Prezentacja dotyczy odmian alotropowych oraz podziału na formy krystaliczne i formy amorficzne wraz z przykładami. Ilustracja wyjaśnia pochodzenie słowa ALOTROPIA od alo - od greckiego allos, co znaczy inny, różny i tropia - od greckiego tropos, co oznacza postać forma. Alotropia. Alotropia to zjawisko polegające na tworzeniu przez dany pierwiastek kilku odmian o takim samym stanie skupienia oraz różnych właściwościach fizycznych i/lub chemicznych. Formy alotropowe różnych pierwiastków możemy podzielić na formy krystaliczne oraz amorficzne. By dowiedzieć się więcej na ich temat, wybierz jedną z opcji poniżej. Formy krystaliczne. Na ilustracji znajduje się trójkąt zbudowany z dwóch warstw złotych kulek. W krystalicznych ciałach stałych cząsteczki, atomy bądź jony ułożone są w uporządkowany schemat powtarzający się we wszystkich trzech wymiarach przestrzennych. W przypadku węgla wyróżnia się diament, grafit oraz fulereny. 1. Diament. Ilustracja przedstawia przestrzenny model połączonych ze sobą sześcioczłonowych pierścieni zbudowanych z szarych kulek i wiązań. Długość wiązania pomiędzy szarymi kulkami wynosi 154 pikometry. Rzadki, piękny i drogi - tylko tyle na temat diamentów wie wielu z nas. W rzeczywistości jednak diament jest zbudowany z węgla, tak jak na przykład węgiel kamienny, którym wielu z nas pali w piecu. I tak, diament też się pali, choć w o wiele wyższej temperaturze (około 1000 stopni Celsjusza. Poza tym do jego powstania potrzebne są ekstremalne warunki ciśnienia i temperatury, które można odnaleźć około 200 kilometrów pod powierzchnią ziemi. I to właśnie wpływa na jego rzadkość i charakterystyczne właściwości, które sprawiają, że jest on nie tylko pięknym kamieniem, ale również cennym materiałem wykorzystywanym w przemyśle. Cechy budowy. Diament charakteryzuje się tym, że każdy atom węgla jest połączony z czterema innymi atomami węgla w strukturze krystalicznej poprzez wiązania kowalencyjne o długości 154 pikometrów każde, tworząc w ten sposób strukturę tetraedryczną. Budowa kryształu diamentu jest bardzo regularna, zwarta i sztywna. Budowa fragmentu struktury krystalicznej diamentu została przedstawiona na obrazku powyżej. Właściwości. Diament jest niezwykle twardy. W skali Mohsa ma wartość 10, czyli jest najtwardszym znanym minerałem. Jest też dosyć gęsty (3,51 grama na centymetr sześcienny). Silne oddziaływania między atomami węgla sprawiają, że diament ma bardzo wysoką temperaturę topnienia (około 3500 stopni Celsjusza) i nie przewodzi prądu elektrycznego. Poza tym dobrze przewodzi ciepło i mimo swej wysokiej twardości jest kruchy. Teraz odpowiedz na pytanie: Dlaczego diament nie przewodzi prądu? 1. Wysoka gęstość diamentu uniemożliwia ładunkom elektrycznym swobodne przemieszczanie się w strukturze diamentu. 2. W diamencie wszystkie elektrony są zaangażowane w tworzenie wiązań między atomami węgla, przez co nie mogą się przemieszczać swobodnie wewnątrz diamentu. 3. Kryształy nie przewodzą prądu, robią to tylko metale i niektóre roztwory. Poprawna odpowiedź: Diament nie przewodzi prądu, gdyż wszystkie elektrony w jego strukturze są zaangażowane w tworzenie wiązań i nie mogą się swobodnie przemieszczać, a to ich ruch odpowiada za przepływ prądu elektrycznego. 2. Fulereny. Ilustracja przedstawia przestrzenną kulę powstałą z połączonych ze sobą pięcioczłonowych i sześcioczłonowych pierścieni zbudowanych z szarych kulek i wiązań pojedynczych oraz podwójnych. Zaznaczono długość wiązań pomiędzy szarymi kulkami, czyli atomami węgla. Tam, gdzie są wiązania podwójne, ich długość wynosi 138,3 pikometra. Tam, gdzie są wiązania pojedyncze – 145,3 pikometra. Obok kulistego modelu znajduje się pięcioczłonowy pierścień i sześcioczłonowy. W środku pięcioczłonowego pierścienia jest liczba 12, w środku sześcioczłonowego – 20. Fulereny zbudowane są z kombinacji licznych atomów węgla, które przyjmują różne formy przestrzenne, przede wszystkim kuliste, przypominające kształtem piłkę nożną, ale również