Szén allotropjai — gyémánt, grafit és egyéb formák: definíció, tulajdonságok

Szén allotropjai: gyémánt, grafit és egyéb formák — definíció, fizikai és ipari tulajdonságok, felhasználás és összehasonlítás egy átfogó, könnyen érthető útmutatóban.

A szénnek több allotropja létezik. A gyémánt és a grafit a legismertebbek. A grafit vezető, félfém (olyan elem, amely részben fém és részben nem fém, mint például a fekete foszfor és a szürke szelén). Használható például az elektromos ívlámpa elektródáinak anyagaként. A grafit a szilárd szén valaha felfedezett legstabilabb formája.

Az allotrópok ugyanazon kémiai elem különböző formái. Minden elem egyedileg saját atomjaiból áll. Az esetleges fizikai különbségek az atomok kapcsolódási módjából adódnak. Sok elemnél azért figyelhető meg allotrópia, mert az atomok többféleképpen kapcsolódhatnak egymáshoz. A molekulák különböző módon is elrendeződhetnek, hogy nagyobb szerkezeteket alkossanak.

A gyémánt a szén egyik legismertebb allotropja. Keménysége és nagyfokú fényszórása miatt jól használható ékszerekben. Ipari felhasználása is van. A gyémánt a legkeményebb ismert természetes ásvány. Ez teszi kiváló csiszolóanyaggá. A gyémánt jól megőrzi a csillogását is. Mind a gyémántnak, mind a grafitnak rendkívül magas az olvadáspontja, ami szokatlan a nemfémes elemektől.

Miért különböznek az allotrópok?

A különböző allotropok fő oka a szénatomok közötti kötődés típusa és a térbeli elrendeződés. A szén esetében három gyakori kötéstípus fordul elő: sp3 (tetraéderes), sp2 (síkhálós) és sp (lineáris). Ezek a kötésmódok határozzák meg a szerkezet mechanikai, elektromos és optikai tulajdonságait.

Főbb szénallotropok és jellemzőik

• Gyémánt: sp3 kötésű, háromdimenziós tetraéderes hálózatot alkot. Rendkívül kemény, jó hővezető, átlátszó és általában elektromos szigetelő (tiszta gyémánt). Különleges alkalmazások: ékszerek, vágó- és csiszolóeszközök, ipari fúróhegyek).
• Grafit: sp2 kötésű, lapról lapra rétegződő szerkezet, ahol a rétegeket gyenge van der Waals-kölcsönhatások tartják össze. A rétegekben delokalizált π-elektronok mozognak, ezért a grafit jól vezeti az áramot és kiválóan kenhető (használják kenőanyagként és ceruzabélként – a ceruzabél grafit és agyag keveréke). Alkalmazások: kenőanyagok, elektródák, hőálló anyagok, grafit moderátorok reaktorokban.
• Grafén: egyetlen atomrétegű, két-dimenziós sp2 hálózat (a grafitból leválasztott monoréteg). Kiemelkedő elektromos és hővezető tulajdonságai, nagy mechanikai szilárdsága és nagy felülete miatt ígéretes az elektronika, energia-tárolás (superkapacitátorok) és kompozitanyagok területén.
• Fullerének (pl. C60): zárt gömb- vagy elliptikus molekulák (buckyball-ok), speciális elektronikai és kémiai tulajdonságokkal. Alkalmazások kutatásban: gyógyszerhordozók, elektronikai anyagok, nanotechnológiai elemek.
• Szén nanocsövek (CNT): grafénszerű réteg hengeres formában feltekerve. Nagyon nagy szakítószilárdság, jó vezetőképesség, alkalmazások: nanokompozitok, elektromos vezetékek, szenzorok és elektronikai elemek.
• Amorf szénok (korom, aktív szén): nincs hosszú távú kristályszerkezetük. Jó adszorbensek (aktivált szén), pigmentek, filteranyagok.
• Lonsdaleit (hexagonális gyémánt): ritkább allotrop, meteoritokban fordul elő, elvileg akár keményebb is lehet a szabályos gyémántnál.
• Carbyne és más láncszerű formák: elméletben nagyon szilárd lineáris láncok, de kísérleti előállításuk és stabilizálásuk nehéz.

Fizikai és kémiai tulajdonságok

Mechanikai tulajdonságok: a gyémánt kiemelkedően kemény, a grafén és a nanotömbök pedig rendkívül nagy szakítószilárdsággal rendelkeznek. A grafit réteges felépítése miatt könnyen csúsznak egymáson a lapok, ezért jó kenőanyag.

Elektronikus tulajdonságok: a grafit és grafén jó vezetők, míg a tiszta gyémánt szigetelő; a gyémántot azonban adalékolással (dópolással) vezetővé lehet tenni. A grafénben az elektronok különleges viselkedést mutatnak, ezért vonzó az alapkutatás és az alkalmazott fizika számára.

Hővezetés: gyémánt nagyon jó hővezető, grafit rétegen belül szintén kiváló hővezető (irányfüggő). Ez teszi hasznossá őket hőelvezető alkatrészekben és hőmérséklet-szabályozásnál.

Stabilitás és fázisviszonyok: szobahőmérsékleten a grafit a termodinamikailag stabil forma; a gyémánt metastabil, vagyis lassan alakulna át grafittá, de gyakorlati időskálán ezt nem figyeljük meg. A szén esetében magas hőmérséklet és nyomás szükséges a kristályos átalakulásokhoz.

Előfordulás és előállítás

A természetben a gyémánt vulkáni eredetű magmás eredetű kőzetekben és meteoritokban található meg. A grafit sokféle geológiai környezetben előfordul. Ipari előállítás: gyémántot szintetizálnak magas nyomáson és hőmérsékleten (HPHT) vagy kémiai gőzfázisú leválasztással (CVD). Grafént mechanikai leválasztással vagy kémiai módszerekkel állítják elő.

Alkalmazások

• Ékszerészet és ipari vágószerszámok (gyémánt).
• Kenőanyagok, ceruzabél, elektródák, magas hőmérsékletű anyagok (grafit).
• Energiatechnika: akkumulátorok és szuperkapacitátorok elektródái (grafén, nanotömbök, aktivált szén).
• Elektronika és szenzorok (grafén, nanotubusok).
• Adszorpció és szűrés (aktivált szén).

Összefoglaló

A szén sokféle allotrop formában fordul elő, és minden forma egyedi tulajdonságokkal rendelkezik a kötési geometriából és a szerkezetből adódóan. A gyémánt és a grafit a legismertebbek, de a modern kutatásban a grafén, fullerenek és nanotömbök is különösen fontosak, mivel új technológiák alapjai lehetnek. Az allotrópiák megértése kulcs a fejlett anyagok és nanotechnológiák fejlesztéséhez.

Kérdések és válaszok

K: Mik a szén allotrópjai?

K: Melyek a szén leghíresebb allotrópjai?

K: Mi az a grafit és milyen tulajdonságai vannak?

K: Mik azok az allotrópok?

K: Miért mutatnak különböző elemek allotrópiát?

K: Mi a gyémánt és milyen tulajdonságai vannak?

K: Mennyi a gyémánt és a grafit olvadáspontja?

Keresés betűvel