Alotropowe odmiany węgla
sadza jako towarWęgiel występuje w następujących odmianach alotropowych: 1. Grafit - ? heksagonalny - ? romboedryczny (trygonalny) - grafitowe wąsy (whiskers) 2. Diament - diament - lonsdaleit (diament heksagonalny) 3. Fulereny - fulereny - nanorurki - nanocebulki 4. Nanopianka 5. Karbiny - chaoit (poliyny) - kumulen - cyklokarbon 6. n-Karbon 7. Karbon IV 8. Odmiany bezpostaciowe (sadza)
Diament ma największą gęstość atomową, w której atomy są niezwykle zwarte wskutek oddziaływania dużych sił między nimi. Sprawia to, że jest on kryształem o twardości 10 w skali Mohsa. Na przykładowo łożyska korundowe po milionie obrotów w 57% nie nadają się do użytku, zaś łożyska diamentowe eksploatowane w tych samych warunkach nie wykazują śladów zużycia po 25 mln obrotów. Do wad diamentu zalicza się jego łatwą łupliwość w płaszczyźnie (111) oraz niską temperaturę przejścia w grafit równą 1800°C. Uporządkowanie atomów węgla w diamencie, każdy atom węgla ma 4 sąsiadów. Odległość między atomami wynosi 0,1544 nm.
Własności diamentu: Twardość: 10000 kg/mm2 (płaszczyzna (111) Wytrzymałość na rozciąganie: >1.2GPa Wytrzymałość na ściskanie: > 110 Gpa Prędkość dźwięku: 18000 m/s, Gęstość: 3.515 g/cm3 ? Moduł Younga 1.02 Gpa Odporny na korozję Biologicznie kompatybilny Przewodnictwo cieplne 20 W/cm K Współczynnik rozszerzalności cieplnej: 0.8*10-6/K . Przenikalność dielektryczna 5.41 Pole przebicia 10000000 V/cm ? Współczynnik załamania światła 2.41 Przezroczysty od głębokiego UV do dalekiej IR
Warstwy grafitu są ze sobą luźno związane za pomocą sił Londona i oddalone o 3,35 ?, dlatego łatwo mogą się od siebie oddzielać. Grafit zastosowano w ołówkach, ponieważ jego warstwy się ścierają i pozostają na porowatym papierze. Używany jest też także do wyrobu elektrod i tygli gdyż jest odporny na wysoką temperaturę. Grafit w skali Mohsa ma posiada twardość 1. Występuje w dwóch odmianach: i. Mają one takie same właściwości fizyczne, różnią się jednak strukturą kryształów.
Grafit syntetyczny to czysta forma ?. W płaszczyźnie warstwy atomy węgla połączone są wiązaniami kowalencyjnymi, a między sobą warstwy grafenowe oddziałują znacznie słabszymi siłami van der Waalsa. Duża anizotropia sił oddziaływania w sieci grafitowej tłumaczy wyjątkowo łatwy poślizg warstw grafenowych względem siebie. W 1998 roku w Northeastern University in Boston zostały stworzone grafitowe wąsy (ang. graphite whiskers) . Są to struktury, które podobnie jak nanorurki powstają przez zwinięcie płaszczyzny grafitu, ale w nieco inny sposób. Whiskersy grafitowe o idealnym uporządkowaniu, których budowa przypomina warstwę grafenową zwiniętą w ciasny zwój, mają moduł Younga równy 1000 GPa.
Włókna węglowe (grafitowe) mają dużą wytrzymałość. Ich moduł Younga wynosi 50 GPa, a wytrzymałość na rozerwanie 1,8 GPa. Włókna są zbudowane z warstw grafenowych.
Fulereny można traktować jako zamkniętą dwuwymiarową sieć węglową. Zostały odkryte dopiero w 1985r. W 1990 roku po raz pierwszy otrzymano fulereny syntetycznie. Struktura krystaliczna fulerenów jest odmienna od diamentu i grafitu. W węzłach sieci krystalograficznej znajdują się nie atomy węgla, lecz cząsteczki C60 lub C70. W sieciach krystalicznych diamentu czy grafitu atomy brzegowe są wysycone innymi pierwiastkami najczęściej bardziej reaktywnym wodorem.
Fulereny nie zawierają niewysyconych wiązań. Są jedyną alotropową odmianą węgla występującą w postaci czystej, czyli więc bez domieszki wodoru. Fulereny tworzą kryształy molekularne. Heterofulereny to fulereny, w których nastąpiła częściowa substytucja atomu/-ów/ węgla w strukturze klatkowej C60 przez atomy innych pierwiastków, najczęściej boru i azotu. Nie udało się jednak otrzymać makroskopowych ilości takich heterofulerenów, by umożliwić dokładne zbadanie i weryfikację przewidywanych ich ciekawych właściwości .
