Ανθρακας - ενα ατομο, πολλες δομες:
Διαμαντι και γραφιτης
Η λέξη διαμάντι προέρχεται από την αρχαία ελληνική λέξη “αδάμας” που σημαίνει αδύνατο να δαμαστεί. Η λέξη γραφίτης προέρχεται από το ελληνικό ρήμα “γράφω” επειδή το υλικό αυτό χρησιμοποιείται στα μολύβια.
Το διαμάντι και ο γραφίτης, παρά
το ότι έχουν την ίδια βασική χημική σύνθεση (και τα δύο υλικά αποτελούνται από
άτομα άνθρακα), εμφανίζουν τελείως διαφορετικές ιδιότητες (επαναλαμβάνω, παρότι αποτελούνται απο το ίδιο
συστατικό, άτομα άνθρακα!!).
Για παράδειγμα, το διαμάντι είναι σκληρό και διαφανές υλικό, ενώ ο γραφίτης είναι μαλακό και αδιαφανές υλικό. Στον παρακάτω πίνακα αναγράφονται αναλυτικά οι ιδιότητες κάθε υλικού. Παρατηρούμε ότι όχι μόνο δεν ταυτίζονται αλλά είναι τελείως διαφορετικές μεταξύ τους.
Ιδιότητα
|
Διαμάντι
|
Γραφίτης
|
Χρώμα
|
Άχρωμο
|
Μαύρο
|
Διαφάνεια
|
Διαφανές
|
Αδιαφανές
|
Αγωγός του ηλεκτρισμού
|
Κακός (μονωτής)
|
Καλός
|
Σκληρότητα
|
Σκληρό
|
Mαλακό
|
Χρήσεις
|
Κατασκευή κοσμημάτων και γεωτρυπάνων
(όργανο κοπής)
|
Χρησιμοποιείται για κατασκευή μολυβιών,
ηλεκτροδίων, λιπαντικών
|
Το διαμάντι και ο γραφίτης, παρά το ότι έχουν την ίδια βασική χημική σύνθεση (και τα δύο υλικά αποτελούνται από άτομα άνθρακα), οι κρυσταλλικές διατάξεις άνθρακα (C) διαφέρουν σημαντικά (δηλαδή ο τρόπος τοποθέτησής των ατόμων τους στο χώρο (κρυσταλλική δομή) διαφέρει σημαντικά), με αποτέλεσμα να έχουμε δύο τελείως διαφορετικά υλικά τα οποία εμφανίζουν εμφανίζουν τελείως διαφορετικές ιδιότητες.
1) Γιατί το διαμάντι είναι τόσο σκληρό;
Απλουστεύοντας όλη εικόνα
και επικεντρώνοντας σε ένα μόνο άτομο άνθρακα (φαίνεται πιο εύκολα στην "κορυφή της δομής"), παρατηρούμε ότι κάθε άτομο του
άνθρακα στο διαμάντι είναι συνδεδεμένο με άλλα τέσσερα που βρίσκονται σε
εντελώς συμμετρικές θέσεις στο χώρο σχηματίζοντας ένα τετράεδρο. Η σκληρότητα του διαμαντιού
οφείλεται ακριβώς σ’ αυτήν τη δομή, καθώς τα άτομα είναι ισχυρά συνδεδεμένα και
χρειάζεται μεγάλη ενέργεια προκειμένου να διασπαστούν οι δεσμοί του.
2) Γιατί ο γραφίτης είναι μαλακός;
Τα άτομα του άνθρακα στο γραφίτη είναι κατανεμημένα
σε παράλληλα επίπεδα. Στα επίπεδα αυτά τα άτομα C είναι συνδεδεμένα σε εξάγωνα. Επειδή η
απόσταση των ατόμων του άνθρακα μεταξύ διαφορετικών επιπέδων είναι μεγάλη ο δεσμός
που δημιουργείται ανάμεσα στα επίπεδα δεν είναι ισχυρός. Συνεπώς τα εξάγωνα που
δημιουργούνται από τα άτομα του άνθρακα
σχηματίζουν επίπεδα στρώματα που είναι ασθενώς συνδεδεμένα μεταξύ τους.
Όταν ασκείται δύναμη στο υλικό τα στρώματα αυτά μπορούν να διαχωρισθούν και το
υλικό να κοπεί σε κομμάτια.
Ας δούμε λοιπόν σε τρισδιάστατη δομή το διαμάντι και το γραφίτη:
Συμπέρασμα:
Οι φυσικές ιδιότητες του υλικού είναι σε πάρα πολύ μεγάλο βαθμό αποτέλεσμα του είδους του πλέγματος, στο οποίο έχει κρυσταλλωθεί το υλικό. Δηλαδή υλικά τα οποία αποτελούνται από άτομα του ίδιου χημικού στοιχείου έχουν διαφορετικές φυσικές ιδιότητες με μόνη διαφορά τον τρόπο τοποθέτησής των ατόμων τους στο χώρο (κρυσταλλική δομή)
