Τι είναι τα αλλότροπα του άνθρακα

Τα αλλότροπα είναι οι διακριτές μορφές ενός στοιχείου όταν υπάρχει σε δύο ή περισσότερες μορφές. Οι διαφορετικές μορφές έχουν παρόμοια χημικά αλλά διαφορετικές φυσικές ιδιότητες. Το στοιχείο άνθρακας έχει πολλά αλλότροπα. Αυτό συμβαίνει επειδή έχει ηλεκτρονική διαμόρφωση 2,4 (Ατομικός αριθμός 6). Δεδομένου ότι ο άνθρακας έχει 4 ηλεκτρόνια στο εξωτερικό του περίβλημα, μοιράζεται αυτά τα ηλεκτρόνια για να σχηματίσει ομοιοπολικούς δεσμούς με άλλα άτομα άνθρακα και έτσι να φτάσει σε μια αδρανή κατάσταση. Υπάρχουν δύο τύποι αλλοτροπικών μορφών άνθρακα:

• Κρυσταλλική αλλοτροπική μορφή
• Άμορφη αλλοτροπική μορφή

Οι κρυσταλλικές αλλοτροπικές μορφές έχουν κρυσταλλική δομή, ενώ οι άμορφες αλλοτροπικές μορφές δεν έχουν.

Κρυσταλλικά αλλοτρόπα

Ο άνθρακας έχει τα ακόλουθα κρυσταλλικά αλλότροπα:

Διαμάντι

• Κάθε άτομο άνθρακα βρίσκεται σε κατάσταση υβριδισμού sp3 και είναι τετραεδρικά συνδεδεμένο με τέσσερα γειτονικά άτομα άνθρακα.
• Πρόκειται για μια άκαμπτη και τρισδιάστατη δομή.
• Το μήκος του δεσμού μεταξύ κάθε ατόμου άνθρακα είναι 154 μ.μ.
• Το διαμάντι είναι το σκληρότερο υλικό στη Γη λόγω των κατευθυντικών ομοιοπολικών δεσμών σε όλο το πλέγμα, το οποίο είναι δύσκολο να σπάσει.
• Έχει υψηλό σημείο τήξης και υψηλή πυκνότητα.
• Δεδομένου ότι κάθε ηλεκτρόνιο σθένους είναι συνδεδεμένο με το ηλεκτρόνιο σθένους του γειτονικού ατόμου, δεν υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια και, ως εκ τούτου, είναι κακός αγωγός του ηλεκτρισμού.
• Χρησιμοποιείται για ακόνισμα εργαλείων, διάτρηση, κοπή, κατασκευή βαφών κ.λπ.

Γραφίτης

• Έχει μια πολυεπίπεδη δομή που αποτελείται από εξαγωνικούς δακτυλίους όπου κάθε άτομο άνθρακα σχηματίζει τρεις δεσμούς και είναι υβριδισμένο sp2.
• Η ασθενής δύναμη έλξης Van der Waals συγκρατεί τα στρώματα μαζί.
• Μια απόσταση 3,40  Å χωρίζει τα στρώματα του γραφίτη.
• Έχει μήκος ομολόγου 1,41  Å.
• Είναι καλός αγωγός της θερμότητας και του ηλεκτρισμού, καθώς κάθε άτομο άνθρακα σχηματίζει τρεις δεσμούς που επιτρέπουν στο τέταρτο ηλεκτρόνιο να κινείται ελεύθερα.
• Η δύναμη που συγκρατεί τα στρώματα είναι ασθενής και επομένως τα στρώματα μπορούν να γλιστρήσουν το ένα πάνω στο άλλο. Ως εκ τούτου, ο γραφίτης χρησιμοποιείται ως λιπαντικό σε μηχανές.
• Οι πυρήνες των μολυβιών είναι κατασκευασμένοι από γραφίτη. Ως εκ τούτου ονομάζεται επίσης μαύρος αγωγός.

Φουλερένια

• Όταν ο γραφίτης θερμαίνεται σε ηλεκτρικό τόξο παρουσία αδρανούς αερίου, σχηματίζονται φουλλερένια.
• Όταν θερμαίνεται, σχηματίζεται ένα υλικό αιθάλης, το οποίο αποτελείται από C60 (Buckminsterfullerene), C70 φουλλερένιο και άλλα ίχνη άλλων φουλερενίων.
• Το Buckminsterfullerene είναι μια δομή σε σχήμα μπάλας με 60 άτομα άνθρακα, καθένα από τα οποία είναι υβριδισμένο sp2.
• Το Buckminsterfullerene είναι το πιο σταθερό αλλοτρόπιο καθώς δεν έχει άκρη ή επιφάνεια και δεν έλκει κανένα άτομο άνθρακα.
• Το Buckminsterfullerene αποτελείται από απλούς και διπλούς δεσμούς.
• Το Buckminsterfullerene είναι επίσης γνωστό ως buckyball.
• Νανοσωλήνες άνθρακα
  • Αποτελείται από άτομα άνθρακα μονής στρώσης σε τυλιγμένα φύλλα.
  • Τα μόριά του έχουν κυλινδρική δομή.
  • Μπορούν να είναι μονοτοιχώματα ή πολλαπλά τοιχώματα. Η δομή ενός τοιχώματος έχει διάμετρο μικρότερη από 1 nm, ενώ η δομή με πολλά τοιχώματα έχει διάμετρο μεγαλύτερη από 100 nm.
  • Περιέχουν υβριδισμένους δεσμούς sp2.
  • Μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αντικατάσταση τρανζίστορ από πυρίτιο, σε ηλιακά κύτταρα, σε ηλεκτρικά καλώδια κ.λπ.

