Γιατί ο γραφίτης είναι μαλακός, αλλά το διαμάντι είναι τόσο σκληρό;

Οι διαφορετικές ιδιότητες του γραφίτη και του διαμαντιού οφείλονται στις διαφορετικές διατάξεις των ατόμων άνθρακα στις κρυσταλλικές τους δομές. Στο διαμάντι, τα άτομα άνθρακα είναι διατεταγμένα σε τετραεδρική δομή, ενώ στον γραφίτη, τα άτομα άνθρακα είναι διατεταγμένα σε φύλλα 2D. Οι διαφορετικές διατάξεις των ατόμων άνθρακα έχουν ως αποτέλεσμα διαφορετικές χημικές και φυσικές ιδιότητες για τα δύο αλλότροπα.

Το διαμάντι και ο γραφίτης είναι δύο αλλότροπα του ίδιου στοιχείου (άνθρακας) και οι διαφορές στις ιδιότητές τους είναι αποτέλεσμα του τρόπου με τον οποίο είναι διατεταγμένες οι κρυσταλλικές τους δομές. Τόσο το διαμάντι όσο και ο γραφίτης είναι κατασκευασμένα από καθαρό άνθρακα, ωστόσο έχουν δραματικές διαφορές στις ιδιότητές τους. Ως αλλότροπα του ίδιου στοιχείου, μπορεί να περιμένετε να έχουν πολλές ομοιότητες, αλλά αυτό απλά δεν ισχύει.

Στην αρχή, αυτή η ερώτηση μπορεί να φαίνεται περίεργη σε πολλούς ανθρώπους. Διαμάντι και γραφίτης… δεν ακούγεται σαν ένας ιδιαίτερα λογικός συνδυασμός. Διαμάντι και χρυσός, ή διαμάντι και ζαφείρι θα ήταν πιο λογικό, σωστά; Γιατί, λοιπόν, το διαμάντι έχει κουκούτσι στην ίδια κατηγορία με τον γραφίτη – αυτό που βρίσκουμε μέσα στα μολύβια μας;

Λοιπόν, αν είχατε δώσει προσοχή στα μαθήματα της Χημείας στο γυμνάσιο, θα ξέρατε ότι υπάρχει, στην πραγματικότητα, μια πολύ ισχυρή δομική σύνδεση μεταξύ των δύο.

Ποια είναι η σχέση μεταξύ των δύο; Και γιατί είναι τόσο διαφορετικά μεταξύ τους;

Τι είναι τα αλλότροπα;

Η αλλοτροπία (αναφέρεται επίσης ως «αλλοτροπισμός») ενός στοιχείου είναι η ικανότητα αυτού του στοιχείου να υπάρχει σε πολλαπλές μορφές στην ίδια φυσική κατάσταση με διαφορετική διάταξη των ατόμων του. Οι διαφορετικές μορφές ονομάζονται αλλότροπα του δεδομένου χημικού στοιχείου.

Φανταστείτε ότι έχετε 36 μπάλες που μπορείτε να τακτοποιήσετε σε οποιοδήποτε αριθμό μοτίβων για να αποκτήσετε αμοιβαία-οπτικά γεωμετρικά σχήματα.

Τα συστατικά μέρη αυτών των σχημάτων (μπάλες) αντιπροσωπεύουν άτομα και τα διαφορετικά σχήματα που παίρνουν (λόγω της ποικίλης διάταξης τους) είναι τα αλλότροπα.

Τα αλλότροπα του ίδιου στοιχείου έχουν διαφορετικές διευθετήσεις σύνδεσης, οι οποίες δημιουργούν διαφορετικές χημικές και φυσικές ιδιότητες για την ουσία. Επιπλέον, διαφορετικά αλλότροπα μπορεί επίσης να διαφέρουν ως προς την εμφάνιση μορίων στον αριθμό των ατόμων.

Η παρακάτω εικόνα παρουσιάζει διάφορα αλλότροπα φωσφόρου και οξυγόνου.

