Anglies alotropai: kas tai? Deimantas, grafitas ir kitos formos

Sužinokite apie anglies alotropus: deimantą, grafitą ir kitas formas — savybės, panaudojimas ir skirtumai tarp kietųjų anglies struktūrų.

Yra keletas anglies alotropų. Deimantas ir grafitas yra žinomiausi. Grafitas yra laidininkas, dažnai minima kaip pusmetalis (kai kuriomis savybėmis primenantis metalą; terminas dažniausiai taikomas atskiriems elementams, pavyzdžiui, juodajam fosforui ar pilkajam selenui). Grafitas laidus dėl to, kad anglies atomai jame sudaro sp2 hibridizuotas plokštumas, kuriose laisvi π-elektronai gali laisvai judėti. Jis gali būti naudojamas, pavyzdžiui, kaip medžiaga elektros lanko lempos elektroduose. Grafitas yra stabiliausia kada nors atrasta kietosios anglies forma esant standartinėms sąlygoms.

Alotropai - tai skirtingos to paties cheminio elemento formos. Visi elementai yra sudaryti iš unikalių savo atomų, o fiziniai ir cheminiai skirtumai tarp alotropų atsiranda dėl to, kaip atomai yra sujungti tarpusavyje. Daugeliui elementų būdingas alotropiškumas, nes yra daugybė būdų, kaip atomai gali būti išdėstyti ir sujungti. Taip pat yra įvairių būdų, kaip molekulės gali būti išdėstytos, kad sudarytų didesnes struktūras.

Deimantas yra vienas iš geriausiai žinomų anglies alotropų. Dėl savo kietumo ir didelės šviesos sklaidos jis tinka naudoti juvelyriniuose dirbiniuose. Jis taip pat naudojamas pramonėje. Deimantas yra kiečiausias žinomas natūralus mineralas, todėl jis yra puikus abrazyvas. Deimantas taip pat gerai išlaiko savo blizgesį. Tiek deimanto, tiek grafito lydymosi / sublimacijos temperatūros yra itin aukštos — esant atmosferos slėgiui anglis dažniausiai sublimuoja, o norint ištirpdyti anglies fazę reikia labai aukšto slėgio ir temperatūros. Reikėtų paminėti, kad nors deimantas yra itin stabilus savo struktūra, esant standartinėms sąlygoms jis termodinamiškai yra metastabilus lyginant su grafitu (grafitas yra labiau stabilus pagal laisvąją energiją).

Pagrindinės anglies alotropų formos

• Deimantas — trigoniškai sujungti sp3 hibridizuoti atomai sudaro stiprų 3D tinklą. Dėl to deimantas yra labai kietas, turi aukštą terminį laidumą ir didelį refrakcijos rodiklį. Naudojamas juvelyrikoje, pjovimo ir šlifavimo įrankiuose, taip pat elektronikos ir optikos pramonėje (pvz., šilumą išsklaidančiose plokštelėse). Sintetinis deimantas gaminamas HPHT (didelio slėgio — didelės temperatūros) ir CVD (cheminio garų nusėdimo) metodais.
• Grafitas — sluoksninė struktūra, kur anglies atomai sudaro daugiasluoksnes plokštumas, laikomas laidininku ir minkštas dėl sluoksnių slydimo galimybės. Randamas metamorfiniuose uolienose, naudojamas elektrodams, tepaluose, aukštatemperatūrinėse krosnyse, bei kaip priemaiša baterijose ir kompozituose.
• Grafenas (vienas atomų storio grafito sluoksnis) — dvimatė sp2 struktūra, atrasta ir aprašyta plačiau XX a. pabaigoje. Grafenas pasižymi itin dideliu mechaniniu stiprumu, puikiu elektriniu ir šiluminiu laidumu bei unikaliomis elektroninėmis savybėmis, todėl domina elektroniką, jutiklius, kompozitus ir energijos technologijas.
• Fullerėnai (pvz., C60) — molekulės, sudarytos iš atomų, išdėstytų į sferinį arba elipsoidinį tinklą (vadinamos „buckyball“). Turi įdomių elektroninių, cheminių savybių ir randasi tiek laboratorijose, tiek kosminių dulkių sudėtyje. Naudojami tyrimuose, farmacijoje (farmacinių molekulių pernešimui) bei medžiagų moksle.
• Anglies nanovamzdeliai (CNT) — grafeno sluoksniai suvynioti į vamzdelius; gali būti vienvandeniai (SWCNT) arba daugvandeniai (MWCNT). Ypatingai didelis stiprumas, mažas svoris ir įvairios elektrinės savybės (metalinis arba puslaidininkinis pagal geometriją) daro juos patrauklius elektronikai, kompozitams ir energetikai.
• Amorfine (nekrystalinė) anglis — medžiagos kaip suodžiai, aktyvioji anglis, grafito deguto produktai. Naudojama filtravimui, absorbcijai, kaip kuro dalis ir pigmentai.
• Lonsdaleitas (hexagonalus deimantas) — retas alotropas, randamas meteorituose ir susidarantis smūgio sąlygose; pagal kai kuriuos tyrimus gali būti dar kietesnis už kubinį deimantą.

