Аллотропные модификации углерода

Что такое аллотропия? Аллотропия углерода, химия

Аллотропные модификации углерода

Причины многообразия органических соединений – способность атомов углерода образовывать различные цепи и циклы, соединяясь между собой. То есть явление изомерии.

А в чем причина многообразия простых неорганических веществ? Оказывается, на этот вопрос можно ответить, рассмотрев, что такое аллотропия.

Именно с этим природным явлением в мире химических элементов связывают существование разных форм простых соединений.

Что такое аллотропия?

Ответить на этот вопрос можно так. Это явление существования одного и того же химического элемента в виде нескольких простых веществ. То есть если ячеек в таблице Менделеева 118, то это не означает, что и в природе атомов столько же. Каждый из элементов (почти все) имеют по одной или несколько разновидностей, или аллотропных модификаций.

Чем же различаются такие вещества? Причин у рассматриваемого явления основных две:

  • различное число атомов в молекуле (аллотропия состава);
  • неодинаковое строение кристаллической решетки (аллотропия формы).

Часто это понятие сопряжено с термином полиморфизм. Однако между ними есть отличие. Что такое аллотропия? Это видоизменения химического элемента в разные простые вещества, независимо от того, в каком агрегатном состоянии оно находится. В то время как полиморфизм – это понятие, применимое лишь для твердых кристаллических веществ.

Различные аллотропные модификации соединений принято обозначать латинскими буквами перед их названием. Альфа всегда ставится перед той формой, которая имеет минимальную температуру плавления, кипения. Дальше по алфавиту и увеличению показателей соответственно.

Несмотря на то что химический элемент в основе простых веществ один и тот же, свойства модификаций значительно отличаются друг от друга, причем как физические, так и химические. Проще всего формируют аллотропные формы:

  • неметаллы (кроме галогенов и инертных газов);
  • полуметаллы.

Меньше всего изучена аллотропия металлов, так как они подобные модификации образуют неохотно и не все. Всего на сегодняшний день известно более 400 различных форм простых веществ. Чем больше степеней окисления характерно для элемента, тем выше количество известных для него аллотропных видоизменений.

Видоизменения углерода

Аллотропия углерода – это самый распространенный и яркий пример, иллюстрирующий рассматриваемое явление. Ведь именно этот элемент способен формировать несколько разновидностей соединений, различающихся строением кристаллической решетки. При этом образующиеся простые вещества настолько полярны по своим свойствам, что остается только удивляться решениям природы.

Итак, аллотропия углерода включает в себя следующие модификации.

  1. Что такое аллотропия углерода, можно проследить и на следующей его форме, которая кардинально отличается от предыдущей. Это графит. Очень мягкое вещество, способное легко отслаиваться и оставлять характерный след на бумаге. Поэтому его используют для изготовления грифелей простых карандашей. Структура данной формы – гексагональная слоистая. Связи между прослойками слабые, легко рвутся, плотность вещества низкая. Используется графит для получения синтетических алмазов, как твердый смазочный материал, для изготовления электродов, как наполнитель пластмасс, а также в ядерных реакторах.
  2. Фуллерены – еще одно доказательство того, что существует аллотропия. Химия этих соединений схожа с таковой у ароматических углеводородов. Ведь структура их представлена выпуклыми замкнутыми многогранниками, напоминающими футбольный мяч. Применяются фуллерены в технике как полупроводник, для производства сверхпроводящих соединений, как фоторезист и прочее.
  3. Лонсдейлит и церафит – еще две кристаллические аллотропные модификации углерода. Открыты были сравнительно недавно. По свойствам очень схожи с алмазом, при отсутствии примесей способны быть даже в несколько раз тверже.
  4. Уголь и сажа – аморфная аллотропия веществ. Используются в качестве топлива, смазочных материалов, в фильтрах и так далее. По содержанию в природе самые распространенные из всех модификаций углерода.

Алмаз

Самое твердое из всех известных на сегодня веществ, оценивающееся в 10 баллов по шкале Мооса. Кристаллическая форма углерода, структура которой имеет вид правильно соединенных между собой в сеть тетраэдрических образований.

Алмаз способен очень хорошо рассеивать свет, что позволяет использовать его в качестве ювелирного украшения (бриллианты). Благодаря своей чрезвычайной твердости, используется для резки и сварки, бурения, полировки и шлифования. На сегодняшний день налажено производство искусственных алмазов, используемых в промышленности.

