Nie ma drugiego tak wszechstronnego pierwiastka, jak węgiel. Mówi się, że to pierwiastek wszystkiego, co żywe, i wszystkiego, co już umarło. Ta ogromna wszechstronność nie byłaby możliwa, gdyby nie zdolność węgla do tworzenia odmian alotropowych, czyli uczestniczenia w zjawisku polegającym na występowaniu w tym samym stanie skupienia różnych odmian danego pierwiastka, które charakteryzują się różnymi właściwościami chemicznymi oraz fizycznymi.

Niektóre pierwiastki chemiczne występują w różnych postaciach, które mają odmienne właściwości fizyczne i różną aktywność chemiczną. Postaci te, zwane odmianami alotropowymi, różnią się budową sieci krystalicznej (np. diament, grafit, fullereny, grafen) i liczbą atomów w cząsteczce. Alotropia dotyczy różnych pierwiastków (m.in. żelaza, fosforu i siarki), a w tym artykule przyjrzymy się bliżej odmianom alotropowym węgla – pierwiastka, którego znaczenia nie można przecenić.

Węgiel – najważniejsze informacje

Węgiel (symbol na tablicy pierwiastków: C) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 6 z grupy węglowców. Wchodzi w skład wszystkich organizmów i wszystkich związków organicznych (jest czwartym najpowszechniej występujący pierwiastkiem we wszechświecie). Stanowi część DNA i białek.

Występuje w skałach, w tym węglu kamiennym, brunatnym, antracycie, skałach wapiennych, dolomitach, a także w paliwach kopalnych. W powietrzu występuje w postaci dwutlenku węgla (CO2). Węgiel znajduje się w wydychanym powietrzu, sadzy, wszystkich związkach organicznych, gazie ziemnym, ropie naftowej, torfie… Wchodzi też w skład cukrów, alkoholu, tłuszczów i estrów.

Właściwości fizyczne w dużej mierze są uzależnione od odmiany alotropowej (o czym więcej powiemy w dalszej części artykułu), ale wśród wspólnych właściwości możemy wskazać na następujące cechy:

  • niemetal,
  • ciało stałe,
  • odporny na wysokie temperatury,
  • tworzy bardzo dużo związków chemicznych, dzięki możliwości tworzeni łańcuchów C−C.

W zależności od odmiany alotropowej:

  • przeźroczysty (diament) lub nieprzeźroczysty (grafit),
  • jeden z najbardziej twardych pierwiastków (diament) lub dość miękki (grafit),
  • przewodnik elektryczny (grafit) lub nie (diament).

Węgiel ma bardzo szerokie zastosowanie w różnych obszarach przemysłu oraz w medycynie. Bardzo duże ilości czystej formy tego pierwiastka zawiera węgiel kopalny – węgiel brunatny zawiera 65–78% czystego węgla, węgiel kamienny zawiera 78–92%, a antracyt do 96% czystego węgla.

Inne zastosowania węgla:

  • poligrafia (wkłady do ołówków),
  • elektrody w spawalnictwie,
  • materiały ścierne,
  • ogrzewanie,
  • datowanie radiowęglowe z użyciem izotopu 14C,
  • jubilerstwo (diament jako kamień szlachetny),
  • produkcja stopów żelaza,
  • produkcja plastiku,
  • węgiel leczniczy.

Alotropia – co to?

Alotropia to zjawisko występowania różnych odmian tego samego pierwiastka chemicznego, które różnią się właściwościami fizycznymi i chemicznymi. Odmiany alotropowe pierwiastka mogą różnić się między sobą strukturą krystaliczną lub liczbą atomów w cząsteczce. Alotropia jest szczególnym przypadkiem polimorfizmu, czyli różnopostaciowości substancji.

Odmiany alotropowe to odmiany tego samego pierwiastka, które różnią się ułożeniem (połączeniem) atomów, co przekłada się na różne właściwości fizyczne i chemiczne tych odmian. Nawet drobna, wydawałoby się, różnica połączeń, może skutkować diametralnie innymi właściwościami. Znakomitym przykładem są odmiany alotropowe węgla: grafit oraz diament. Ten pierwszy jest pospolitym i szeroko rozpowszechnionym minerałem z gromady pierwiastków rodzimych, a drugi to jeden z najcenniejszych kamieni szlachetnych na świecie.

Najbardziej znanymi alotropowymi odmianami węgla są grafit, diament, fullereny i grafen.

Grafit: Grafit jest odmianą węgla o czarnoszarej barwie i metalicznym połysku. Jest bardzo miękki i podatny na ścieranie. Jest tłusty w dotyku i wytrzymały na wysokie temperatury. Grafit i wyroby grafitowe nie rozpuszczają się w wodzie, zużyty nie ma negatywnego wpływu na środowisko.

Jego sieć jest zbudowana z płaskich warstw ułożonych jedna nad drugą. Każda warstwa przypomina strukturę plastra miodu. W obrębie każdej warstwy atomy są połączone silnymi wiązaniami kowalencyjnymi z trzema sąsiednimi atomami tego pierwiastka. Odległości między płaszczyznami są niemal 2,5 razy większe niż długości wiązań między atomami węgla w pierścieniach, stąd siła wiązań między warstwami jest mała. W jaki sposób przekłada się to na jego zastosowanie? Poszczególne warstwy grafitu łatwo się rozdzielają, co umożliwia pisanie ołówkiem (ślad zostaje na kartce).

Diament: pożądany kamień szlachetny, który wydobywa się w kopalniach. Diamenty najwyższej jakości wydobywa się w Angoli, Namibii i Rosji. Dobre jakościowo diamenty znajdują się również w Afryce Południowej. Właśnie w tym ostatnim kraju został znaleziony największy diament świata. Nazywa się Cullinan, czyli Wielka Gwiazda Afryki. Bryła ważyła 3106 karatów (621,2 grama!), a jego wielkość to 10 x 6 x 5 cm. W 1907 roku został przekazany królowi Edwardowi VII z okazji 66. urodzin. Kazał on rozdzielić kamień na 105 części – 96 małych i 6 dużych, które zostały poddane obróbce. Zostały one przekazane do skarbca w Londynie, a następnie, od 1937 roku jako brylanty zdobiły państwowe insygnia.

Diament po oszlifowaniu staje się brylantem, który pięknie się mieni.

Fullereny: ta odmiana alotropowa węgla została odkryta dosyć niedawno – pierwsze badania były prowadzone w latach 80. XX wieku. Amerykańscy naukowcy zauważyli, że po naświetlaniu laserem prętów grafitowych w wysokiej temperaturze wytwarzały się nieznane dotąd substancje przypominające sadzę. Spektrometr zawsze wskazywał tę samą dominującą masę: 720 Da. Po podzieleniu przez masę atomową węgla, która wynosi 12, wychodzi 60 atomów węgla. Potwierdzenie tej struktury trwało kilka kolejnych lat i dało naukowcom prowadzącym badania, Haroldowi Kroto z Uniwersytetu Sussex w Brighton oraz zespołowi Richarda Smalley’a i Roberta Curla z Uniwersytetu Rice’a w Stanach Zjednoczonych Nagrodę Nobla w 1996 roku.

Fullereny błyskawicznie zostały wdrożone do nanotechnologii. Powstają z nich nanotuby, mikroskopijne elementy stosowane w najnowocześniejszych urządzeniach, na przykład w kamerach i czujnikach wprowadzanych do wnętrza ludzkiego ciała. Naukowcy z różnych ośrodków (m.in. z Uniwersytetu Śląskiego) badają, czy mogłyby one być stosowane w celowanych terapiach przeciwnowotworowych.