Аллотропия: что это такое и как работает

Атом кислорода и молекула кислорода сильно отличаются друг от друга по своим свойствам. Так или иначе, в природе атомы кислорода склонны объединяться и образовывать молекулы, потому что это энергетически более выгодно. Но один химический элемент может образовывать сразу несколько видов молекул. Например, если соединить два атома кислорода, можно получить молекулу O₂, а если соединить три атома, то получится уже озон O₃.

Явление образования множества химических веществ из одного химического элемента называется аллотропией, а эти вещества — аллотропными модификациями. Самый известный пример, иллюстрирующий это явление — углерод. Этот элемент может принимать форму не только «беспорядочного» угля и уложенного в слои графита, но и графена, нанотрубок и фуллеренов, похожих на футбольные мячи.

Аллотропия позволяет сильно увеличить количество доступных человеку соединений. Многие модификации углерода сегодня используются в исследованиях для создания сенсоров, средств адресной доставки лекарств, а также упрочнения существующих конструкционных материалов.

Этот минерал отлично знаком всем детям и взрослым, которые хоть раз держали в руках карандаш. Графит оставляет след, пачкает руки, если его потрогать, и имеет серо-черную окраску. Кроме того, эта аллотропная модификация углерода хорошо проводит электричество и тепло, обладает жирной текстурой, которая позволяет графиту не растворяться в воде, и теплоустойчивостью. В промышленности его чаще всего используют для создания электродов, тиглей, огнестойких сосудов, огнеупорного кирпича, антикоррозионных красок и полировальных средств. Производят графит в основном в Китае, а в природе он встречает в графитовых или кристаллических сланцах.

Известный драгоценный камень, который по совместительству является аллотропной модификацией углерода. Среди всех минералов алмаз – самый твердый и при этом очень хрупкий. Выглядит он как кристалл с восемью или шестью гранями. В отличие от предыдущей модификации, алмаз совсем не проводит электричество, однако хорошо справляется с такой задачей для тепла. Добывают алмазы чаще всего в первичных кимберлитовых и россыпных месторождениях – такие обычно образовываются вследствие переноса. Многие знают, что после обработки алмазы становятся бриллиантами, однако этого достигают только высококачественные камни. Варианты низкого качества или синтетические кристаллы используются в качестве промышленного сырья. Например, из них делают лезвия, сверла и абразивы, медицинское и научное оборудование.

Фуллерены ученые открыли совсем недавно. Встречаются в природе они гораздо реже, чем те аллотропные модификации углерода, о которых мы рассказали до этого. На вид фуллерены – коричневые или черные полупрозрачные твердые вещества, обладающие металлическим блеском. По структуре и форме они могут быть разными: более и менее прочными, многослойными или цилиндрическими. Их молекулы не могут растворяться в воде и не имеют химической активности, обладают полупроводниковыми и сверхпроводящими свойствами. Добывают фуллерены их сажи, а используют в электронной, оптической, биомедицинской и нанотехнологической промышленности.

Еще одна аллотропная модификация углерода, о которой наука узнала не так давно. На вид графен – плоская структура из отдельных атомов углерода, которые располагаются по принципу сот. Толщина графена – всего один атом, при этом он очень твердый и устойчивый к растяжению. Материал хорошо проводит как тепло, так и электричество, обладает прозрачностью и очень большой скоростью потока электронов. В промышленности его используют для производства быстродействующих транзисторов, спиральных сенсорных дисплеев или фотоэлектрических модулей с батареями для хранения энергии. Часто графен добывают с помощью осаждения из газовой фазы и термического разложения карбида кремния.

Наконец, самая «юная» аллотропная модификация углерода – циклоуглерод. На вид это кольцо из 18 атомов углерода, между которыми чередуются одинарные и тройные связи. Ученые пока что не установили точные свойства циклоуглерода, но некоторые исследования показали, что он является полупроводником. Предполагается, что в будущем эту модификацию смогут использовать для миниатюризации электронных устройств.