podłużne (nanorurki). Pierwszy odkryty fuleren to fuleren C60 (widoczny na obrazku). Posiada on 12 pierścieni pentagonalnych i 20 pierścieni heksagonalnych. W przyrodzie występują w małych ilościach, między innymi w sadzy, mogą też występować w ziemskich skałach. Można też wytwarzać je poprzez spalanie węgla w postaci substancji organicznych takich jak toluen, co jest głównym źródłem pozyskiwania fulerenów do użytku przemysłowego lub badawczego. Cechy budowy. W fulerenach atomy węgla są sobie równoważne i połączone zarówno wiązaniami kowalencyjnymi pojedynczymi o długości 145,3 pikometra, jak i podwójnymi o długości 138,3 pikometra. Struktury przyjmują formy kuliste jedno- jak i wielowarstwowe oraz podłużne w kształcie rury. Rozmiar pojedynczej struktury może być zróżnicowany, bowiem składać się może ona z 28 do około 1000 atomów węgla w przypadku form kulistych. W przypadku nanorurek węglowych podłużne pojedyncze struktury mogą osiągać znaczne długości, dochodzące nawet do kilku centymetrów. Ilość atomów węgla w strukturze fulerenu zawsze jest parzysta. Poszczególne struktury w fulerenach są ze sobą połączone oddziaływaniami van der Waalsa. Właściwości. Fulereny są czarnym ciałem stałym o metalicznym połysku. Mogą wykazywać właściwości półprzewodzące lub nadprzewodnikowe. Poza tym mogą się one rozpuszczać w ograniczonym stopniu w niektórych rozpuszczalnikach organicznych, takich tak toluen, benzen czy tetrachlorek węgla. Ciekawą właściwością jest też możliwość zamknięcia innej cząstki organicznej wewnątrz fulerenu. Gęstość fulerenów jest w przybliżeniu równa 1,65 grama na centymetr sześcienny. W przypadku nanorurek, można również wspomnieć o ogromnej wytrzymałości na rozciąganie, która w przypadku wielowarstwowych nanorurek może być 50 razy większa niż dla hartowanej stali. Mimo to są bardzo elastyczne. Dodatkowo, bardzo dobrze przewodzą ciepło wzdłuż swojej struktury, natomiast bardzo słabo w poprzek. 3. Grafit. Ilustracja przedstawia model przestrzenny grafitu. Ma postać płaskich warstw, zbudowanych z połączonych ze sobą sześcioczłonowych pierścieni, ułożonych jedna nad drugą w odległości 335 pikometrów. Długość wiązać między szarymi kulkami – atomami węgla wynosi 142 pikometry. Grafit przede wszystkim kojarzy się z rysikiem do ołówków, sama jego nazwa pochodzi z greckiego graphein i oznacza pisać. Jednakże grafen wykazuje jeszcze wiele innych ciekawych właściwości. Naturalnie występuje m.in. w sadzy w postaci mikrokryształów lub węglu kamiennym, gdzie przeplata się z formą amorficzną. Poza tym, znaleźć go można na przykład w złożach granitu oraz skałach przeobrażonych. Cechy budowy. Każdy atom węgla jest połączony z 3 innymi atomami węgla poprzez wiązania kowalencyjne, każde o długości 142 pikometry. Warstwy grafitu przyciągane do siebie oddziaływaniami van der Waalsa zbudowane są z przystających heksagonalnych pierścieni. Dystans pomiędzy warstwami to 335 pikometry. Taka pojedyncza warstwa grafitu bez środowiska warstw nosi nazwę grafenu. Właściwości. Grafit nie jest tak twardy jak diament. W skali Mohsa ma wartość 2. Ma szary metaliczny połysk i jest nieprzezroczysty. 1 elektron każdego atomu węgla może się swobodnie przemieszczać, dlatego grafit jest dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego. Jego gęstość wynosi około 2‑2,25 grama na centymetr sześciennych. Dobrze przewodzi ciepło i jest bardzo kruchy. Ma tłustą konsystencję, przez co jest brudzący i wykazuje dobre właściwości smarujące. Spróbuj odpowiedzieć na pytanie: Dlaczego grafitem można pisać, a diamentem już nie? 1. W grafenie oddziaływania między warstwami są słabe w odróżnieniu od wiązań w diamencie, przez co łatwo je rozerwać, a oderwane warstwy grafitu na papierze tworzą pismo. 