U sadržaju ove nastavne teme naučit ćete više o vrsti kristala građenih od atoma.

ISHODI UČENJA

Usvajanjem sadržaja ove Teme moći ćete odgovoriti na sljedeća pitanja:

• Što su atomski kristali?

• Tko gradi atomske kristale?

• Opiši strukturu atomskih kristala?

• Usporedi fizikalna i kemijska svojstva atomskih kristala na primjerima!

• Navedi područja upotrebe atomskih kristala!

◊ Ako se prisjetimo kovalentne veze i kovalentnih spojeva koje smo obradili u Temi  Kemijske veze  , rekli smo kako kovalentni spojevi tvore atomske i molekulske kristale slično kao što ionski spojevi tvore ionske kristale. Ionske kristale obradili smo paralelno sa ionskim spojevima u već navedenoj Temi, dok je trenutna Tema, skupina kristala kovalentnih tvari, atomski kristali.

Što su atomski kristali?

♦ Sam naziv atomski kristal upućuje nas na to da su strukturne jedinice ovih kristala atomi. Ovu činjenicu izvlačimo iz naziva ovih kristala. Izvan ovoga, iz samog naziva, ništa više ne možemo zaključiti, pa ćemo u nastavku pokušati objasniti o čemu je riječ…

♦ Ako se prisjetimo sadržaja Teme koja nas uvodi u svijet kristala Kristalna struktura krutih tvari, rekli smo da različitu kristalnu strukturu različitih krutina uvjetuje kemijska veza među strukturnim jedinicima (atomima, molekulama, ionima). Ako se prisjetimo karakteristika kovalentne veze, koja nam je konkretno važna za ovu Temu, s obzirom da smo u uvodu rekli da atomske kristale tvore kovalentne tvari, poznato nam je da je riječ o jakoj vezi, stoga bi i kristali kovalentnih tvari, tj. u ovom slučaju atomski kristali, posljedično trebali biti izuzetno čvrsti i stabilni, no vidjet ćemo u nastavku je li to baš tako.

Tko gradi atomske kristale?

U objašnjavanju kovalentne veze, rekli smo da ona nastaje između atoma nemetala. Stoga i atomske kristale grade nemetali.

Koji nemetali grade atomske kristale?

♦ Građevne jedinice atomskih kristala su atomi. Najpoznatiji, i najrašireniji nemetal koji se u prirodi javlja u obliku atoma je ugljik. No, u strukturi atomskog kristala ugljika nemamo samo jedan atom ugljika već stotine, tisuće atoma, međusobno povezanih kovalentnim vezama.

Kakva je struktura atomskih kristala?

Svojstva atomskih kristala

♦ U objašnjavanju ionskih kristala u Temi KEMIJSKE VEZE , kao primjer smo uzeli kristal natrijevog klorida (NaCl), te smo vidjeli da natrijev klorid kristalizira u kubičnom sustavu i da je elementarna ćelija njegove kristalne rešetke plošno centrirana kocka. Nismo navodili da natrijev klorid može imati i kristale koji pripadaju drugom kristalnom sustavu jer u njegovom slučaju postoji samo jedan tip kristala. No, sa atomskim kristalima, konkretno sa kristalima ugljika je drugačija situacija.

♦ Ugljik se može javiti u više različitih strukturnih oblika čija je osnova jednaka, atomi ugljika.

Ova pojava da se jedna ista tvar, točnije kemijski element, javlja u više različitih strukturnih oblika naziva se ALOTROPIJOM, a različiti strukturni oblici kemijskog elementa, nazivaju se ALOTROPSKIM MODIFIKACIJAMA.

♦ Za ugljik je utvrđeno da posjeduje četiri alotropske modifikacije: grafit, dijamant, fuleren i amorfni ugljik. Grafit, dijamant i fuleren su atomski kristali ugljika, dok se amorfni ugljik ne javlja u obliku kristala, već kako i sam naziv upućuje, u obliku amorfne tvari.

♦ Pojmovi grafit i dijamant su nam donekle poznati, s njima smo se imali priliku susresti ili barem čuti o njima, dok je fuleren od ovih alotropskih modifikacija ugljika najnepoznatiji. Sa amorfnim ugljikom se često susrećemo, to je ugljen koji nam služi kao ogrjev i čađa kao njegov nusprodukt,  no o njemu u ovoj Temi neće biti riječi.

U nastavku slijedi objašnjenje strukture poznatijih alotropskih modifikacija ugljika, grafita i dijamanta.

