Symulacja interaktywna
Symulacja 1
Węgiel występuje w różnych odmianach alotropowych, które różnią się określonymi właściwościami fizycznymi. Na podstawie poniższej symulacji dokonaj analizy wybranych właściwości grafitu, diamentu, grafenu, fullerenu i nanorurek węglowych, zwróć uwagę na poszczególne różnice i rozwiąż zadania.
Węgiel występuje w różnych odmianach alotropowych, które różnią się określonymi właściwościami fizycznymi. Na podstawie opisu poniższej symulacji zapoznaj się z analizą wybranych właściwości grafitu, diamentu, grafenu, fullerenu i nanorurek węglowych, zwróć uwagę na poszczególne różnice i rozwiąż zadania.
- Pierwszą odmianą jest grafit. Struktura grafitu składa się z warstw, w których występują sześcioczłonowe aromatyczne układy cykliczne. Na ilustracji są dwie warstwy. Każdy atom węgla w danej warstwie łączy się trzema innymi atomami węgla w tej samej warstwie. Zastosowania grafitu:
- klocki hamulcowe w samochodach,
- suchy smar,
- materiały konstrukcyjne (kompozyty).
- Drugą odmianą jest diament. Struktura diamentu: każdy atom węgla połączony jest wiązaniami kowalencyjnymi z czterema innymi atomami węgla, atomy węgla w diamencie tworzą regularną sieć przestrzenną, a każdy atom węgla ma hybrydyzację typu . Zastosowania diamentu:
- jubilerstwo,
- wyrób ostrych narzędzi.
- Trzecią odmianą jest grafen. Struktura grafenu jest płaska, złożona z atomów węgla tworzących sześcioczłonowe pierścienie. Struktura przypomina plaster miodu. Każdy atom węgla łączy się z trzema innymi atomami węgla w warstwie. W przeciwieństwie do grafitu, grafen zbudowany jest z pojedynczej warstwy, zatem warstwa grafenu ma grubość jednego atomu węgla. Zastosowania grafenu:
- czujniki,
- wyświetlacze dotykowe.
- Czwartą odmianą są fullereny. Ilustracja przedstawia strukturę fullerenu, który tworzą połączone ze sobą sześcio- i pięcioczłonowe pierścienie zbudowane z atomów węgla. Tworzą kulistą formę. Każdy atom węgla w strukturze łączy się z trzema innymi atomami węgla w warstwie. Zastosowanie fullerenów:
- medycyna,
- lotnictwo,
- optyka,
- elektrochemia.
- Piątą odmianą są nanorurki węglowe. Mają postać pustych w środku walcowatych tworów, których ściany zbudowane są z warstwy utworzonej przez sześcioczłonowe pierścienie węglowe. Każdy atom węgla w warstwie łączy się z trzema innymi również należącymi do tejże warstwy. Zastosowanie nanorurek węglowych:
- układy elektroniczne,
- jako materiał konstrukcyjny.
- Pierwszą właściwością jest przewodnictwo elektryczne. Kolejno włączano do obwodu elektrycznego z żarówką odmiany alotropowe węgla. Grafit, grafen oraz nanorurki węglowe po zamknięciu obwodu przewodziły prąd elektryczny, czego dowodziło zaświecenie się żarówki. W przypadku diamentu i fullerenów żarówka nie zapalała się. Na wyświetlaczu pojawiała się wartość przewodnictwa elektrycznego. Dla grafitu 1200 wat na milikelwin. Dla diamentu 2250 wat na milikelwin. Dla grafenu 5000 wat na milikelwin. Dla fullerenów 0,4 wat na milikelwin. Dla nanorurek węglowych 3500 wat na milikelwin.
- Kolejną właściwością jest przewodnictwo cieplne. Ogrzewano wybraną odmianę alotropową węgla ciepłem płomienia świecy. Dla grafitu wyświetlacz miernika wskazał delta T równe , dla diamentu , dla grafenu , dla fullerenów , dla nanorurek węglowych 4.
- Kolejną właściwością jest twardość oceniania w skali Mohsa. Dla grafitu, przedstawionego jako szaroczarna połyskliwa bryła, twardość wynosi , dla diamentu, przedstawionego jako przezroczysty, świetlisty kryształ, twardość wynosi , dla fullerenów, przedstawionych jako szaroczarna połyskliwa sztabka, twardość wynosi , dla grafenu i nanorurek węglowych brak danych. Dla porównania twardość szkła wynosi .
- Kolejną właściwością jest połysk. Do badań wykorzystano lupę i światło żarówki. Grafit, fullereny oraz nanorurki węglowe są lekko połyskliwe, a diament i grafen bardziej połyskliwe od uprzednio wspomnianych.
- Kolejną właściwością jest gęstość. Do pomiarów wykorzystano piknometr, wagę laboratoryjną oraz cylinder z wodą. Aby wyliczyć gęstość, najpierw zmierzono następujące masy:
- piknometru,
- piknometru z wodą,
- piknometru z badanym ciałem stałym
- piknometru z badanym ciałem stałym i wodą.
- dla grafitu: grama na centymetr sześcienny;
- dla diamentu: grama na centymetr sześcienny;
- dla grafenu: grama na centymetr sześcienny;
- dla fullerenów: grama na centymetr sześcienny;
- dla nanorurek węglowych: grama na centymetr sześcienny.
- Ostatnia badana właściwość to rozpuszczalność w wodzie. Wszystkie badane odmiany alotropowe są nierozpuszczalne w wodzie.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D1Ce8V7pi
Symulacja interaktywna pt. Badanie właściwości odmian alotropowych węgla
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Ćwiczenie 1
Wyjaśnij, co oznacza, że diamentowi przypisuje się twardość równą w skali Mohsa.
Ćwiczenie 2
Wymień alotropowe odmiany węgla, które przewodzą prąd elektryczny.
Ćwiczenie 3
Wiedząc, że w graficie orbitale walencyjne atomów węgla znajdują się w stanie hybrydyzacji , a w diamencie w stanie hybrydyzacji , wyjaśnij dlaczego: