Ο άνθρακας: διαμάντι, γραφίτης, κάρβουνο

Το ίδιο στοιχείο, δύο κόσμοι

Η μύτη του μολυβιού σου είναι μαλακή, γκρίζα και αφήνει σημάδι στο χαρτί. Ένα διαμάντι είναι διάφανο, λαμπερό, και το σκληρότερο φυσικό υλικό που ξέρουμε: χαράζει το γυαλί.

Κι όμως, και τα δύο είναι φτιαγμένα από ένα και μόνο στοιχείο: τον άνθρακα. Αν κάψεις ένα διαμάντι σε καθαρό οξυγόνο, που χρειάζεται πολύ υψηλή θερμοκρασία, δεν μένει τίποτα· βγαίνει μόνο διοξείδιο του άνθρακα, ακριβώς όπως από τον γραφίτη.

Οι διαφορετικές μορφές του ίδιου στοιχείου λέγονται αλλοτροπικές μορφές. Τι κάνει τη διαφορά; Όχι τα άτομα, αλλά ο τρόπος που δένονται μεταξύ τους.

Διαμάντι και γραφίτης

Από το μάθημα των υδρογονανθράκων ξέρεις ότι ο άνθρακας σχηματίζει τέσσερις δεσμούς και δένεται εύκολα με τον εαυτό του. Στις καθαρές του μορφές δένεται μόνο με άλλα άτομα άνθρακα.

Στο διαμάντι, κάθε άτομο είναι δεμένο με τέσσερα γειτονικά, προς όλες τις κατευθύνσεις του χώρου. Το αποτέλεσμα είναι ένα συμπαγές τρισδιάστατο πλέγμα, χωρίς κανένα αδύναμο σημείο. Γι' αυτό είναι τόσο σκληρό. Και επειδή όλα τα ηλεκτρόνια είναι «δεσμευμένα» σε δεσμούς, δεν άγει τον ηλεκτρισμό.

Στον γραφίτη, κάθε άτομο είναι δεμένο με τρία γειτονικά, σε επίπεδα φύλλα με εξάγωνα σαν κηρήθρα. Τα φύλλα είναι γερά, αλλά συγκρατούνται μεταξύ τους πολύ χαλαρά και γλιστρούν το ένα πάνω στο άλλο. Γι' αυτό ο γραφίτης είναι μαλακός και αφήνει γραμμή στο χαρτί: κάθε φορά που γράφεις, ξεκολλάς φύλλα. Το τέταρτο ηλεκτρόνιο κάθε ατόμου μένει ελεύθερο να κινείται κατά μήκος των φύλλων, και έτσι ο γραφίτης άγει τον ηλεκτρισμό, παρόλο που είναι αμέταλλο.

Τον 20ό αιώνα βρέθηκαν και νέες μορφές. Το φουλερένιο $\text{C}_{60}$ (1985) είναι ένα μόριο από $60$ άτομα σε σχήμα μπάλας ποδοσφαίρου. Το γραφένιο είναι ένα μόνο φύλλο γραφίτη, πάχους ενός ατόμου· η απομόνωσή του χάρισε στους Αντρέ Γκέιμ και Κονσταντίν Νοβοσέλοφ το Νόμπελ Φυσικής του 2010.

Φυσικοί άνθρακες: φυτά θαμμένα για εκατομμύρια χρόνια

Οι φυσικοί άνθρακες (ή γαιάνθρακες) σχηματίστηκαν από φυτά που θάφτηκαν σε βάλτους, χωρίς αέρα. Κάτω από στρώματα χώματος, με πίεση και θερμότητα, έχασαν σιγά σιγά νερό και άλλα στοιχεία, και έμειναν όλο και πιο πλούσια σε άνθρακα.

Ανάλογα με το πόσο «ψήθηκαν», από τον νεότερο και φτωχότερο στον παλαιότερο και πλουσιότερο σε άνθρακα:

τύρφη → λιγνίτης → λιθάνθρακας → ανθρακίτης

Ο ανθρακίτης έχει πάνω από $90\%$ άνθρακα και δίνει την περισσότερη θερμότητα. Ο λιγνίτης είναι πολύ φτωχότερος και έχει πολύ νερό. Στην Ελλάδα υπάρχει άφθονος λιγνίτης, κυρίως στην περιοχή Κοζάνης–Πτολεμαΐδας και στη Μεγαλόπολη, και για δεκαετίες έδινε το μεγαλύτερο μέρος του ηλεκτρισμού της χώρας. Σήμερα οι λιγνιτικοί σταθμοί κλείνουν σταδιακά, γιατί η καύση του λιγνίτη βγάζει πολύ διοξείδιο του άνθρακα για κάθε μονάδα ενέργειας.

Τεχνητοί άνθρακες: θέρμανση χωρίς αέρα

Αν θερμάνεις ένα υλικό που περιέχει άνθρακα χωρίς αέρα, δεν καίγεται. Χάνει τα πτητικά του συστατικά, και μένει ένα στερεό πολύ πλούσιο σε άνθρακα. Έτσι φτιάχνονται οι τεχνητοί άνθρακες:

• Κοκ: από λιθάνθρακα. Χρησιμοποιείται στις υψικαμίνους, για να πάρουμε σίδηρο από τα ορυκτά του.
• Ξυλάνθρακας: από ξύλο. Είναι το κάρβουνο της ψησταριάς.
• Αιθάλη: η μαύρη καπνιά από ατελή καύση. Δίνει το μαύρο χρώμα στα ελαστικά των αυτοκινήτων και στα μελάνια.
• Ενεργός άνθρακας: άνθρακας με τεράστιο πλήθος μικροσκοπικών πόρων. Ένα μόνο γραμμάριο έχει εσωτερική επιφάνεια εκατοντάδων τετραγωνικών μέτρων, όπου «κολλάνε» (προσροφώνται) ουσίες. Χρησιμοποιείται σε φίλτρα νερού, σε μάσκες αερίων και στα νοσοκομεία σε ορισμένες δηλητηριάσεις.

Ποια μορφή του άνθρακα για ποια δουλειά;

Διάλεξε μια δουλειά και μετά τη μορφή του άνθρακα που θα χρησιμοποιούσες. Σκέψου ποια ιδιότητα χρειάζεται.

Η δουλειά

Ένα εργαλείο που κόβει γυαλί και γρανίτη.Το ηλεκτρόδιο μιας μπαταρίας ή μιας ηλεκτρόλυσης.Ένα φίλτρο κανάτας που κρατά τη γεύση του χλωρίου από το νερό.Μια υψικάμινος που παίρνει σίδηρο από τα ορυκτά του.

Η μορφή του άνθρακα

ΔιαμάντιΓραφίτηςΕνεργός άνθρακαςΚοκ

Η μορφή του άνθρακα

Όταν ο άνθρακας καίγεται

Όλες οι μορφές του άνθρακα καίγονται. Με αρκετό οξυγόνο δίνουν διοξείδιο του άνθρακα:

$$\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2$$

Με λίγο οξυγόνο, η καύση είναι ατελής και δίνει μονοξείδιο του άνθρακα:

$$2\,\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{CO}$$

Ας το κάνουμε μαζί

Δοκίμασέ το πρώτα. Μετά δες τη λύση.

Δείξε τη λύση

Δοκίμασέ το πρώτα. Μετά δες τη λύση.

Δείξε τη λύση