1. Oglekļa alotropija

 

Pēc izplatības Zemes garozā ogleklis ieņem 17. vietu, kas ir aptuveni 0,48 % no visas zemes virsmas masas. Dabā pastāv divi oglekļa alotropiskie veidi — grafīts un dimants. Savienojumu veidā ogleklis atrodas visās augu un dzīvnieku valsts vielās — organiskajās vielās, kā arī oglekļa dioksīdā un minerālos — krītā, kaļķakmenī, marmorā, dolomītā un citur. Dabā ogleklis sastopams divu stabilu izotopu 12C (98,892 %) un 13C (1,108 %) veidā.

 

 

Grafīts ir tumšpelēka, kristāliska viela ar metālisku spīdumu. Tas deg tikai tīrā skābeklī.
Grafītam ir slāņaina heksagonāla struktūra, kas atbilst elektronu orbitāļu sp2 hibridizācijai. Oglekļa atomu sešlocekļu gredzenu slāņi ir vājāk saistīti viens ar otru. Tāpēc grafīts ir mīksts un sadalās pelēkos zvīņveida slāņos. Tie līp pie papīra, tāpēc grafītu lieto zīmuļu izgatavošanai.
Grafītam piemīt augsta elektrovadītspēja. No tā ražo elektrodus. Grafītu vēl izmanto ziežvielu, ugunsizturīgu materiālu un krāsvielu ražošanai, kā arī par neitronu palēninātāju kodoltehnikā.

  

Amorfais ogleklis jeb ogle nav īpaša oglekļa modifikācija. Tā ir melna, cieta viela, kas sastāv no sīkiem, neregulāras struktūras grafīta kristāliņiem. Amorfa oglekļa blīvums ir no 1,8 līdz 2,1 $g/{\mathit{cm}}^3$.

 

Amorfo oglekli (ogli) iegūst, termiski sadalot organiskos savienojumus. Nozīmīgākie ogles veidi ir kokss, kokogle, kaulu ogle un kvēpi. Kvēpi ir tīrākais amorfais ogleklis. Tie rodas, termiski, sadalot vai nepietiekamā gaisa daudzumā sadedzinot ar oglekli bagātas vielas (dabasgāzi, sveķus, terpentīnu). Koksu izmanto ķīmiskajā rūpniecībā un metalurģijā par reducētāju un kurināmo. Kvēpus lieto par pildvielu gumijas un plastmasu izstrādājumos, par melno pigmentu krāsvielās un tušā. Amorfo oglekli apstrādājot ar pārkarsētu ūdens tvaiku, iegūst aktīvo ogli, kuru lieto par adsorbentu dažādu vielu attīrīšanai ķīmiskajā un pārtikas rūpniecībā, medicīnā (karbolēna tabletes), gāzmaskās.

 

Dimants ir bezkrāsaina, caurspīdīga, kristāliska viela, kas stipri lauž gaismas starus. Nereti tas ir zilgans, iedzeltens, sārts, tumšpelēks, pat melns. Ja dimantu sakarsē līdz 850 °C temperatūrai, skābekļa atmosfērā tas sadeg. 1772. gadā A. Lavuazjē konstatēja, ka, sadegot dimantam, rodas tikai oglekļa dioksīds.
Dimantam ir tetraedriska struktūra. Tajā katrs oglekļa atoms ir saistīts ar četriem kaimiņatomiem. Šīs saites ir vienāda garuma un cita ar citu veido 109°28' lielus leņķus. Tāpēc dimantam piemīt ārkārtīgi liela cietība, taču tas ir trausls. Dimants slikti vada elektrību un siltumu. Tā blīvums ir 3,52 $g/{\mathit{cm}}^3$.
Ja dimantu stipri karsē bez gaisa piekļuves 1000 °C temperatūrā, tas pārvēršas grafītā.
Speciāli slīpētus dimantus sauc par briljantiem. Tos lieto juvelierizstrādājumu izgatavošanai. Dimantu tā lielās cietības dēļ lieto cietu materiālu apstrādei, iežu urbšanai. Pieprasījums pēc tehnikā izmantojamiem dimantiem ir liels, tāpēc augstā temperatūrā un spiedienā tos mākslīgi iegūst no grafīta.