Fiziniai ir cheminiai skirtumai

Skirtumai tarp alotropų kyla iš atomo jungčių tipų: sp3 hibridizacija (deimantas) sukuria 3D tvirtumą, sp2 hibridizacija (grafitas, grafenas, CNT, fullerėnai) lemia sluoksninę arba molekulinę struktūrą su mobiliais π-elektronais. Dėl to:

• Deimantas: labai kietas, elektros izoliatorius (švarus deimantas), labai geras šiluminis laidininkas.
• Grafitas/grafenas: elektriškai laidūs, lanksčios arba sluoksninės struktūros, prastesnis kietumas.
• Fullerėnai/CNT: specifinės elektroninės savybės, mažesnis tankis, didelis stiprumas (ypač CNT).

Naudojimas ir gamyba

Anglies alotropai yra labai plačiai naudojami:

• Pramoniniai abrazyvai, pjaustymo įrankiai — deimantas.
• Elektrodai, tepimo medžiagos, aukštos temperatūros krosnys — grafitas.
• Elektronika, akumuliatoriai, kompozitai, membranos — grafenas, CNT, fullerėnai.
• Filtravimas, absorbcija, katalizės pagalbinės medžiagos — aktyvioji anglis (amorfinė).

Sintetinių alotropų gamyba vyksta įvairiais būdais: HPHT ir CVD deimantams, CVD arba cheminių reakcijų metodais grafenui ir CNT, arkos išlydymu bei deginimu fullerėnams ir kt.

Aplinkos ir saugos aspektai

Nanoskalės anglies struktūros (CNT, grafenas, fullerėnai) gali kelti sveikatos ir aplinkos klausimų, jei patenka į kvėpavimo takus ar vandenis — reikalingi tinkami saugos ir atliekų tvarkymo protokolai. Taip pat pramoninis deimantų ir grafito gavimas turi įtakos aplinkai, todėl svarbu laikytis atsakingos gamybos principų.

Trumpai

Anglis – labai universalus elementas: viena iš nedaugelio cheminių medžiagų, kurios gali kurti tiek labai tvirtas, tiek labai lankstias struktūras priklausomai nuo atomų sujungimo būdo. Deimantas ir grafitas yra gerai žinomi pavyzdžiai, tačiau technologijų pažanga atveria kelią plačiam kitų alotropų (grafeno, fullerėnų, nanovamzdelių) panaudojimui moksle ir pramonėje.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra anglies alotropai?

K: Kokie yra žymiausi anglies alotropai?

K: Kas yra grafitas ir kokios jo savybės?

K: Kas yra alotropai?

K: Kodėl įvairiems elementams būdingi alotropai?

K: Kas yra deimantas ir kokios jo savybės?

K: Kokia yra deimanto ir grafito lydymosi temperatūra?

Paieška pagal raidę