Diamant, grillkol och blyerts består av grundämnet kol

Ibland sägs det att en diamant varar för evigt. Det är en anledning till att diamanter är populära i vigselringar. Tyvärr är det inte riktigt sant. En diamant är inte helt stabil. Den kommer långsamt förvandlas till en form av kol som heter grafit. Vi behöver dock inte vara särskilt oroade, ifall vi råkar äga en diamant. Det kommer att ta miljontals år. Däremot kan en diamant faktiskt brinna upp. Diamant består nämligen helt och hållet av atomslaget kol. Andra former av rent kol är grafit, amorft kol och fullerener. Skillnaden mellan de olika formerna är hur kolatomerna är bundna till varandra.

Diamanter är oerhört hårda, men kan brinna upp

Diamanter bildas på stora djup i jordskorpan. Där är trycket och temperaturen så hög att kolinnehållande mineral pressas ihop till diamanter. På några få ställen på jorden har vulkanutbrott gjort att diamanterna nått jordens yta. Ett sådant ställe är Kimberley i Sydafrika. Där har diamanter brutits i över 150 år. Diamanter är oftast genomskinliga och utan färg.

 

Olika ämnen har olika brytningsindex. När en ljusstråle passerar mellan två ämnen med olika brytningsindex kommer den att byta riktning. Om vi ställer en sked i ett glas vatten kommer skeden se böjd ut. Det beror på att vatten och luft har olika brytningsindex.

 

Diamanter har mycket högt brytningsindex. Det gör att ljuset böjs av kraftigt. Genom att slipa diamanten på ett visst sätt kan allt ljus som kommer in i diamanten reflekteras så att det ser ut som att den gnistrar. Sådana slipade diamanter är mycket dyrbara. Vikten av en diamant mäts i karat. En karat väger ett femtedels gram. Ifall det finns föroreningar av andra grundämnen i diamanten kan den få annan färg. En liten förorening av atomslaget bor ger blå diamanter. De är otroligt sällsynta och dyra.

Diamant är ett av de hårdaste material vi känner till. Diamant kan lätt rispa glas. Anledningen till att diamant är så hårt är att kolatomerna sitter ihop i ett tredimensionellt nätverk. Varje kolatom binder till fyra andra kolatomer. För att slipa diamanter krävs därför ett slipmedel som består av diamantkorn. Oftast används konstgjorda diamanter. Dessa görs genom att pressa ihop grafit vid högt tryck och hög temperatur. De första konstgjorda diamanterna tillverkades 1953 i Stockholm. Idag är konstgjorda diamanter så bra att bara experter kan skilja dem från de äkta.

 

Eftersom en diamant består av kol kan den faktiskt brinna upp. År 1772 lyckades den franske kemisten Antoine Lavoisier elda upp en diamant. Med hjälp av ett brännglas koncentrerade han solens strålar för att få tillräckligt hög temperatur. När diamanten brann upp i ren syrgas bildades bara koldioxid.

Grafit leder ström och kan användas i pennor

Grafit är ett annat mineral som bara består av kolatomer. Här binder varje kolatom till tre andra kolatomer. Då bildas skivor som är uppbyggda av platta ringar bestående av sex kolatomer. Sådana kemiska strukturer kallas för aromatiska. Små aromatiska molekyler har ofta en tydlig lukt. Därför döptes de till aromatiska föreningar. I grafit staplas många sådana skivor ovanpå varandra. Skivorna lossnar ganska lätt från varandra. Om du drar en bit grafit mot en ljus yta blir det ett svart streck. Det består av sådana skikt. Blyerts, som finns i blyertspennor, består av en blandning av grafit och lera som hettats upp. När du skriver så gnider du av tunna skikt av grafit. Namnet grafit kommer från ett grekiskt ord som betyder ”att skriva”.

 

Elektronerna i kolatomerna i grafit är ganska lättrörliga. Det gör att grafit leder ström. I mitten av ett enkelt batteri sitter en grafitstav som är kopplad till pluspolen.

 

År 2010 fick två ryska forskare nobelpriset i fysik för att de upptäckt en ny form av kol. De satte fast en bit helt vanlig tejp på en skiva grafit. Sedan ryckte de av tejpen och fick loss ett enda lager. Detta hade aldrig gjorts tidigare. Det nya materialet kallas för grafen. Grafen är ett framtidsmaterial som kommer att användas i många former av elektronik. Det kan till exempel användas för otroligt små ledningar.

 

Kolfiber är ett material som liknar grafit. Det tillverkas genom att plastfibrer hettas upp till hög temperatur utan tillgång till syre. Då förkolnar plastfibern och bildar kolfiber. Kolfiber är lätt och mycket starkt och används som armering i plast. Armeringen gör att plasten blir otroligt stark. Allt från golfklubbor till flygplan kan vara gjorda i kolfiberarmerad plast.