♦ Grafit i dijamant su s obzirom na svoja fizikalna i kemijska svojstva, za koja smo također ranije rekli da su direktna posljedica kristalne strukture krutine, potpuno dva različita svijeta. Jedino zajedničko grafitu i dijamantu su ugljikovi atomi koji su osnova njihove kristalne strukture.

♦ Grafit, njem. graphit = pisati (slika 1.), je kristal tamnosive do crne boje, jako je mekan, te ga koristimo za pisanje i kao mazivo. Poznato nam je i da je dobar vodič. Također, grafit posjeduje svojstvo sublimacije.

♦ Dijamant (slika 2.) je dragocjeni dragi kamen, nije crn već proziran, izuzetno je tvrd, možda i najtvrđa tvar na svijetu, može se koristiti za obrađivanje i rezbarenje drugih materijala. Dijamant ima i jako visoko talište (3547 °C), te je i najbolji električni izolator, iako izuzetno skup, pa ovo njegovo svojstvo ne nailazi na značajnu primjenu.

♦ Ovakva potpuno različita fizikalna svojstva grafita i dijamanta, posljedica su njihove različite kristalne strukture (slika 3. i 4.).

♦ U kristalnoj strukturi grafita (slika 3.) opažamo da su ugljikovi atomi raspoređeni u vrhovima šesterokuta koji predstavlja elementarnu ćeliju prostorne kristalne rešetke grafita.

Grafit kristalizira u heksagonskom kristalnom sustavu.

Sa slikovnog prikaza, također možemo vidjeti da su šesterokuti poredani u ravnim slojevima koji su međusobno paralelni. Svaki atom ugljika povezan je sa 3 susjedna atoma ugljika dakako, kovalentnom vezom. Znamo da su elektroni koji sudjeluju u kemijskom vezanju, elektroni vanjske ljuske, odnosno valentni elektroni. Ugljik ukupno ima 6 elektrona, 2 elektrona se nalaze u prvoj ljusci, a 4 u drugoj ljusci, tj.njegova elektronska konfiguracija glasi: 1s² 2s² 2p² . U vanjskoj ljusci ugljika nalaze se 4 elektrona i oni su ujedno i valentni elektroni. To znači da ugljik može ostvariti četiri kemijske veze sa drugim atomima.

U kristalnoj strukturi grafita, vidimo, da je ugljik ostvario tri od četiri veze sa susjednim atomima, tj. svaki od ugljikovih atoma u kristalnoj strukturi grafita posjeduje po jedan slobodni valentni elektron. Budući da elektronima ne možemo točno odrediti položaj, ovi elektroni kruže nelokalizirano unutar kristala. Te slobodne, nesparene elektrone ugljika nazivamo delokaliziranim elektronima.

S obzirom na ostvarenost samo triju od mogućih četiriju kovalentnih veza, te na postojanje delokaliziranih elektrona, grafit i posjeduje ovakva, prethodno opisana fizikalna svojstva.

Delokalizirani elektroni uvjetuju i njegovu odličnu električnu vodljivost.

Između ravnih i paralelnih slojeva u kristalnoj strukturi grafita prisutne su slabe van der Waalsove privlačne sile, te je grafit mekan materijal i uporabljiv za pisanje i kao mazivo.

♦ Na slici 4. vidimo da dijamant može kristalizirati u dva različita kristalna sustava, kubičnom i heksagonskom kristalnom sustavu.

Sa slikovnog prikaza možemo uočiti da je u kristalnoj strukturi dijamanta, svaki atom ugljika povezan sa 4 susjedna atoma ugljika, što znači da je ugljik ostvario sve 4 moguće kemijske veze, te da nema slobodnih valentnih elektrona, odnosno delokaliziranih elektrona.

Četiri kovalentne veze koje ostvaruje svaki atom ugljika unutar kristala, predstavljaju snažnu, čvrstu i stabilnu strukturu na koju je teško izvana djelovati, stoga dijamant i posjeduje onakva prethodno opisana fizikalna svojstva.

♦ Alotropska modifikacija ugljika, koja se pored grafita i dijamanta javlja u obliku kristala je fuleren (slika 5.). Ova alotropska modifikacija ugljika je otkrivena znatno kasno, 1985. g. (Harold Kroto, James Heath, Sean O’Brien, Robert Curl, Richard Smalley, Rice University, dobitnici Nobelove nagrade, 1996.), iako je oblik današnjeg fulerena bio poznat i u vrijeme velikog Leonarda da Vincija koji ga je naslikao 1506. g.