Άμορφα αλλότροπα

Ο άνθρακας έχει τα ακόλουθα άμορφα αλλότροπα:

• Οπτάνθρακα

• Πρόκειται για ένα σκληρό στερεό που έχει γκριζωπό μαύρο χρώμα.
• Παραλαμβάνεται με καταστροφική απόσταξη.

• Κάρβουνο

• Ο ξυλάνθρακας παράγεται όταν το ξύλο θερμαίνεται σε περιορισμένη παροχή αέρα.
• Ο ξυλάνθρακας ζάχαρης (η πιο καθαρή μορφή άμορφου άνθρακα) παράγεται όταν συμπυκνωμένο H2SO4 αντιδρά με ζαχαροκάλαμο ή σακχαρόζη.
• Η ζωική σακχαρόζη παράγεται με καταστροφική απόσταξη οστών. Ένα άλλο όνομα για τη ζωική σακχαρόζη είναι το μαύρο των οστών.
• Ο ενεργός άνθρακας λαμβάνεται με θέρμανση του άνθρακα στους 1273 Κ.

• Μαύρο άνθρακα

• Αυτό λαμβάνεται με θέρμανση υδρογονανθράκων πλούσιων σε άνθρακα σε μια πεπερασμένη παροχή αέρα.
• Η αιθάλη παρήγαγε όταν ο υδρογονάνθρακας αναφλεγεί, ώστε να κολλήσει σε μια υγρή κουβέρτα. Η αιθάλη αφαιρείται όταν στεγνώσει η κουβέρτα. Αυτή η αιθάλη είναι γνωστή ως αιθάλη ή μαύρη λάμπα.
• Αποτελείται από 98-99 τοις εκατό άνθρακα.

Χρήσεις αλλότροπων άνθρακα

• Ο γραφίτης μειώνει την ταχύτητα των ηλεκτρονίων στους πυρηνικούς αντιδραστήρες και ως εκ τούτου χρησιμοποιείται ως μετριαστής.
• Ο γραφίτης ενσωματωμένος σε πλαστικό χρησιμοποιείται σε καλάμια ψαρέματος, ρακέτες τένις, αεροσκάφη κ.λπ., καθώς σχηματίζει ένα ισχυρό, ελαφρύ υλικό.
• Ο γραφίτης χρησιμοποιείται ως λιπαντικό για μηχανές.
• Ο γραφίτης χρησιμοποιείται στη βιομηχανική ηλεκτρόλυση.
• Ο ενεργός άνθρακας είναι πολύ πορώδης. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιείται για την απορρόφηση οργανικών μολυσματικών ουσιών σε καθαριστές, επιβλαβών αερίων στις μάσκες και οσμών σε συνθήκες αέρα.
• Ο αιθάλης και ο οπτάνθρακας χρησιμοποιούνται ως αναγωγικοί παράγοντες.
• Το διαμάντι χρησιμοποιείται στην κατασκευή κοσμημάτων.

Συμπέρασμα 

Τα αλλότροπα του άνθρακα είναι οι διαφορετικές μορφές άνθρακα που έχουν παρόμοιες χημικές αλλά διαφορετικές φυσικές ιδιότητες. Ο άνθρακας έχει πολλά αλλότροπα επειδή έχει τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους στο εξωτερικό του κέλυφος, τα οποία συνδέονται με άλλα άτομα άνθρακα για να φτάσουν σε αδρανή κατάσταση. Υπάρχουν δύο τύποι αλλοτρόπων άνθρακα – Κρυσταλλικά αλλοτρόπα και άμορφα αλλοτρόπα.

Τα αλλότροπα που έχουν κρυσταλλική δομή ονομάζονται κρυσταλλικά αλλότροπα. Το διαμάντι, ο γραφίτης, τα φουλερένια και οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι μερικά κρυσταλλικά αλλοτρόπα. Τα αλλότροπα που δεν έχουν κρυσταλλική δομή ονομάζονται άμορφα αλλότροπα. Οπτάνθρακα, ο άνθρακας και η αιθάλη είναι μερικά παραδείγματα άμορφων αλλοτροπών.