Amorft kol kan användas i grillen och för att binda giftiga ämnen

När vi pratar om kol menar vi oftast vanligt grillkol. Sådant kol brukar kallas för amorft kol. Amorf betyder formlös. Det betyder att kolatomerna i grillkolet inte sitter ihop i någon speciell ordning. Träkol framställs genom att hetta upp ved från lövträd utan tillgång till syre. Förr gjordes detta i kolmilor. I en kolmila staplades ved i en stor hög som tändes på. Högen täcktes med jord, torv och sand så att det bara kom in lagom mycket luft för att elden skulle pyra. Då omvandlades veden till träkol. Träkolet behövdes för att framställa järn. Idag görs grillkol i stora ugnar. Anledningen till att vi använder träkol i grillen är att det snabbt går att få en jämn och fin glöd.

 

Om vi hettar upp finfördelat träkol till 1000 °C utan syre bildas aktivt kol. Det är en form av kol som har mängder av små hålrum. Hålen gör att kolets yta blir otroligt stor. En matsked med aktivt kol kan ha en yta som motsvarar en fotbollsplan. Många kemiska ämnen kan adsorberas på ytan. Adsorption betyder att ett ämne fastnar på en yta. Aktivt kol används i filter till skyddsmasker. Giftiga gaser adsorberas på det aktiva kolet. Det används också vid förgiftningar. Om vi skulle råka få i oss för mycket av ett läkemedel kan vi ta koltabletter som binder upp läkemedlet så att vi inte förgiftas.

Amorft kol har ingen ordnad struktur. Istället består det av många olika kemiska strukturer. Varje kemisk struktur kan ta upp ljus av en viss våglängd. Det gör att ljus av alla våglängder tas upp av kolet. Eftersom inget ljus reflekteras blir en bit kol svart – kolsvart.

Stenkol är en form amorft kol som bildats från växter som levde för miljontals år sedan. Växterna har täckts med sand och omvandlats till sten. Stenkol används som bränsle. Det innehåller omkring 90 % kol. Resten är andra grundämnen.

Fullerener kan ge nya spännande material

År 1985 upptäckte en grupp forskare i Texas ytterligare en form av kol. De hade beskjutit en bit grafit med en stark laser. Då bildades bollar som bestod av precis 60 kolatomer. När bollarna analyserades visade det sig att de var uppbyggda precis som en fotboll. En fotboll består ofta av femhörningar som omges av sexhörningar. Molekylen kallas för C60 eller fotbollsmolekylen. Senare har forskare hittat andra varianter. De kallas med ett gemensamt namn för fullerener. Vissa fullerener har 70 kolatomer och ser ut som amerikanska fotbollar. Andra bildar långa rör. Sådana rör brukar kallas nanorör. Fullerener har använts för att få in läkemedel i kroppen. I framtiden kommer vi säkert hitta ännu fler användningsområden för fullerener.

 

 

Quiz - Diamant, grillkol och blyerts består av grundämnet kol

I detta ämne binder kolatomerna till tre andra kolatomer och bildar platta ringar av sex kolatomer.

Kolatomerna binder till fyra andra kolatomer och bildar i ett tredimensionellt nätverk.

Hur är kolatomerna placerade i grafit?

Vad betyder adsorbtion?

Vad är stenkol?

Varför är diamant så hårt?

Vad mäts i enheten karat?

Vad kallas den form av kol som har otroligt stor yta och kan adsorbera giftiga gaser?

Varför leder grafit ström?

Varför är kol kolsvart?

Uppgifter - Kolets kemi

Förklara och beskriv
  1. Förklara begreppet brytningsindex.

  2. Vad innebär en aromatisk struktur?

  3. Vad är det som händer på molekylnivå när du skriver med en blyertspenna?

  4. Vad är det för skillnad mellan grafit och grafen?

  5. Beskriv skillnaden på kolatomernas ordning i diamant och grillkol.

  6. Hur gick processen till när träkol framställdes i kolmilor?

  7. Förklara skillnaden mellan adsorbera och absorbera.

  8. Förklara hur aktivt kol fungerar.

  9. Vad är det som är så speciellt med fullerener?

Argumentera och resonera
  1. Varför tror du att diamanter så värdefulla?

  2. Hur är det möjligt att en matsked kolpulver kan ha en yta stor som en fotbollsplan? Hur räknas det ut?

Ta reda på
  1. Används fullerener inom något forskningsområde idag?

  2. Ta reda på vad begreppet konfliktdiamanter innebär. 

  3. Ta reda på varför grafen räknas som ett tvådimensionellt material.