 

 

 

Fullerēns ir oglekļa alotropiskais veids - slēgta tipa molekulas C32, C60, C70, C90 u.c. Vispazīstamākais un visplašāk pielietotais fullerēns ir C60, kas savas simetrijas un stabilitātes dēļ ir izraisījis lielu interesi daudzos zinātniekos.

1985. gadā Saseksas universitātes un Raisas universitātes zinātnieki Roberts Kērls, Harolds Kroto un Ričards Smallijs atklāja jaunu vielu - fullerēnu, kas pēc savām fizikālajām un ķīmiskajām īpašībām līdzinās grafītam. Smallija vadībā tika veikts pirmais eksperiments, lai pierādītu C60 eksistenci. Fullerēnu ieguva, sadedzinot grafīta stieni hēlija atmosfērā augsta vakuuma iekārtā.
1990. gadā Kretšmers, Jostinopals un Hofmans pilnveidoja fullerēnu iegūšanas mehānismu. Viņi sadedzināja grafīta stieni un darba gaitā radušos sodrējus apstrādāja tālāk. Ar ekstrakcijas palīdzību viņi atdalīja fullerēnus no sodrējiem. Tad ar hromatogrāfijas palīdzību fullerēni tika sadalīti frakcijās C60, C70 utt. Eksperimentā atklāja, ka fullerēna molekulas struktūra ir ļoti simetriska un līdzinās futbolbumbai.

Vārds fullerēns, jeb pilnā nosaukumā bakminsterfullerēns atvasināts no amerikāņu arhitekta un inženiera Ričarda Bakminstera Fullera vārda. Šis cilvēks ir ģeodēziskās velves autors. Pamanot fullerēna C60 strukturālo līdzību ar ģeodēzisko velvi, zinātnieki izvēlējās terminu bakminsterfullerēns. Tikai vairākus gadus vēlāk tika atklāts, ka C60 ir viens no veselas molekulu klases pārstāvjiem.

 

Oglekļa nanocaurulītes ir cilindriskas formas struktūras, kas veidotas no oglekļa atomiem. Oglekļa atomi nanocaurulītēs ir savā starpā savienoti tāpat kā heksagonālajās grafīta plaknēs viena atoma biezumā, taču šīs plaknes ir "saritinātas" ārkārtīgi miniatūrās (diametrā no 1 nanometra līdz dažiem desmitiem nanometru) caurulītēs, kuru garums var sasniegt pat dažus centimetrus. Caurulīšu gali parasti ir noslēgti ar pussfēriskām "galviņām".

Atšķirībā no fullerēna, kura 60 atomu sfēriskā molekula tika atklāta 1985. gadā, oglekļa caurulīšu precīzu atklāšanas datumu ir grūti nosaukt. Par nanocaurulīšu atklāšanu parasti uzskata S. Idžimas novērojumu 1991. gadā, ka elektriskā loka iedarbībā no grafīta veidojas daudzslāņainas cilindriskas mikrostruktūras, tomēr šādas struktūras novērotas arī daudz agrāk.

 

Nanocaurulītēm nākotnē iespējams daudzveidīgs pielietojums dažādās tehnoloģijas un zinātnes jomās:
mehāniski pielietojumi - ārkārtīgi izturīgas troses (potenciāli pielietojamas kosmiskā lifta būvei), kompozītmateriāli, nanosvari;
mikroelektronikā - nanotranzistori, vadi u.c.;
kā mikrokapilārus dažādu aktīvu molekulu, metālu, gāzu glabāšanai, nanopipešu izgatavošanai;
optiskiem pielietojumiem - displejos, gaismas diodēs;
medicīnā - zāļu transportam organismā un citur;
dažādos ķīmiskos nanosensoros.

 

No oglekļa nanocaurulītēm izveidots materiāls, kas absorbē vairāk nekā 99,9 % uz to krītošās gaismas un līdz ar to ir 3 reizes tumšāks nekā niķeļa un fosfora sakausējums, kas tika uzskatīts par "vismelnāko" materiālu. Jaunajam nanocaurulīšu materiālam gaismas atstarošanas koeficients ir tikai 0,045 %.