Otsime seletusi
Teemant, grafiit ja fullereenid koosnevad kõik vaid süsiniku aatomitest. Esimene neist ei juhi elektrit, teine juhib, kolmandad osutuvad koguni ülijuhtideks. Miks nii?
Teemant ja grafiit
Süsinik moodustab mitu lihtainet, mis erinevad üksteisest ehituse ja järelikult ka omaduste poolest.
Nähtust, kus üks ja sama keemiline element moodustab mitu erinevat lihtainet, nimetatakse allotroopiaks.
Allotroobid on alati ühes ja samas olekus. Süsiniku allotroobid on näiteks tahked, hapniku omad aga gaasid (dihapnik ehk tavaline hapnik, trihapnik ehk osoon).
Looduses esineb süsinik põhiliselt kahe allotroobina – teemandi ja grafiidina. Ehkki mõlemas neis esinevad süsiniku aatomite vahel vaid üksiksidemed, on nende ehituses suuri erinevusi.
Teemant
Teemandi kristallis on kõik süsiniku aatomid üksteisest võrdsel kaugusel ja paiknevad tetraeedriliselt. Selline ehitus annab teemandile erakordse kõvaduse ja silmipimestava ilu. Teemant on üldse kõige kõvem looduslik aine.
Teemant on ka väga kõrge sulamistemperatuuriga. Nende omaduste tõttu kasutatakse teemanti puuriotste, klaasilõikamisnugade, treipingi lõiketerade jt kõvadust nõudvate töövahendite valmistamiseks. Teemandipulbriga lihvitakse metalle ja vääriskive, sealhulgas teemanti ennast. Looduslike teemantite varud on piiratud ning seetõttu kasutatakse tänapäeval tehnilistes rakendustes ainult tehisteemante
Mittemetallid teatavasti soojust ei juhi. Teemant on oma erakordselt hea soojusjuhtivusega selles suhtes täielik erand. Ta ületab soojusjuhtivuselt kõiki metalle, isegi hõbedat ja vaske.
Elektrit teemant ei juhi. Enamik looduslikke teemante on värvuseta, ent esineb ka kollaka ja roheka varjundiga näidiseid. Lihvitud teemante nimetatakse briljantideks ning kasutatakse ehetes.
Sulamistemperatuuri 3500 °C juures muutub teemant grafiidiks. Kuumutamisel õhu juurdepääsuta hakkab teemant grafiidiks muutuma juba 1600–1800 °C juures. Grafiit erineb teemandist nagu öö ja päev.
Grafiit
Grafiit on tumehall, väga pehme ja juhib elektrit. Mineraalide kõvadusskaala järgi on grafiit ja talk kõige pehmemad looduslikud ained. Ent kõvadusskaala on suhteline ja näitab vaid seda, et kõvema ainega saab kriimustada pehmemat, mitte vastupidi. Puudutamisel tundub grafiit veidi rasvane ja jätab paberile tumeda jälje. Viimase omaduse tõttu kasutatakse grafiiti pliiatsisüdamike valmistamiseks. Sarnaselt teemandiga on ka grafiit rasksulav aine.
Grafiidi omadused tulenevad tema ehitusest. Nimelt on grafiidil kihiline ehitus, kusjuures kihtidevaheline kaugus ületab süsiniku aatomite vahelise kauguse kihis umbes 2,5 korda. See omakorda põhjustab kihtide suhtelise liikuvuse üksteise suhtes. Grafiidi kasutamine põhineb tema omadustel.
Elektrijuhtivuse tõttu tehakse temast elektroode, rasksulavuse tõttu tiigleid, pehmuse tõttu kuulub ta paljude määrdeainete ja plastide koostisse. Tuumareaktorites kasutatakse grafiiti neutronite aeglustajana.
Tabel 4. Teemandi ja grafiidi võrdlev iseloomustus.
Omadus | Teemant | Grafiit |
Värvus | värvuseta | tumehall |
Kõvadus (suhteline kõvadusskaala) | 10 (väga kõva) | 1 (väga pehme) |
Tihedus (g/cm3) | 3,51 | 2,26 |
Sulamistemperatuur °C | 3500 (muutub grafiidiks) | 3700 (aurustub) |
Elektrijuhtivus | ei juhi | juhib |
Soojusjuhtivus | juhib | juhib |
Täieliku põlemise saadus | CO2 | CO2 |
Fullereenid
Kõigist süsiniku allotroopidest erinevad oma ehituselt täielikult aga fullereenid, mis avastati 1985. a.
