Hiilen allotropia

Kemia 3:n nimiöartikkeli
Allotropia on hyvä esimerkki siitä, miten luonnossa aineiden pienet rakenne-erot virittävät hyvinkin erilaisia ominaisuuksia. Allotroopit koostuvat saman alkuaineen atomeista, mutta atomien järjestys ja atomien väliset sidokset poikkeavat toisistaan. Seurauksena ovat suuret erot allotrooppisten aineiden fysikaalisissa ja mekaanisissa ominaisuuksissa, esimerkiksi värissä, lujuudessa tai lämmön- ja sähkönjohtokyvyssä Timantti - hiottu korukivi

Hiilen allotrooppeja ovat timantti, grafiitti ja fullereenit.

Hiili
Hiiliatomi on melko pieni. Sen ytimessä on vain 6 protonia, joten elektroniverhossakin on vain 6 elektronia. Elektronikuoria on kaksi. Uloimmalla kuorella on 4 elektronia, joita hiiliatomi voi käyttää sidoksiin.
Hiiliatomi muodostaa sidoksia useammalla tavalla.
Hiilen paikka jaksollisessa järjestelmässä
Hiili C, elektronirakenne 1s22s22p2

Pelkästään hiiliatomien kesken eli alkuainehiilessä syntyy sidoksia seuraavilla tavoilla:

Huom! Orgaanisissa yhdisteissä hiiliatomi voi sitoutua toiseen hiiliatomiin em. sidostyyppien mukaan mutta myös yhdellä kovalenttisella sidoksella ja pii-sidosten välityksellä (kaksois- ja kolmoissidokset).

Grafiitti

Grafiitissa hiiliatomit ryhmittyvät fuusioituneiksi kuusirenkaiksi siten, että kukin hiiliatomi sitoutuu samassa tasossa kolmeen naapuriinsa. Renkaissa hiilten välillä on yhden elektroniparin muodostamia kovalenttisia sidoksia. Kunkin hiiliatomin ulkokuoren elektroneista yksi jää kovalenttisiin sidoksiin käyttämättä. Näistä elektroneista syntyy hiiliatomeille yhteinen elektronipilvi, joka sijoittuu rengastasojen väliin ja jossa elektronit pääsevät liikkumaan suhteellisen vapaasti.

Grafiitin rakenneTasojen välillä on van der Waalsin sidoksia. Vain puolet tasojen hiiliatomeista osuu kohdakkain. Tasojen välimatka on runsaat kaksi kertaa niin pitkä kuin renkaan C–C-sidos. Niinpä kerrokset eivät olekaan lujasti kiinni toisissaan vaan pystyvät liukumaan. Erityisen helposti kerrokset pääsevät liikkumaan silloin, kun rakenteeseen on pujahtanut mukaan vieras atomi.

Rakenteensa vuoksi grafiitti on hieman "rasvamaista" ja soveltuu voiteluaineeksi. Helposti liikkuvien elektronien ansiosta se myös johtaa sähköä. Grafiitin sähkönjohtokyky on parempi rengastasojen suunnassa kuin niiden välillä. Väriltään grafiitti on läpinäkymätöntä, tummaa ja hieman kiiltävää. Läpinäkymättömyys ja tumma väri kertovat siitä, että grafiitti pystyy absorboimaan valoa laajalla aallonpituusalueella, ts. elektroneille ovat useat energiatilat mahdollisia. Kiilto puolestaan osoittaa, että osa valosta heijastuu. Syynä on grafiitin suhteellisen tiivis rakenne (mm. rengastasojen lomittaisuus).

Timantti

Timanttikiteessä kaikki hiiliatomit ovat sitoutuneet tosiinsa samanlaisin kovalenttisin sidoksin. Jokaisesta hiiliatomista lähtee neljä tetraedrisesti suuntautunutta sidosta. Elektronit liikkuvat vain sidosorbitaaleilla, minkä takia rakennelma on jäykkä. Kun sidokset lisäksi ovat lujia, on ymmärrettävää, että timantti on kovin tunnettu aine.

Timantin kidehilaTimantilla on korkea sulamispiste, ja se on kemiallisesti kestävää. Elektronien rajatun liikkumatilan vuoksi timantti ei johda sähköä. Sen sijaan se on erinomainen lämmönjohde: sen lämmönjohtavuus on noin viisinkertainen kupariin verrattuna. Timantti on läpinäkyvää ja sitä käytetään valontaitto-ominaisuuksiensa takia korukivenä.

Timantteja löytyy luonnosta, mutta niitä valmistetaan myös keinotekoisesti. Suuret timantit ovat aina luonnontuotteita.

Faasinmuutos grafiitista timantiksi vaatii korkean paineen ja lämpötilan. Timanttirakenteisia ohuita kalvoja valmistetaan kiteyttämällä kaasufaasista sopiville pinnoille. Timanttikalvoja käytetään esimerkiksi kirurgissa instrumenteissa, laakereissa ja partakoneen terissä sekä elektroniikassa.

Fullereenit

Fullereenit koostuvat ontoista hiiliatomipalloista, suurista molekyyleistä, joissa hiiliatomit ovat sitoutuneet kovalenttisin sidoksin fuusioituneiksi viisi- ja kuusirenkaiksi. Esimerkiksi ensimmäisenä (löydettiin vuonna 1985) fullereenina tunnetussa C60-molekyylissä on 12 viisirengasta ja 20 kuusirengasta. Jokainen hiiliatomi sitoo kovalenttisella sidoksella kolme muuta hiiliatomia. Jokaiselta hiiliatomilta jää siis yksi elektroni yhteiseen elektronipilveen.

C60-fullereeni Fullereeneja esiintyy luonnostaan mm. noessa ja joissakin kivilajeissa (shungiitti). Niitä syntyy myös punaisiksi jättiläisiksi kehittyneissä tähdissä. Luonnossa ne lienevät paljon yleisempiä kuin grafiitti ja timantti. Fullereenien synteesi hallitaan nykyisin jo hyvin.

Grafiitti ja timantti eivät liukene mihinkään tunnettuihin liuottimiin, mutta fullereenit liukenevat mm. tolueeniin ja bentseeniin, joten ne voi uuttaa erilleen noesta (noessa on pääasiassa C60, C70, noin 2 % – 10 % noen lähteestä riippuen).

Fullereenikiteessä (kiinteässä fulleriitissä) molekyylipallojen väliin jää tilaa, johon voi absorboitua kaasuja, esim. vety ja helium absorboituvat nopeasti, happi hitaammin.

Kiteessä molekyylipallot pyörivät noin 20 miljardia kierrosta sekunnissa. Niinpä fullereeneista ehkä saadaan sopivilla lisäaineilla käsittelemällä magneettista orgaanista materiaalia.

C60-fullereenipallon sisätila on niin suuri, että sinne mahtuu toisen alkuaineen atomi. Tällaisia yhdisteitä onkin jo syntetisoitu.

Muodoltaan putkimaisia fullereenimolekyylejäkin eli nanoputkia on onnistuttu valmistamaan. Ne ovat ikään kuin grafiitista lohkaistuja kerroksia, jotka on kierretty rullaksi. Tällaisilla molekyyleillä on mahdollista käyttöä erittäin pienikokoisina sähkönjohteina, kun putken sisään sijoitetaan metalliatomeja. Toistaiseksi fullereenien tai nanoputkin käytännön sovellusten kehittely on vielä lupausten vaiheessa.



Hakupalvelut

Sivun alku | KE 3:n alkusivu