Знаете ли вы, что в свободном состоянии углерод известен как алмаз, графит и уголь? Да-да, не удивляйтесь! Это три совершенно не похожих друг на друга вещества, но всё это углерод. Просто этот химический элемент имеет множество аллотропных модификаций (разновидности одного и того же химического элемента, разные по свойствам из-за того, что одинаковые атомы уложены по-разному). Уникальность атомов углерода в том, что они могут образовывать между собой разнообразные по форме кристаллические связи.

Углерод – химический элемент, занимающий шестое место в периодической таблице Менделеева. По своим свойствам он является уникальным и необычным веществом. Прежде всего углерод встречается в природе в виде простого вещества (то есть, состоит исключительно из атомов одного химического элемента) или, иначе говоря, в свободном состоянии.

Например, алмаз имеет объёмную тетраэдрическую структуру, где каждый атом углерода окружён четырьмя такими же атомами, то есть, они образуют правильную четырёхгранную пирамиду. Красота и симметрия алмазной структуры объясняются тем, что атом углерода в алмазе проявляет валентность равную IV (четырём), то есть каждый атом углерода должен образовать химическую связь с другими четырьмя атомами.

Очень прочные химические связи между атомами углерода объясняют его необычайную твёрдость. Твёрже природа ещё не создавала. Чтобы понять, как устроена алмазная кристаллическая решётка, приведём наглядный пример.

Представьте себе инопланетных воинов, которые имеют круглое тело и четыре руки. К тому же, эти руки одинаковой длины и силы, и расположены они на теле равномерно и симметрично. А теперь представим, что эти воины сцепили свои руки, причём один воин крепко держит каждой рукой за руки других четырёх воинов. При таком построении каждый воин окажется в центре воображаемого куба, в окружении четырёх боевых товарищей. Расстояния между воинами настолько малы, что не дают никаких шансов пробиться вражеским лазутчикам. Это монолитная армия, в которой все солдаты одинаково сильны и выстроены в максимально плотный объёмный строй. В таком строе нет слабого звена и в нём невозможно пробить брешь.

Теперь представим, что каждый воин будет держаться за руки только с тремя воинами, а четвёртую руку оставляет свободной (держит её в резерве). При такой схеме воины могут выстраиваться только в "плоские" по структуре отряды, которые затем располагаются параллельными слоями друг над другом. Получается красивый парадный строй. Связь между воинами внутри одного отряда очень крепка и прочна, а между отрядами, к сожалению, слабая. Поэтому, какой бы многочисленной ни была эта армия, до мощи "алмазной" армии ей никогда не дотянуться. Она будет легко разобщена на отряды, а впоследствии и разбита.

При помощи этой аналогии можно объяснить строение графита. Графит имеет плоскостную многослойную атомную решётку, в которой атомы углерода, лежащие в одном слое (плоскости), прочно связаны с тремя другими атомами в правильные шестиугольники. Но из-за относительно большого расстояния между слоями, связи между ними слабые. Графитовые карандаши потому и рисуют, что один слой атомов легко отслаивается от другого, и вещество оставляет след на бумаге.

Если сравнивать алмаз и графит, то можно наблюдать такой парадокс: алмаз имеет самую высокую твёрдость, равную 10 баллам по шкале Мооса, а графит – самую маленькую, равную 1 баллу, алмаз не проводит ни электрический ток, ни тепло, а графит – отличный проводник тепла и электричества.

Таким образом, мы увидели, что в алмазе и графите атомы углерода занимают строго определённые места. Поэтому их называют кристаллическими модификациями углерода.

А вот если атомы углерода "распихать" бессистемно, беспорядочно и хаотично, то получится уголь или другие вещества, например, кокс, сажа, активированный уголь и др. Такие разновидности углерода называются аморфными модификациями. 

Итак, мы рассмотрели наиболее известные аллотропные модификации углерода – алмаз и графит с упорядоченной (кристаллической) решёткой строения и уголь с беспорядочной (аморфной) решёткой строения. Следует отметить, что все они созданы природой.

За два последних десятилетия фундаментальная наука сделала несколько потрясающих открытий, связанных с новыми аллотропными модификациями углерода. На сегодняшний день углерод имеет более шести аллотропных модификаций, созданных человеком. Рассмотрим самые известные и перспективные.

Фуллерен

Молекула фуллерена похожа на футбольный мяч, оболочка которого сделана из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и состоит из 60 атомов углерода. Это формула самого устойчивого из фуллеренов С₆₀, названного в честь Ричарда Фуллера, автора каркасных сооружений из пятиугольников и шестиугольников.

Открытие фуллеренов, возможно, самое удивительное открытие ХХ века. Группа химиков из Англии и Америки (Гарольд Крото, Ричард Смолли, и Роберт Керл) получила за это открытие в 1996 году Нобелевскую премию. Области применения фуллеренов весьма разнообразны. Так, внутрь "мяча" (молекулы фуллерена) можно поместить, например, витамины, лекарственные препараты, различные газы и даже части генетического кода. То есть, фуллерен можно использовать как "транспортное средство" доставки в клетки человеческого организма необходимых препаратов. Также фуллерен может сыграть роль "санитара" (антиоксиданта), который будет очищать организм от вредных вирусов, микробов или дефектных генов. 

Углеродная нанотрубка

Графен

Графен– это плёнка углерода толщиной в один атом, имеющая строго упорядоченную гексагональную кристаллическую структуру.

Графен – революционный материал XXI столетия. Это самый тонкий, прочный и лёгкий материал во Вселенной. Углеродная пластина графена толщиной в один атом по своим свойствам прочнее алмаза, а электричество проводит в 100 раз лучше, чем кремний, используемый для изготовления компьютерных чипов. Количества материала массой несколько граммов достаточно для того, чтобы покрыть футбольное поле.

Отличительной особенностью графена является потрясающая гибкость − материал можно сгибать, складывать, сворачивать в рулон. Графен был открыт Константином Новосёловым и Андреем Геймом, работающими в Университете Манчестера. За это они были удостоены Нобелевской премии в 2010 году. С графеном пока работают в стенах лаборатории, но скоро он получит и промышленное применение. Он пригодится при создании аккумуляторов для электромобилей, с его помощью можно собирать радиоактивные отходы, наращивать костную ткань и даже нейтрализовывать раковые опухоли.