana z połączonych ze sobą szarych kulek.

Odpowiednio oszlifowane kryształy diamentów stosowane są w jubilerstwie jako kamienie ozdobne do pierścionków, kolczyków czy łańcuszków. Można je znaleźć również w nożach do cięcia szkła, materiałach ściernych, twardościomierzach czy reaktorach ciśnieniowych. Ich zastosowanie wynika z niezwykle wysokiej twardości tego minerału (w dziesięciostopniowej skali Mohsa, twardość diamentu przyjmuje wartość $10$), za którą odpowiedzialna jest jego krystaliczna budowa. Każdy atom węgla w strukturze diamentu otoczony jest przez cztery inne atomy węgla i powiązany silnym wiązaniem kowalencyjnym. Dzięki jego wysokiej temperaturze topnienia ($3500°\text{C}$), odporności chemicznej oraz właściwościom półprzewodnikowym, diament używany jest w elektronice. Jednak ze względu na swoją wysoką cenę ma głównie zastosowanie w urządzeniach pracujących w wysokich temperaturach (powyżej $500°\text{C}$).

Grafit

Diament i grafit różnią się między sobą twardością. Struktura grafitu jest warstwowa, oddziaływania pomiędzy warstwami są słabsze, a każdy atom węgla jest połączony z trzema sąsiednimi atomami węgla, co powoduje kruchość tego materiału. Posiada również właściwości smarujące, a także, ze względu na występujące pomiędzy jego warstwami wolne elektrony, przewodzi prąd elektryczny. Jednak z powodu swojej niesymetrycznej budowy przewodzi prąd tylko w określonym kierunku. Dzięki tej właściwości używa się go w produkcji elektrod grafitowych, wykorzystywanych np. w elektrochemii. Rozdrobniony grafit, zmieszany z odpowiednim lepiszczemlepiszczelepiszczem, może posłużyć jako smar grafitowy, np. w kuchenkach gazowych. Swoją popularność zdobył przede wszystkim z zastosowania w ołówkach – podczas pisania grafit ściera się, pozostawiając cienką warstwę na powierzchni kartki.

RtACS1eAKxO1g

Zdjęcie przedstawia strukturę grafitu w trzech warstwach. Warstwy znajdują się jedna nad drugą w pewnej odległości od siebie. Środkowa warstwa jest nieco przesunięta w prawą stronę względem dwóch pozostałych warstw. Warstwy przypominają płaską siatkę zbudowaną z przystających sześciokątów. Każdy wierzchołek sześciokąta zakończony jest kulką symbolizującą atom węgla C. Obok struktury pokazano trzy różne konfiguracje nakładania się warstw: ABC, AB oraz AA. Konfiguracja ABC przedstawia warstwę A, pod którą znajduje się warstwa B wysunięta względem warstwy A w prawo. Pod warstwą B znajduje się warstwa C wysunięta względem warstw B i A w prawo. Konfiguracja AB przedstawia warstwę A, pod którą znajduje się warstwa B wysunięta względem warstwy A w prawo. Konfiguracja AA przedstawia pierwszą warstwę A, pod którą znajduje się druga warstwa A, która idealnie pokrywa się z tą pierwszą.

Fulleren

Fullereny oraz ich modyfikacje znalazły zastosowanie w chemii supramolekularnejchemia supramolekularnachemii supramolekularnej, a także w medycynie jako kontrast przy badaniu rezonansem magnetycznym czy jako nośnik leków. Wynika to z ich specyficznej budowy. Cząsteczki fullerenów są zbudowane z parzystej liczby atomów węgla ${\text{C}}_n$, gdzie $n=2·\left(16+m\right)$, a $m=1, 2, 3, \dots$
Ich powierzchnia złożona jest z układu sprzężonych pierścieni sześcio- i pięcioczłonowych. Sferyczny kształt fullerenów pozwala na umieszczanie w ich wnętrzu małych cząsteczek lub atomów pierwiastków.

R36k9rWEggMa4

Ilustracja przedstawia obracającą się kulę. Jest ona zbudowana z połączonych ze sobą sześciokątów. Sześciokąty zbudowane są z czarnych kulek.