2. Wiązania kowalencyjne między atomami węgla w graficie są słabsze niż w diamencie, przez co fragmenty grafitu łatwiej się odrywają, co umożliwia pisanie. Poprawna odpowiedź: Same wiązania kowalencyjne między atomami węgla w graficie są silniejsze niż w diamencie. Świadczy o tym mniejsza długość wiązań kowalencyjnych w graficie niż w diamencie. Jest ich za to o wiele mniej. Powodem, dla którego grafitem można pisać, a diamentem nie, są oddziaływania van der Waalsa łączące warstwy grafitu. Oddziaływania van der Waalsa są oddziaływaniami słabymi i łatwo ulegają zerwaniu. To sprawia, że grafit jest tak miękki i z łatwością pokrywa substancje, z którymi ma kontakt. To dzięki temu grafitem można pisać, a także rozmazywać go, co jest wykorzystywane przez rysowników do tworzenia na przykład cieni. Formy amorficzne. Ilustracja przedstawia złote kulki. Niektóre łącza się ze sobą po kilka, inne są pojedyncze. Struktura jest chaotyczna. Amorficzne (bezpostaciowe) ciała stałe charakteryzują się brakiem uporządkowania, elementy składowe (na przykład atomy) ułożone są w sposób chaotyczny. Czasem amorficzna budowa związana jest z obecnością zanieczyszczeń innymi związkami chemicznymi oraz pierwiastkami. W przypadku węgla występuje wiele różnych form amorficznych. Dziś zapoznasz się z kilkoma z nich. Wybierz z poniższej listy dowolną opcję, by poznać charakterystykę danej struktury. 1. Węgiel kamienny. Zdjęcie przedstawia czarne kawałki węgla. Mają kształty wielościanów. Węgiel kamienny jest skałą osadową powstałą w skutek zwęglenia roślinnej materii organicznej pod nieobecność tlenu. Zawartość węgla pierwiastkowego waha się od 75 do 97%. Poza węglem pierwiastkowym, w węglu kamiennym można odnaleźć także węglowodory, palne gazy oraz wodę. Węgiel kamienny charakteryzuje się ciemnym kolorem oraz matowym połyskiem. Wykorzystuje się go głównie jako paliwo, gdyż wykazuje wysoką kaloryczność (16‑30 megadżuli na kilogram) silnie zależną od składu. Najlepszą jakościowo postacią węgla kamiennego jest antracyt, charakteryzujący się bardzo wysoką zawartością węgla pierwiastkowego (97%) niską wilgocią i zawartością związków lotnych i bardzo wysoką kalorycznością (30 megadżuli na kilogram). 2. Sadza. Zdjęcie przedstawia czarne, porowate grudki. Sadza jest amorficzną formą węgla, w której skład wchodzą mikrokryształy grafitu, fulereny oraz resztki spalanych substancji organicznych. Cechuje ją duża zdolność do adsorpcji. Otrzymywana jest w wyniku niecałkowitego spalania materii organicznej lub termiczny rozkład węglowodorów. Średnia gęstość sadzy oscyluje około 1,9 grama na centymetr sześcienny. Spala się w temperaturze bliskiej 400 stopni Celsjusza. Wykorzystywana jest jako składnik gumy, tuszu, farby drukarskiej oraz materiałów wybuchowych. Spróbuj odpowiedzieć na pytanie: Czy sadza może być produktem całkowitego spalania węgla? 1. Tak, ponieważ sadza powstaje w momencie, gdy cały tlen obecny w środowisku spalania zostaje wykorzystany do utlenienia atomów węgla, a nieutlenione atomy węgla tworzą sadzę. 2. Nie, ponieważ sadza powstaje w momencie, gdy ilość tlenu w środowisku spalania jest niewystarczająca do utlenienia wszystkich atomów węgla poddanych reakcji spalania. Poprawna odpowiedź. Pamiętaj, że całkowite spalanie to proces, w którym ilość tlenu potrzebna do utlenienia wszystkich atomów danego związku jest mniejsza niż jego ilość dostępna w środowisku spalania. Sadza powstaje w momencie, gdy ilość tlenu w trakcie spalania jest niewystarczająca, bowiem gdyby była ona wystarczająca, wszystkie atomy węgla uległyby procesowi utlenienia do dwutlenku węgla. 3. Węgiel drzewny. Zdjęcie przedstawia płonące kawałki drewna. Węgiel drzewny to materiał uzyskiwany na drodze suchej destylacji drewna. Składa się w większości z węgla pierwiastkowego, jednak jest silnie zanieczyszczony substancjami organicznymi. Węgiel drzewny ma małą gęstość, dużą powierzchnię, dzięki czemu ma wysokie zdolności adsorpcyjne i dość wysoką kaloryczność. Energia uzyskana ze spalenia kilograma węgla drzewnego jest porównywalna z energią uzyskaną ze spalenia litra benzyny. Wykorzystywany jest jako paliwo, adsorbent w filtrach wodnych i gazowych, barwnik spożywczy, w rysownictwie oraz jako składnik prochu.