Другие разновидности

Также существует еще несколько разновидностей данного элемента:

  • нанотрубки;
  • нанопены;
  • астролены;
  • нановолокна;
  • стеклоуглерод;
  • графены;
  • карбин;
  • нанопочки.

Неподтвержденные, но предполагаемые формы существования простых соединений углерода: чаоит, металлический углерод и диуглерод.

Аллотропия кислорода

Данный неметалл образует два простых вещества:

  • газ кислород (при обычных условиях), формула которого О2;
  • газообразный озон, эмпирическое отражение состава которого О3.

Очевидно, что здесь самая главная причина существования модификаций – состав молекулы. Обычный кислород – основа жизни всех живых существ (за исключением анаэробных бактерий). Он является активным участником газообмена, источником энергии для всех процессов жизнедеятельности. В химическом отношении – окислитель, при помощи которого осуществляется множество реакций.

Озон же образуется в природе или специальных лабораторных установках озонаторах из кислорода воздуха под действием сильного разряда электричества. В естественных условиях – это молния. В низких рассеянных концентрациях имеет приятный запах свежести (после грозы всегда ощущается в воздухе). Является очень сильным окислителем, отбеливателем, химически активен.

Видоизменения фосфора

Аллотропия кислорода схожа с таковой и у фосфора. Он также имеет около 11 различных модификаций, различающихся числом атомов в молекуле, а значит, химической связью и свойствами. Выделяют три устойчивые формы и остальные, в природе практически не встречающиеся и распадающиеся.

  1. Белый фосфор. Формула его Р4. Вещество, напоминающее мягкий парафин белого или слегка желтоватого цвета. Легко плавится, переходя в ядовитый газ.
  2. Красный фосфор – пастообразная масса, имеющая неприятный запах. Формула – Рn. Это полимерная структура.
  3. Черный фосфор – жирная на ощупь масса, которая имеет черный цвет и совершенно не растворяется в воде.

Видоизменения металлов

Что такое аллотропия металлов, можно узнать на примере железа. Оно существует в виде:

  • альфа-;
  • бета-;
  • гамма-;
  • сигма-формы.

Каждая отличается от предыдущей строением кристаллической решетки и, соответственно, свойствами. Например, альфа-форма – ферромагнетична, а бета -парамагнетик.

Вообще, из всех известных металлов аллотропные модификации образуют всего 27 химических элементов.

Аллотропия олова

Интересна тем, что альфа-форма – это серый порошок, который существует лишь при низких температурах. Бета-форма, напротив, металл, серебристо-белый, мягкий и пластичный. Существует при высоких показателях температур – до 161 оС. Одна форма легко переходит в другую в естественных условиях, если будет градусный перепад.

Источник: http://fb.ru/article/185354/chto-takoe-allotropiya-allotropiya-ugleroda-himiya

Аллотропные модификации углерода: названия, физические свойства, характеристики

Аллотропные модификации углерода

Известно ли вам, что один и тот же химический элемент может образовать несколько веществ? Причем свойства этих веществ будут абсолютно разными. Из нашей статьи вы узнаете, сколько аллотропных модификаций имеет углерод, в чем их отличие и какова область применения.

Понятие аллотропии

Начнем с определения понятия. В переводе с греческого языка “аллотропия” означает “другое свойство”. Суть этого явления заключается в том, что один элемент образует несколько простых веществ. Их называют аллотропными формами или модификациями.

Как это возможно? Существует два вида аллотропии: состава и формы. В первом случае она обусловлена разным количественным составом молекул простого вещества. К примеру, при соединении двух атомов оксигена образуется кислород, трех – озон.

При аллотропии формы молекула образована одинаковым количеством атомов. Отличается способ их расположения в кристаллической решетке. Так, в состав молекулы серы входит восемь атомов.

Если они образуют замкнутую кольцевую структуру, получается самая устойчивая модификация – ромбическая сера. Когда циклическая структура приобретает форму короны, формируется моноклинная сера.

А в случае образования полимерных цепочек – пластическая.

Физические свойства аллотропных модификаций углерода, как и других элементов, имеют характерные отличия. К примеру, белый фосфор визуально напоминает воск, а черный – графит. Кислород – это бесцветный прозрачный газ, а озон – голубого цвета с резким запахом. Существенные отличия имеют аллотропные модификации углерода – алмаз и графит.

Свойство аллотропии характерно только для элементов, которые имеют переменное значение степени окисления и способны образовывать цепочки из атомов – гомоцепные структуры.