Αλλότροπα άνθρακα

Στον κόσμο των αλλοτροπών, ο άνθρακας δεν είναι τίποτα λιγότερο από ένα rockstar. Έχει την ικανότητα να σχηματίζει πολλά αλλότροπα, χάρη στη χημική του δομή. Ο ατομικός του αριθμός είναι 6, που σημαίνει ότι έχει 4 ηλεκτρόνια στο φλοιό σθένους.

Μέχρι στιγμής, έχουν εντοπιστεί τουλάχιστον 8 αλλότροπα άνθρακα και η έρευνα για την ανακάλυψη ακόμη περισσότερων αλλοτροπών βρίσκεται σε εξέλιξη.

Διαφορετικά αλλότροπα του άνθρακα (Πιστωτική φωτογραφία :Wikipedia)

Ωστόσο, από όλα τα γνωστά αλλότροπα, τα πιο δημοφιλή είναι το διαμάντι και ο γραφίτης. Αυτά τα δύο αλλότροπα, τα οποία εμφανίζονται οπτικά απίστευτα διαφορετικά, εξακολουθούν να είναι φτιαγμένα από τίποτε άλλο εκτός από άνθρακα. Αν και η σύνθεσή τους είναι ίδια, παρουσιάζουν διαφορετικές χημικές και φυσικές ιδιότητες, χάρη στη διάταξη των ατόμων άνθρακα μέσα τους.

Γιατί το διαμάντι είναι σκληρό, αλλά ο γραφίτης είναι μαλακός, παρά το γεγονός ότι είναι αποτελείται από το ίδιο στοιχείο (άνθρακας);

Συνοψίζεται σε έναν μόνο παράγοντα:γεωμετρία .

Η διάταξη των ατόμων άνθρακα στο διαμάντι ακολουθεί έναν τετραεδρικό τρόπο. Αυτό σημαίνει ότι κάθε άτομο άνθρακα συνδέεται με 4 άλλα άτομα άνθρακα, σχηματίζοντας ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς.

Αυτή η διάταξη κρυστάλλου είναι ενεργειακά πολύ ευνοϊκή και προσδίδει αυτή τη χαρακτηριστική αντοχή, ανθεκτικότητα και ακαμψία στο διαμάντι. Για να γρατσουνιστεί ή να σπάσει απαιτείται μεγάλη δύναμη, γεγονός που το καθιστά ένα από τα πιο σκληρά φυσικά υλικά στον πλανήτη.

Ο γραφίτης, από την άλλη πλευρά, έχει μια εντελώς διαφορετική γεωμετρική διάταξη από το διαμάντι. Τα άτομα άνθρακα του είναι διατεταγμένα σε φύλλα 2D, ενώ κάθε άτομο άνθρακα συνδέεται με τρία άλλα άτομα άνθρακα για να σχηματίσει εξαγωνικούς δακτυλίους σε μια άπειρη διάταξη. Αν και ο δεσμός των ατόμων μέσα σε κάθε μεμονωμένη στιβάδα είναι ομοιοπολικός και επομένως αρκετά ισχυρός (τόσο ισχυρός όσο φαίνεται στο διαμάντι), ο δεσμός μεταξύ των στρωμάτων είναι ασθενής (δυνάμεις Van der Waals).

Το αποτέλεσμα αυτού είναι ότι τα στρώματα γλιστρούν πάνω από το καθένα και μπορούν να αποκολληθούν το ένα από το άλλο πολύ εύκολα. Αυτοί οι ασθενείς δεσμοί μεταξύ των πολλαπλών φύλλων ατόμων άνθρακα κάνουν τον γραφίτη που χρησιμοποιείται στα μολύβια να ξεφλουδίζει στο χαρτί, επιτρέποντάς σας να γράφετε. Εκτός από μαλακός και ολισθηρός, ο γραφίτης έχει επίσης πολύ χαμηλότερη πυκνότητα από το διαμάντι.

Το μόνο πράγμα για όλα αυτά που με εκπλήσσει περισσότερο είναι πώς μερικές τροποποιήσεις στη χημική δομή πανομοιότυπων ουσιών τις κάνουν τόσο πολύ διαφορετικές στην εμφάνιση, τη σκληρότητα και τις χημικές τους ιδιότητες!