termin

• alotropyróżne formy pierwiastka chemicznego.

alotropia jest właściwością niektórych pierwiastków chemicznych, które występują w dwóch lub więcej różnych formach lub alotropach, gdy występują w naturze. Istnieje kilka alotropów węgla.

Diament

diament jest prawdopodobnie najbardziej znanym alotropem węgla. Atomy węgla są ułożone w siatce, która jest odmianą sześciennej struktury krystalicznej skoncentrowanej na twarzy. Ma superlatywne właściwości fizyczne, z których większość pochodzi z silnego wiązania kowalencyjnego między jego atomami. Każdy atom węgla w Diamencie jest kowalencyjnie związany z czterema innymi węglami w czworościanie. Te czworościany razem tworzą trójwymiarową sieć sześcioczłonowych pierścieni węglowych w konformacji fotela, pozwalając na zerowe odkształcenie kąta wiązania. Ta stabilna sieć wiązań kowalencyjnych i sześciokątnych pierścieni jest powodem, dla którego diament jest tak niesamowicie silny jak substancja.

w rezultacie diament wykazuje najwyższą twardość i przewodność cieplną dowolnego materiału sypkiego. Ponadto jego sztywna krata zapobiega zanieczyszczeniu wieloma elementami. Powierzchnia diamentu jest lipofilowa i hydrofobowa, co oznacza, że nie może być mokra przez wodę, ale może być w oleju. Diamenty na ogół nie reagują z żadnymi odczynnikami chemicznymi, w tym silnymi kwasami i zasadami. Zastosowania diamentu obejmują cięcie, wiercenie i szlifowanie; Biżuteria; oraz w przemyśle półprzewodnikowym.

Grafit

Grafit jest kolejnym alotropem węgla; w przeciwieństwie do diamentu, jest przewodnikiem elektrycznym i półmetalem. Grafit jest najbardziej stabilną formą węgla w standardowych warunkach i jest stosowany w termochemii jako stan Standardowy do określania ciepła powstawania związków węgla. Istnieją trzy rodzaje grafitu naturalnego:

1. krystaliczny grafit płatkowy: izolowane, płaskie, płytopodobne cząstki o sześciokątnych krawędziach
2. grafit amorficzny: drobne cząstki, wynik termicznego metamorfizmu węgla; czasami nazywany meta-antracyt
3. Grafit grudkowy lub żyłowy: występuje w żyłach szczelinowych lub złamaniach, pojawia się jako narośla włóknistych lub igiełkowych agregatów krystalicznych

Grafit ma warstwową, płaską strukturę. W każdej warstwie atomy węgla są ułożone w sześciokątną siatkę z separacją 0,142 nm, a odległość między płaszczyznami (warstwami) wynosi 0,335 nm. Dwie znane formy grafitu, Alfa (heksagonalna) i beta (romboedralna), mają bardzo podobne właściwości fizyczne (z tym, że warstwy układają się nieco inaczej). Sześciokątny grafit może być płaski lub zapięty. Forma alfa może być przekształcona w formę beta poprzez obróbkę mechaniczną, a forma beta powraca do formy Alfa, gdy jest ogrzewana powyżej 1300 °C. Grafit może przewodzić energię elektryczną ze względu na rozległą delokalizację elektronów w warstwach węgla; ponieważ elektrony mogą swobodnie się poruszać, energia elektryczna przemieszcza się przez płaszczyznę warstw. Grafit posiada również właściwości samosmarujące i smarujące na sucho. Grafit ma zastosowanie w materiałach protetycznych zawierających krew i materiałach żaroodpornych, ponieważ może wytrzymać temperatury do 3000 °C.

pojedyncza warstwa grafitu nazywana jest grafenem. Materiał ten wykazuje niezwykłe właściwości elektryczne, termiczne i fizyczne. Jest to allotrop węgla, którego struktura jest pojedynczym płaskim arkuszem SP2 połączonych atomów węgla, które są gęsto upakowane w siatce krystalicznej o strukturze plastra miodu. Długość wiązania węgiel-węgiel w grafenie wynosi ~0.142 nm, a te arkusze układają się w Grafit z odstępem międzyplanarnym wynoszącym 0,335 nm. Grafen jest podstawowym elementem strukturalnym alotropów węgla, takich jak grafit, węgiel drzewny, nanorurki węglowe i fulereny. Grafen jest półprzewodnikiem półmetalicznym lub zerowym, co pozwala mu wykazywać wysoką mobilność elektronów w temperaturze pokojowej. Grafen jest ekscytującą nową klasą materiału, którego unikalne właściwości sprawiają, że jest on przedmiotem bieżących badań w wielu laboratoriach.

węgiel amorficzny

węgiel amorficzny odnosi się do węgla, który nie ma struktury krystalicznej. Nawet jeśli można wytwarzać amorficzny węgiel, nadal istnieją mikroskopijne kryształy węgla podobnego do grafitu lub diamentu. Właściwości węgla amorficznego zależą od stosunku wiązań hybrydyzowanych sp2 do sp3 obecnych w materiale. Grafit składa się wyłącznie z wiązań hybrydyzowanych sp2, podczas gdy diament składa się wyłącznie z wiązań hybrydyzowanych sp3. Materiały, które są bogate w wiązania hybrydyzowane sp3, są określane jako czworościenny amorficzny węgiel (ze względu na czworościenny kształt utworzony przez wiązania hybrydyzowane sp3) lub węgiel podobny do diamentu (ze względu na podobieństwo wielu jego właściwości fizycznych do diamentów).

fulereny i nanorurki

nanomateriały węglowe tworzą kolejną klasę alotropów węglowych. Fulereny (zwane również buckyballs) są cząsteczkami o różnych rozmiarach, składającymi się całkowicie z węgla, które przyjmują postać pustych kul, elipsoidów lub rur. Buckyballs i buckytubes były przedmiotem intensywnych badań, zarówno ze względu na ich unikalną chemię, jak i ich zastosowania technologiczne, zwłaszcza w materiałoznawstwie, elektronice i nanotechnologii. Nanorurki węglowe są cylindrycznymi cząsteczkami węgla, które wykazują niezwykłą wytrzymałość i unikalne właściwości elektryczne i są wydajnymi przewodnikami ciepła. Nanorurki węglowe to nowo odkryte alotropy, w których fullerenopodobne „pąki” są kowalencyjnie przymocowane do zewnętrznych ścian bocznych nanorurek węglowych. Nanobudy wykazują zatem właściwości zarówno nanorurek, jak i fulerenów.

węgiel szklisty

węgiel szklisty lub szklisty to klasa węgla szeroko stosowana jako materiał elektrodowy w elektrochemii, a także w urządzeniach protetycznych i tyglach wysokotemperaturowych. Jego najważniejsze właściwości to odporność na wysoką temperaturę, twardość, niska gęstość, niski opór elektryczny, niskie tarcie, niska odporność termiczna, ekstremalna odporność na atak chemiczny i nieprzepuszczalność dla gazów i cieczy.

Inne Alotropy

Inne alotropy węgla obejmują nanofoam węgla, który jest zespołem klastra o niskiej gęstości atomów węgla nawleczonych razem w luźną trójwymiarową sieć; czysty węgiel atomowy i dwuatomowy; i liniowy węgiel acetylenowy, który jest jednowymiarowym polimerem węglowym o strukturze-(C:::C)n -.