Grafen

Wykorzystywany jest w elektronice oraz przy oczyszczaniu niektórych związków (np. alkoholu etylowego z wody). Posiada również właściwości przewodzące prąd oraz ciepło, dlatego w przyszłości planuje się nim zastąpić krzem. W tym wypadku również jest to zasługa specyficznej budowy, ponieważ grafen składa się z pojedynczych warstw grafitu o szerokości jednego atomu. Sześcioczłonowe pierścienie połączone są ze sobą w taki sposób, że przypominają kształtem plastry miodu, a każdy z atomów węgla ma hybrydyzację $s{p}^2$. Warstwa grafenu może służyć jako membrana przy filtracji, ze względu na przepuszczalność niektórych substancji.

RIXF9Yi3rXghl

Ilustracja przedstawia płaską siatkę zbudowaną z połączonych ze sobą sześciokątów. Sześciokąty te mają ten sam rozmiar i przylegają do siebie, mają części wspólne. Każdy z sześciu wierzchołków sześcianu zakończony jest kulką symbolizującą atom węgla. Każdy z sześciu identycznych boków sześcianu symbolizuje wiązanie węgiel węgiel.

Cyklokarbon

R1L7FGNjT7QqM1

Ilustracja przedstawia okrąg zbudowany z osiemnastu atomów węgla. Co drugie wiązanie pomiędzy atomami węgla jest potrójne. Pozostałe są pojedyncze.

Cyklokarbon (cyklo[$18$]karbon, cyklooktadekawęgiel, ${\mathrm{C}}_{18}$) jest cząsteczką o budowie pierścieniowej, która składa się z $18$ atomów węgla. Analiza cyklokarbonu, wykonana przy pomocy mikroskopu sił atomowych (AFM), wykazała, że cyklokarbon ma strukturę poliynu. Z uwagi na naprzemiennie występujące pomiędzy atomami węgla wiązania potrójne i pojedyncze, cyklo[$18$]karbon może mieć charakter półprzewodnika. Jednak z uwagi na brak informacji o stabilności cząsteczki w skali makroskopowej, jego zastosowanie nie zostało przebadane.

Fosfor posiada cztery odmiany alotropowe: dwie najbardziej popularne: biała i czerwona, a także dwie rzadziej spotykane: czarna oraz fioletowa.

Fosfor biały

Rw1RzKBM5ldbl1

Ilustracja przedstawia tetraedr, czyli figurę przypominającą piramidę o podstawie trójkąta. W każdym narożu przy podstawach oraz na wierzchołku górnym znajduje się biała kulka symbolizująca atom fosforu, w sumie cztery kulki. Odcinki łączące kulki symbolizują wiązania fosfor fosfor.

Dawniej był wykorzystywany w produkcji zapałek. Umieszczony w ich łebkach i zabezpieczony odpowiednią warstwą ochronną, z łatwością zapalał się przy potarciu o dowolną powierzchnię. Wycofano produkcję tych zapałek ze względów bezpieczeństwa. Obecnie fosfor biały jest używany w syntezie tlenków fosforu, kwasów fosforowych oraz ich soli. Stosuje się go również jako środek zapalający w środkach wybuchowych. Wysoka reaktywność wynika z jego budowy. Cząsteczka fosforu składa się z czterech atomów ułożonych w czworościan foremny (tetraedr).

RCHNnuCKYggHR

Ilustracja przedstawia tetraedr, czyli czworościan foremny. W wierzchołkach ma symbole P oznaczające atomy fosforu. Przy każdym atomie fosforu jest wolna para elektronów oznaczona kreską.

Fosfor czerwony

Fosfor czerwony ma niższą reaktywność oraz toksyczność w przeciwieństwie do fosforu białego i dlatego jest powszechnie stosowany w naszym życiu codziennym. Mieszanina fosforu czerwonego, chloranów oraz szkła używana jest w produkcji drasek do zapałek. Reaktywność czerwonego fosforu także wynika jego budowy, która jest polimeryczną formą fosforu białego.

RdJRmt1Ik20KQ

Ilustracja przedstawia model fosforu czerwonego. Model ma postać długiego łańcucha zbudowanego z połączonych tetraedrów, czyli czworościanów foremnych. Każdy tetraedr ma w narożach czerwoną kulkę symbolizującą atom fosforu. Cały model jest czerwony.

