Alotropia
Sonia Radosz Alotropia to zjawisko występowania tego samego pierwiastka w wielu odmianach, będących w tym samym stanie skupienia, ale różniących się między sobą strukturą krystaliczną (czyli budową wewnętrzną np. sposobem połączenia atomów). Wszystkie odmiany alotropowe składają się jedynie z atomów jednego pierwiastka, a zatem różnice fizyczne i chemiczne między nimi wynikają jedynie z różnic w połączeniach pomiędzy atomami. Wśród pierwiastków wykazujących alotropię wymieniamy m. in. węgiel, fosfor, siarkę i żelazo.
Pojęcie alotropii, w odniesieniu maturalnym dotyczy głównie znajomości budowy, właściwości i zastosowań odmian alotropowych węgla (diamentu, grafitu, grafenu oraz fulerenów).
Diament
Diament w swojej strukturze posiada atomy węgla połączone w tetraedry (hybrydyzacja sp3). Połączenia pomiędzy atomami węgla stanowią wiązania kowalencyjne. Są one krótkie, silne i symetryczne. Jest to jedna z najtwardszych znanych substancji. Diamenty występują w naturze. Są przeźroczyste (barwę nadają zanieczyszczenia) i silnie załamują światło. Fizycznie są izolatorem elektrycznym, ale bardzo dobrze przewodzą ciepło. Diament jest także odporny na działanie kwasów i zasad. Jego zastosowanie poza przemysłem jubilerskim to przede wszystkim budownictwo, medycyna (np. wiertła).
Grafit
Grafit charakteryzuje się strukturą warstwową (dwuwymiarową w obrębie warstwy), w której występuje sześciokąt foremny (hybrydyzacja sp2). W rogach sześciokąta umieszczone są atomy węgla. W tej samej warstwie połączenia węgiel – węgiel to wiązania kowalencyjne, a warstwy ze sobą łączą słabe siły van der Waalsa. Każdy atom w graficie tworzy 3 wiązania σ, a czwarty elektron walencyjny uczestniczy w oddziaływaniach międzycząsteczkowych. Odległości między warstwami są prawie 2,5 razy większe niż długości wiązań pomiędzy atomami węgla w pierścieniach, siła oddziaływań między warstwami jest mała, a poszczególne warstwy grafitu łatwo oddzielają się od siebie (dlatego grafit świetnie sprawdza się jako rysik w ołówkach – jego warstwy łatwo się ścierają). Warstwy mogą być ułożone różnie wzglądem siebie, tworząc tym samym politypy. Grafit jest przewodnikiem elektrycznym
i cieplnym, są z niego wytwarzane elektrody oraz środki polerskie. Jest ogniotrwały i wysoko odporny chemicznie.
Grafen
Pojedyncza warstwa grafitu znana jest jako grafen. Jest to struktura płaska, dwuwymiarowa (hybrydyzacja sp2). Pierwotnie została otrzymana poprzez oderwanie pojedynczej warstwy z powierzchni grafitu przy użyciu taśmy klejącej (Nagroda Nobla w 2010 roku z fizyki). Jest przewodnikiem. Jego odporność na rozciąganie to 130 GPa – jest jednym z najtrwalszych materiałów. Elektrony poruszają się w nim 100 razy szybciej niż w krzemie i jest 100 razy bardziej wytrzymały od stali. Znalazł zastosowanie w panelach dotykowych i słonecznych.
Fulereny
Fulereny mają strukturę 3D np. jednowarstwowej piłki futbolowej składającej się z sześciokątów i pięciokątów. Zbudowane są z parzystej liczby atomów węgla – od 28 do nawet 1500. Wykazują właściwości nadprzewodzące
i półprzewodnikowe. Ze względu na budowę pierścieniową, chemicznie mają właściwości zbliżone do węglowodorów aromatycznych. Fulereny znalazły zastosowanie w medycynie, nanotechnologii, elektronice polimerowej oraz elektrochemii i katalizie.
Odmiany alotropowe węgla – porównanie właściwości
| Diament | Grafit | Grafen | Fulereny | |
| Budowa kryształu | atomy węgla połączone są w tetraedry. Połączenia pomiędzy atomami węgla stanowią wiązania kowalencyjne. | struktura warstwowa. W tej samej warstwie połączenia węgiel – węgiel to wiązania kowalencyjne, a warstwy ze sobą łączą słabe siły van der Waalsa. | pojedyncza warstwa grafitu. Jest to struktura płaska, dwuwymiaro-wa. | struktura 3D np. jednowarstwowej piłki futbolowej składającej się z sześciokątów i pięciokątów. Zbudowane są z parzystej liczby atomów węgla – od 28 do nawet 1500. |
| Hybrydyzacja | sp3 | sp2 | sp2 | sp2 |
| Przewodnictwo elektryczne | brak, izolator | tak | tak | tak |
| Zastosowania | biżuteria, materiały ścierne, narzędzia tnące, wiertła. | elektrody grafitowe, środki polerskie, materiały ognioodporne, suche smary grafit do ołówków. | produkcja ekranów dotykowych i paneli słonecznych, baterie, sensory, filtry. | okulary, nośniki leków, filtry, procesory, tablety, mikrokomputery nadprzewodniki, półprzewodniki, izolatory w elektronice polimerowej, stabilizatory paliw wysokoenergetycznych, naciągi w rakietach tenisowych, kije golfowe. |
Zadania w stylu maturalnym
Zadanie 1.
Oceń, czy poniższe informacje dotyczące odmian alotropowych węgla są prawdziwe. Zaznacz P jeżeli zdanie jest prawdziwe, albo F – jeżeli jest fałszywe.
| 1 | Poszczególne warstwy w graficie łączą się ze sobą za pomocą wiązań wodorowych. | P | F |
| 2 | Atom węgla we wszystkich swoich odmianach alotropowych posiada hybrydyzację sp2 | P | F |
Odpowiedź
1: F, 2: F
Zadanie 2.
Poniżej przedstawiono budowę krystaliczną nanorurki węglowej, która w wielu podaniach literaturowych uważana jest za jest jedną z odmian alotropowych atomu węgla.
Na podstawie budowy krystalicznej nanorurki węglowej oraz znajomości innych odmian alotropowych węgla, rozstrzygnij czy nanorurki przewodzą prąd elektryczny. Swoją odpowiedź uzasadnij.
Rozstrzygnięcie:………………………………………………………………………………..
Uzasadnienie:………………………………………………………………………………….………………………………………………………………………………………
Odpowiedź:
Rozstrzygnięcie: Tak
Uzasadnienie: Każdy atom węgla w nanorurkach podobnie jak w graficie czy fulerenie tworzy 3 wiązania σ, a czwarty elektron walencyjny węgla jest zdelokalizowany, przez co umożliwia przepływ prądu.
Zadanie 3
Na podstawie znajomości budowy krystalicznej diamentu i grafitu, wyjaśnij dlaczego diament jest znacznie twardszy od grafitu.
Wyjaśnienie:……………………………………………………………………………………………………………
Odpowiedź
Diament jest twardszy, ponieważ ma trójwymiarową, silnie związaną sieć kowalencyjną, silne wiązania kowalencyjne sprawiają, że diament jest niezwykle twardy. Natomiast grafit ma strukturę warstwową, a warstwy te połączone są słabymi oddziaływaniami van der Waalsa, dzięki czemu łatwo się od siebie oddzielają.
