Ο άνθρακας 🖤

Τη φράση «άνθρακες ο θησαυρός» τη χρησιμοποιούμε για να δηλώσουμε ότι ατυχήσαμε: ενώ περιμέναμε κάτι σπουδαίο, βρεθήκαμε μπροστά σε κάτι χωρίς αξία. Όμως δεν θα ήταν και άσχημα αν βρισκόμασταν μπροστά σε ένα ιδιαίτερο είδος άνθρακα — τα διαμάντια. Άνθρακας είναι και αυτά.

1. Γενικά

Ο άνθρακας είναι το πρώτο στοιχείο της 14ης ομάδας του περιοδικού πίνακα. Στη φύση βρίσκεται:

• Ελεύθερος, με τη μορφή των γαιανθράκων, του διαμαντιού και του γραφίτη (φυσικοί άνθρακες).
• Με τη μορφή ενώσεων, κυρίως ανθρακικών αλάτων, όπως το ανθρακικό ασβέστιο $CaCO_3$, και οξειδίων του άνθρακα, όπως το μονοξείδιο $CO$ και το διοξείδιο του άνθρακα $CO_2$.

Με τη μορφή ενώσεων (αμινοξέα, πρωτεΐνες, υδατάνθρακες, λιπίδια, DNA, RNA) τον συναντάμε επίσης στους οργανισμούς και στα προϊόντα της αποσύνθεσής τους, όπως το πετρέλαιο, το φυσικό αέριο και το βιοαέριο.

2. Φυσικοί άνθρακες

2.1 Διαμάντι – γραφίτης

Τα διαμάντια είναι καθαρές μορφές άνθρακα που χρησιμοποιούνται ως πολύτιμοι λίθοι στην κατασκευή κοσμημάτων, στο κόψιμο του γυαλιού και στο τρύπημα σκληρών πετρωμάτων, λόγω της μεγάλης σκληρότητάς τους (10 στην κλίμακα σκληρότητας Mohs). Στο διαμάντι κάθε άτομο άνθρακα συνδέεται με τέσσερα γειτονικά άτομα άνθρακα.

Ο γραφίτης, σε αντίθεση με το διαμάντι, είναι πολύ μαλακός (0,5-1,5 της κλίμακας Mohs) και καλός αγωγός του ηλεκτρισμού και της θερμότητας. Χρησιμοποιείται για την κατασκευή ηλεκτροδίων και μολυβιών, καθώς και στους πυρηνικούς αντιδραστήρες. Στο γραφίτη τα άτομα άνθρακα σχηματίζουν κανονικά εξάγωνα, διαταγμένα σε στρώσεις.

Οι διαφορές που εμφανίζουν το διαμάντι και ο γραφίτης οφείλονται στον διαφορετικό τρόπο με τον οποίο συνδέονται τα άτομα άνθρακα μεταξύ τους.

2.2 Γαιάνθρακες

Οι γαιάνθρακες σχηματίστηκαν στο εσωτερικό της Γης πριν από εκατομμύρια χρόνια από φυτική ύλη που καταπλακώθηκε από χώματα και τελικά απανθρακώθηκε, με την επίδραση υψηλών θερμοκρασιών και πιέσεων χωρίς την παρουσία αέρα. Ανάλογα με τη γεωλογική περίοδο που άρχισε η απανθράκωση, οι γαιάνθρακες διακρίνονται σε τέσσερα είδη. Κάθε είδος έχει διαφορετική περιεκτικότητα σε καθαρό άνθρακα και επομένως διαφορετική θερμαντική αξία.

3. Τεχνητοί άνθρακες

Για την κάλυψη των αναγκών της βιομηχανίας παρασκευάζονται διάφοροι τεχνητοί άνθρακες με ειδικές ιδιότητες. Σε αυτούς ανήκουν:

• Το κοκ, που χρησιμοποιείται στη μεταλλουργία.
• Ο ξυλάνθρακας (κν. ξυλοκάρβουνα), που χρησιμοποιείται ως καύσιμο.
• Ο ενεργός άνθρακας, που παράγεται κατά την απανθράκωση σκληρών ξύλων και εμφανίζει μεγάλη προσροφητική ικανότητα. Χρησιμοποιείται στη βιομηχανία της ζάχαρης για την απομάκρυνση των έγχρωμων προσμείξεων, στην επεξεργασία του πόσιμου νερού, στην κατασκευή φίλτρων για αντιασφυξιογόνες μάσκες που προστατεύουν από δηλητηριώδη αέρια και στις φριτέζες για τη συγκράτηση των δυσάρεστων οσμών.
• Ο ζωικός άνθρακας, που παράγεται κατά την απανθράκωση ζωικών απορριμμάτων, όπως κόκαλα, αίμα κτλ., και εμφανίζει μεγάλη προσροφητική ικανότητα.
• Η αιθάλη (κν. φούμο), που χρησιμοποιείται στην παρασκευή μελάνης, χρωμάτων κ.ά.