W warunkach normalnych tlen występuje w dwóch odmianach alotropowych: ${\text{O}}_2$ i ${\text{O}}_3$ (powszechnie zwaną ozonem). Przy wysokim ciśnieniu (około $20 \text{GPa}$) obserwuje się kolejną odmianę alotropową, czyli tlen czerwony ${\text{O}}_4$.

Ditlen ${\text{O}}_2$

Wiązanie podwójne w ${\text{O}}_2$ jest znacznie słabsze niż inne wiązania podwójne lub pary wiązań pojedynczych. Dlatego podczas spalania dowolnej substancji organicznej, tworzenie silniejszych wiązań w ${\text{CO}}_2$ powoduje uwolnienie energii, która jest oddawana w postaci ciepła. Stąd mówi się, że reakcja pomiędzy tlenem, a wszystkimi cząsteczkami organicznymi jest silnie egzoenergetyczna. Właściwość ta pozwala na zastosowanie tlenu np. w palnikach acetylenowo‑tlenowych. W wyniku reakcji spalania acetylenu w tlenie uzyskuje się bardzo duże ilości ciepła oraz wysoką temperaturę. Egzoterminczy charakter reakcji spalania pozwala również na wykorzystanie tlenu w procesach biegnących w komórkach organizmów żywych, np. w procesie oddychania komórkowego. W wyniku utleniania cukru (glukozy) w obecności tlenu, uwalniania jest energia, która może być wykorzystana do reakcji chemicznych zachodzących w komórce lub do poruszania się organizmu, np. w tkance mięśniowej.

RV6gVVMMqtkO3

Zdjęcie przedstawia palnik, z którego wydobywa się jasnożółty płomień.

Tritlen (ozon) ${\text{O}}_3$

Ozon powstaje w stratosferze i mezosferze na skutek działania na cząsteczki tlenu ${\text{O}}_2$ promieniowania UV (o długości fali mniejszej niż $242 \text{nm}$). W wyniku tego procesu cząsteczki tlenu rozpadają się na atomy tlenu, a te następnie reagują z tlenem cząsteczkowym. Omówione procesy można zapisać następująco:

gdzie $M$ oznacza trzecie ciało, które przenosi nadmiar energii reakcji.

Utworzona w wyniku powyższych reakcji warstwa ozonowa, stanowi osłonę dla człowieka przed szkodliwym promieniowaniem UV (o długościach fal od $280$ do $320 \text{nm}$).

Ozon to także jeden z najsilniejszych znanych utleniaczy. Fakt ten sprawia, że ma silne właściwości bakteriobójcze i można go używać do dezynfekcji w szpitalach lub do oczyszczania wody. W chemii, z uwagi na wysoką reaktywność oraz właściwości utleniające, stosowany jest do przeprowadzania reakcji ozonolizyozonolizaozonolizy.

R1TAR0A1uiYll

Zdjęcie przedstawia błyskawicę na nocnym niebie. Błyskawica biegnie od pułapu chmur aż po horyzont. Jest rozgałęziona.

Reasumując, pomimo różnorodności odmian alotropowych pierwiastków, każdy z nich ma taki sam skład chemiczny, jednak ich odmienne właściwości w strukturze powodują, że zmieniają się właściwości fizyczne oraz chemiczne, a tym samym zastosowanie oraz reaktywność.

Słownik

Bibliografia

Bielański A., Chemia ogólna i nieorganiczna, Warszawa 2010.

Encyklopedia PWN

Kaiser K., Scriven L.M., Schulz F., Gawel P., Gross L., Anderson H.L., An sp‑hybridized molecular carbon allotrope, cyclo[18]carbon, „Science ” 2019, s. 1299‑1301.

Lee, G. H. et al., High‑strength chemical‑vapor–deposited graphene and grain boundaries. „Science” 2013, s. 1073‑1076.

Schmidt-Rohr K.,Why Combustions Are Always Exothermic, Yielding About 418 kJ per Mole of OIndeks dolny 2₂, „J. Chem. Educ.” 2015, t. 92, nr 12, s. 2094–2099.