В нашей статье речь пойдет о химическом элементе, который образует наибольшее количество аллотропных форм. На данный момент их известно более десяти. Углерод – активный элемент.

Разные модификации он может образовывать благодаря наличию четырех свободных связей. Молекулярная формула аллотропных модификаций углерода будет абсолютно одинакова для всех форм – С.

А вот структура кристаллической решетки отличается.

По характеру химической связи различают несколько форм углерода. Примерами тетраэдрической являются алмаз и его гексагональный аналог – лонсдейлит. В кристаллических решетках этих веществ центральный углерод в узлах связан с другими атомами.

Наиболее многочисленными являются тригональные формы. В этом случае углерод образует шестиугольники, слои которых связаны между собой. Примерами таких модификаций являются графит, фуллерены, нанотрубки, стеклоуглерод, графены и другие вещества. В случае образования цепочек углерода формируется линейная аллотропная форма. Ее примером является карбин.

Графит

Мы редко задумываемся, из какого вещества состоит стержень простого карандаша. А ведь это графит – одна из важнейших аллотропных модификаций углерода. Максимальный показатель твердости этого вещества – 2 балла.

Цвет – серый, блеск – металловидный, структура – слоистая. На поверхности оставляет черные черты. К физическим характеристикам также относят хорошую электро- и теплопроводность, стойкость при нагревании в вакууме.

На ощупь графит жирный и скользкий.

Как из одного вещества возможно образование настолько разных веществ? Дело в том, что в графите атомы углерода располагаются слоями. Связи в них очень прочные.

А вот расстояние между слоями гораздо больше. Соответственно, и связи между ними слабые. Каждый раз проводя грифелем простого карандаша по бумаг, мы оставляет на ней графитовый слой.

А вот разрушить такой стержень вдоль оси будет очень сложно.

Эта аллотропная модификация углерода представляет собой монослой графита. Толщина такого слоя – один атом. Основой получения графита является ручное механическое отщепление в лабораторных условиях, что не предполагает широкого производства.

В более крупных масштабах графен получают при нагревании кремниевых пластин. Их верхний слой состоит из карбида кремния.

При действии высоких температур атомы углерода отщепляются и остаются на пластинке в виде графена. А кремний испаряется. Впервые это вещество было получено в 2004 году.

Физик Константин Новоселов со своим учеником Андреем Геймом были удостоены за это открытие Нобелевской премии.

Графен – тонкое и прочное вещество с высокими показателями электропроводности. В настоящее время он широко используется в микроэлектронике и автомобилестроении.

Данная аллотропная модификация углерода представлена трубчатыми микроструктурами. Нитевидные структуры нановолокон образованы большим количеством графеновых слоев. Они располагаются под определенным углом относительно осевого волокна – “елочкой”.

Такая структура и состав обеспечивает нановолокнам исключительные свойства при низкой цене. Это высокие тепло- и электропроводность, механическая прочность, устойчивость к деформации. Нановолокна служат армирующими элементами в композитных материалах и наполнителями резин.

Это вещество в конце 20 века в Манчестере получил нидерландский химик Бернард Редферн. Стеклоуглерод – это аллотропная модификация углерода, сочетающая электропроводность графита и твердость стекла.

В условиях вакуума он не разрушается даже при температуре в несколько тысяч градусов. А вот на воздухе плавится уже при 500 °С. Еще одна характерная черта – устойчивость к коррозии при действии щелочей и кислот.

Применяют стеклоуглерод для изготовления электродов и тиглей.

Данная модификация является примером линейной формы аллотропии. Карбин состоит из углеродных цепочек с одинарными, двойными или тройными связями между атомами. Такие линейные структуры могут превращаться в циклические.

По физическим свойствам карбин – черный порошок, состоящий из мелких кристаллов. Он является полупроводником. Причем это свойство усиливается под воздействием света, что обусловливает использование карбина в фотоэлементах.

Еще одно удивительное качество этого вещества – совместимость с тканями человеческого организма. Поэтому карбин применяют еще и в медицине для изготовления искусственных кровеносных сосудов.

Итак, углерод – это вещество, которое образует несколько простых веществ – аллотропных модификаций. Они обусловлены различным расположением атомов в кристаллической решетке. Аллотропные формы углерода обладают широким спектром физических свойств, многие из них имеют практическое значение и широко используются в разных отраслях человеческой деятельности.

Источник: https://www.navolne.life/post/allotropnyie-modifikatsii-ugleroda-nazvaniya-fizicheskie-svoystva-harakteristiki

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

    ×
    Рекомендуем посмотреть