4. Το διοξείδιο του άνθρακα

Ο ατμοσφαιρικός αέρας περιέχει $CO_2$ σε ποσοστό 3-4%, ποσοστό που αυξάνεται λόγω της ανθρώπινης δραστηριότητας. Το $CO_2$ είναι απαραίτητο στα φυτά για τη φωτοσύνθεση, ευθύνεται όμως και για την υπερθέρμανση του πλανήτη, επειδή είναι αέριο του θερμοκηπίου.

Χρησιμοποιείται στα αναψυκτικά με ανθρακικό και στους απλούς πυροσβεστήρες. Όταν «εκτοξεύεται» στη φωτιά, «σκεπάζει» το αντικείμενο που καίγεται, γιατί έχει μεγαλύτερη πυκνότητα από τον αέρα και δεν το αφήνει να έρχεται σε επαφή με το οξυγόνο, με αποτέλεσμα η φωτιά να σβήνει. Το στερεό διοξείδιο του άνθρακα ονομάζεται «ξηρός πάγος» και χρησιμοποιείται για την κατάψυξη παγωτών και τροφίμων, γιατί με αυτό επιτυγχάνονται πολύ χαμηλές θερμοκρασίες.

5. Ανθρακικά άλατα

Ανθρακικά ονομάζονται τα άλατα που περιέχουν ως ανιόν το ανθρακικό ανιόν $CO_3^{2-}$. Τα σπουδαιότερα ανθρακικά άλατα είναι:

• Το ανθρακικό ασβέστιο $CaCO_3$, το οποίο απαντάται στον ασβεστόλιθο και στο μάρμαρο.
• Το ανθρακικό νάτριο $Na_2CO_3$, δηλαδή η σόδα πλυσίματος.

Τα ανθρακικά άλατα αντιδρούν με τα διαλύματα των οξέων, παράγοντας διοξείδιο του άνθρακα. Επίσης διοξείδιο του άνθρακα παράγεται κατά τη θέρμανση ορισμένων ανθρακικών αλάτων, όπως το ανθρακικό ασβέστιο, από το οποίο αποτελούνται οι ασβεστόλιθοι. Όταν οι ασβεστόλιθοι θερμαίνονται σε υψηλή θερμοκρασία, το ανθρακικό ασβέστιο διασπάται και παράγεται ο ασβέστης $CaO$:

6. Τσιμέντο και σκυρόδεμα

Κονιάματα ονομάζονται τα μείγματα που χρησιμοποιούνται στις οικοδομές για τη σύνδεση των οικοδομικών υλικών (πέτρες, τούβλα κτλ.). Τα κονιάματα που σκληραίνουν με την επίδραση του αέρα ονομάζονται αεροπαγή, ενώ αυτά που σκληραίνουν με την επίδραση του νερού ονομάζονται υδατοπαγή.

Το απλούστερο αεροπαγές κονίαμα είναι η λάσπη των οικοδομών, η οποία είναι μείγμα από ασβέστη, άμμο και νερό. Με την επίδραση του διοξειδίου του άνθρακα της ατμόσφαιρας σχηματίζεται ανθρακικό ασβέστιο, το οποίο αποτελεί τη συνδετική ύλη των οικοδομικών υλικών, και συγχρόνως αποβάλλεται νερό:

Το τσιμέντο ανήκει στα υδατοπαγή κονιάματα. Ως πρώτες ύλες για την παρασκευή τσιμέντου χρησιμοποιούνται ασβεστόλιθοι σε ποσοστό 75% και αργιλοπυριτικά υλικά σε ποσοστό 25%. Το τσιμέντο σπάνια χρησιμοποιείται μόνο του: συνήθως αναμειγνύεται με χαλίκια (σκύρα) και νερό. Το μείγμα που προκύπτει ονομάζεται σκυρόδεμα (béton). Η αντοχή του σκυροδέματος αυξάνεται όταν μέσα σε αυτό τοποθετηθούν σιδηρόβεργες, οπότε προκύπτει το οπλισμένο σκυρόδεμα (béton armé).

7. Φουλερένια και νανοσωλήνες

Το 1985 ανακοινώθηκε μια νέα μορφή άνθρακα, η οποία παρασκευάστηκε τυχαία ως παραπροϊόν μιας εξάχνωσης γραφίτη σε ειδικές συνθήκες. Αυτή η μορφή έχει τον τύπο $C_{60}$ και ονομάστηκε buckminster fullerene (μπακμινστερφουλερένιο) προς τιμή του αρχιτέκτονα Buckminster Fuller, που είχε δημιουργήσει μια κατασκευή με ανάλογη δομή — μοιάζει με μπάλα ποδοσφαίρου.

Αργότερα παρασκευάστηκαν και άλλα μόρια με μεγαλύτερο αριθμό ατόμων, π.χ. $C_{70}$, τα οποία ονομάζονται γενικώς φουλερένια. Πρόσφατα παρασκευάστηκαν πολύ μεγαλύτερα μόρια, π.χ. $C_{400}$, τα οποία έχουν σημαντικές τεχνολογικές εφαρμογές, όπως η παραγωγή υπεραγώγιμου υλικού, π.χ. $Rb_3C_{60}$, και νανοσωλήνων, οι οποίοι χρησιμοποιούνται με τη σειρά τους για την παραγωγή ινών υψηλής αντοχής.