Teemandi ja grafiidi kristallides on ehituskivideks süsinikuaatomitest moodustunud tetraeedrid ja kuusnurgad, mille arv kristallis on praktiliselt loendamatu. Fullereeni molekulis on alati kindel arv süsinikuaatomeid.
Fullereeni C60 molekulid on jalgpalli, fullereeni C70 molekulid aga ragbipalli kujulised. Fullereenide ehituses on veel teinegi erinevus. Fullereenide molekulides vahelduvad üksiksidemed kaksiksidemetega. Viimane asjaolu peegeldub ka nende nimetuses -eenid.
Nimetuse esimene pool tuleneb aga Ameerika arhitekti R. Buckminster Fulleri (1895–1983) nimest, kes oma projektides rakendas ohtrasti hulktahukate põhimõtet.
Tahke C60 on sinepivärvi kristallaine. Pimedas on ta vägagi püsiv, ent laguneb õhus ja ultraviolettkiirte mõjul. Suuri lootusi pannakse fullereenide ühendite kasutamisele ülijuhtidena. Fullereenide ühenditel aktiivsete metallidega kaob elektritakistus „kõrgemal” temperatuuril (–255 … –225 °C) kui ühelgi senituntud ainel.
Süsi ja tahm
Söe all mõeldakse enamasti puidusütt, mida saadakse puidu söestamisel ilma õhu juurdepääsuta. Kuid sütt võib saada ka mistahes elusloodusest võetud objekti söestamisel. Süsi on oma poorse ehituse tõttu väga suure pinnaga. Sellega võib ta siduda nii gaase kui ka vees lahustunud aineid.
Et suurendada veelgi söe poorsust ja seega tema võimet siduda mitmesuguseid aineid, juhitakse puidusöest läbi veeauru. Selliselt töödeldud sütt nimetatakse aktiivsöeks. Aktiivsütt kasutatakse gaasimaskides mürgiste gaaside sidumiseks ning suhkru- ja piiritusetööstuses siirupi ja piirituse puhastamiseks. Pulbriks peenestatud aktiivsöest pressitakse tabletid, mis on söetablettidena apteekides müügil. Neid kasutatakse seedehäirete ja toidumürgistuste korral.
Nii nagu süsigi, ei ole tahm omaette allotroop, vaid koosneb tibatillukestest grafiidikristallidest. Tahma tuntuim rakendusala on kummitööstus, sest tahma lisamine kummile tõstab selle elastsust ning kulumiskindlust.
Allotroop | Omadus | Kasutus |
Süsi | ||
Teemant | ||
Grafiit |
Keemilised omadused
Toatemperatuuril on süsinik teiste ainete suhtes passiivne. Kõrgemal temperatuuril süsiniku aktiivsus kasvab ning ta reageerib nii mittemetallide kui ka metallidega.
Reageerimine hapnikuga
Sõltuvalt süsiniku ja hapniku vahekorrast moodustab süsinik kaks oksiidi. Mittetäielikul põlemisel (hapniku puudujäägil) tekib süsinikoksiid:
2C + O2 → 2CO
Süsiniku täieliku põlemise saaduseks on süsinikdioksiid:
C + O2 → CO2
Reageerimine metallioksiididega
Süsiniku keemilistest omadustest leiab kõige enam praktilist rakendamist tema võime redutseerida metallioksiidid vabaks metalliks. Segades vask(II)oksiidi peenestatud söega ja seejärel segu kuumutades, tekib vask:
2CuO + C → 2Cu + CO2↑
Metallurgias täidab koks (peaaegu puhas C) alati kahesugust rolli. Söe põlemisel eraldub palju soojust, mis sulatab rauamaagi. Teisalt aga redutseerib süsinik raua selle maagist:
Fe2O3 + 3C → 2Fe + 3CO↑
Jätame meelde!
- Teemant ja grafiit on süsiniku kristalse ehitusega looduslikud allotroobid.
- Aktiivsüsi seob oma pinnaga gaase ja vees lahustunud aineid.
- Süsinikku kasutatakse metallurgias redutseerijana.
