Ile jest chemii w ołówku…?

Co chemik może powiedzieć ciekawego o ołówku? Na pozór wydawałoby się, że niewiele. Ot pospolity ołówek, pospolity i taki zwyczajny. Ale zastanówmy się, już sama nazwa naprowadza nas na chemiczne tropy. Ołówek bierze swą nazwę od ołowiu, jednego z bardziej powszednich pierwiastków. Od łacińskiej nazwy plumbum oznacza się go symbolem Pb. Ołów jest ciałem stałym zaliczanym do metali ciężkich. Dosłownie ciężkich, ponieważ należy do jednych z cięższych pierwiastków. Kostka ołowiu wielkości litrowego kartonu mleka (ważącego ok. 1 kg) ważyłaby ponad 11 kg! Powiedzenie „ciężki jak ołów” jest uzasadnione, podobnie jak wyrób ołowianych ciężarków dla wędkarzy czy nurków. Dlatego też, jak to pokazują czasem na filmach, oszuści za pomocą sztabek ołowiu pomalowanych złotą farbą imitują sztabki z prawdziwego złota, które również jest metalem ciężkim. Wprawdzie złoto ma gęstość (czy inaczej mówiąc ciężar właściwy) prawie dwa razy większą od ołowiu, ale niedoświadczona osoba łatwo da się zwieść.

Ołów łatwo jest stopić, ponieważ już powyżej 327°C staje się płynny. Wystarczy więc temperatura choćby ogniska, by wykonać ołowiane odlewy. Stąd się wzięły ołowiane figurki (pamiętacie baśń Andersena o ołowianym żołnierzyku?) czy… kule do dawnych pistoletów i muszkietów („poczęstuję cię kilkoma gramami ołowiu!” grożą sobie na westernach rewolwerowcy).
Ołów jest też pierwiastkiem dość miękkim, można go bowiem bez większego problemu zarysować stalową igłą, ale też nim łatwo rysować, na przykład na papierze czy pergaminie. A więc właśnie pręciki ołowiane są pradziadkami dzisiejszych ołówków. Warto wspomnieć, że ołów jest też pierwiastkiem stosunkowo biernym chemicznie, to znaczy nie reaguje łatwo z innymi substancjami, czyli na przykład nie ulega łatwo korozji (potocznie mówiąc „nie rdzewieje”). Te dwie cechy, łatwość w obróbce i odporność chemiczna, sprawiły, że już w Starożytnym Rzymie chętnie go wykorzystywano, m.in. do wytwarzania rur wodociągowych ¹. Jak dziś wiemy, nie był to najlepszy pomysł. Dlaczego? Już wyjaśniam.

Ołów bowiem jest pierwiastkiem bardzo trującym. Wdychanie jego oparów czy wchłonięcie go z pożywieniem prowadzi do uszkodzenia wielu organów oraz układu nerwowego, a w konsekwencji śmierci. Niebezpieczne są także małe dawki, ponieważ ołów akumuluje się w organizmie a skutki jego działania wzmagają się z czasem, powodując chorobę zwaną ołowicą. Toksycznemu działaniu ołowiu przypisuje się wysoką śmiertelność wśród rzymskiej arystokracji (w końcu to ich było stać na luksus ołowianych wodociągów w domach), a szczególnie pań, które rozjaśniały sobie skórę… bielą ołowiową, czyli uwodnionym węglanem ołowiu.
Wracając do bohatera naszych rozważań, trzeba podkreślić, że związki ołowiu z ołówkiem są już historyczne i, jak to niektórzy mają w zwyczaju, można bezpiecznie obgryzać jego końcówkę (do czego jednak nie namawiam) nie obawiając się, że zapadniemy na wspomnianą ołowicę. Co więc się kryje we wnętrzu drewnianego ołówka? Inny pierwiastek, ale już niemetal, a dokładnie węgiel.

Kawałki węgla drzewnego stosują czasem artyści plastycy do szkicowania (osoby obeznane w literaturze skojarzą Sienkiewiczowskie „Szkice węglem”). Ale bryłka czy sztabka węgla jest krucha, i co tu dużo mówić, brudzi dłonie. Dzieciom w szkole pewnie by to nie przeszkadzało (w końcu powiadają, że brudne dziecko to szczęśliwe dziecko), ale ich nauczycielom i rodzicom z pewnością tak. Dlatego wygodne jest opakowanie węgla w drewno, a jeśli użyjemy nie węgla drzewnego a innej postaci węgla, to znaczy grafitu, to już mamy nasz dzisiejszy ołówek. Twardość ołówka ² reguluje się dodatkiem kaolinu, glinki ceramicznej, który jest związkiem wapnia służącym przede wszystkim do wytwarzania ceramiki – od eleganckich filiżanek z chińskiej porcelany po, proszę wybaczyć, muszle klozetowe. W ołówkach mamy więc grafit i kaolin zmieszane w różnych proporcjach, w zależności od pożądanych właściwości.

Jeszcze kilka zdań o tej specyficznej postaci, w jakiej występuje węgiel jaką jest grafit. W graficie atomy węgla łączą się ze sobą tworząc płaskie warstwy złożone z sześciokątnych pierścieni, jak w plastrze miodu. Tych warstw jest bardzo wiele, tworząc coś na kształt wafelka z nadzieniem, mówiąc obrazowo.
Te warstwy dość łatwo się od siebie oddzielają, co sprawia, że grafit jest bardzo miękki, a dzięki temu możemy nim rysować i pisać. Inną niezwykle ciekawą cechą grafitu jest to, że bardzo dobrze przewodzi elektryczność, co jest cechą głownie metali. Elektrony, których przepływ tworzy prąd elektryczny, mogą „przeskakiwać” po powierzchni tych warstw, co nie jest możliwe w innych postaciach, pod jakimi występuje węgiel. Grafit uwielbiają więc elektrochemicy³ , którzy mogą nim zastąpić elementy metalowe, które są w wodzie mniej trwałe, ponieważ mogą korodować. Grafit ma wiele innych ciekawych właściwości (podobnie otrzymywany z niego grafen), ale to dłuższa historia. A tymczasem przyznajcie – sporo chemii może się kryć w takim zwykłym, niepozornym ołówku, czyż nie?

Wojciech Smułek