Ime je fuleren dobio po američkom arhitektu Buckminsteru Fulleru (Buckyju) koji je bio poznat po geodezijskim kupolama, te ujedno i zagovaratelj takvog stila gradnje. Najpoznatija kupola ovog arhitekta je Montrealska biosfera (slika 6.) predstavljena na Svjetskoj izložbi u Montrealu, 1967. g. Iako je Buckminster Fuller umro dvije godine prije otkrića fulerena, znanost je zbog identičnog oblika novog strukturnog oblika i Fullerovih građevina, njemu u čast, dala naziv novotkrivenoj tvari fuleren.

Prema svojim fizikalnim svojstavima, fuleren je daleko sličniji dijamantu nego grafitu, izrazito je tvrd, te ne vodi električnu struju, odnosno izolator je. Boja mu varira s obzirom na broj ugljikovih atoma u strukturi i na strukturni oblik (sferični, cilindrični).

♦ U kristalnoj strukturi fulerena, koja je vrlo slična grafitu s obzirom na vrstu elementarne ćelije koja se ponavlja u kristalu (slika 7. a) i b) ), može se nalaziti od 60 do čak nekoliko stotina ugljikovih atoma koji su raspoređeni u vrhovima šesterokuta i peterokuta, te zbog takve strukture kažemo da ima oblik i izgled nogometne lopte (slika 7. c) ), te ga Englezi nazivaju i Buckyball. U molekuli C60, postoji dvanaest petrokuta i dvadeset šesterokuta. Osim ovakvog sferičnog oblika sa slike 7., fulereni mogu imati i cilindrični, eliptični i mnoge druge oblike.

♦ S obzirom da fuleren nije tako davno otkriven, te da ga na Zemlji imamo vrlo malo, u Svemiru puno više, postoji mnogo nepoznanica o njemu. Međutim, iako smo prethodno rekli da je fuleren poput dijamanta izolator, utvrđeno je da fuleren ipak može provoditi električnu struju.

Naime, ako mu se pri vrlo niskom temperaturama (< – 200 °C) doda malo kalija (K), rubidija (Rb) ili cezija (Cs), postaje vodič bez električnog otpora. Ovakvo svojstvo fulerena naziva se supravodljivošću.

Gdje u prirodi možemo pronaći atomske kristale?

♦ Grafit je na Zemlji daleko rasprostranjenija alotropska modifikacija i atomski kristal ugljika i od dijamanta i svakako od fulerena. Nastaje metamorfozom sedimentnih stijena koji sadrže ugljik organskog porijekla. Možemo ga pronaći i u magmatskim stijenama i u meteoritima. Također, dio je i kristalnih agregata koji predstavljaju nakupine minerala.

♦ Za dijamant smo rekli da može kristalizirati u kubičnom i heksagonskom kristalnom sustavu. Kubični oblik dijamanta je njegov dominantni oblik koji se pojavljuje u vulkanima koja predstavljaju njegova prirodna nalazišta. Heksagonski oblik dijamanta nastaje raspadom meteorita, te je vrlo rijedak, iako se kao ovakav može umjetno sintetizirati, kao uostalom i sve navedene alotropske modifikacije ugljika.

Fulerena nemamo u velikoj količini na Zemlji, njega je od atomskih kristala ugljika najteže pronaći. Može se pojaviti u kraterima vulkana, meteoritima, ali u vrlo malim količinama. Smatra se da ga u većim količinama ima u Svemiru gdje vladaju ekstremniji životni uvjeti koji odgovaraju stvaranju fulerena. Umjetno se sintetizira pri temperaturama od 8000 °C u struji plinovitog helija. Prema ovome, vidimo da je fuleren vrlo teško i umjetno dobiti.

Upotreba atomskih kristala

♦ Za grafit smo u navođenju njegovih fizikalnih svojstava rekli da se upotrebljava za pisanje, dakle za izradu grafitnih olovaka, zatim kao mazivo i kao vodič. Grafitne elektrode su vjerojatno najkorištenije elektrode koje postoje i koje je znanost dosada otkrila. Također, grafit se može upotrebljavati za izradu kalupa za taljenje i lijevanje metala, ali i za njihovu zaštitu od korozije.

♦ Dijamant se najviše upotrebljava kao ukrasni materijal, nakit. Zbog svojih dobrih mehaničkih svojstava i izuzetne tvrdoće može se upotrebljavati za rezanje, brušenje i poliranje drugih materijala.

♦ Fuleren se, kao još uvijek nedovoljno istražen materijal, smatra materijalom budućnosti, posebno važnim u svemirskoj tehnologiji, elektronici i nanotehnologiji.

U nastavku riješi kviz kako bi tvoje učenje bilo potpuno!

Provjeri svoje znanje o atomskim kristalima!

Što čujem zaboravim, što vidim pamtim, što uradim znam!

ATOMSKI KRISTALI

e-učenje kemije