Аллотропні модифікації вуглецю: назви, фізичні властивості, характеристики

Аллотропні модифікації вуглецю: назви, фізичні властивості, характеристики

Чи відомо вам, що один і той же хімічний елемент може утворити кілька речовин? Причому властивості цих речовин будуть абсолютно різними. З нашої статті ви дізнаєтеся, скільки алотропних модифікацій має вуглець, у чому їх відмінність і яка область застосування.

Поняття аллотропії

Почнемо з визначення поняття. У перекладі з грецької мови "" аллотропія "" означає "інша властивість" ". Суть цього явища полягає в тому, що один елемент утворює кілька простих речовин. Їх називають аллотропними формами або модифікаціями.

Як це можливо? Існує два види аллотропії: складу та форми. У першому випадку вона обумовлена різним кількісним складом молекул простої речовини. Наприклад, при з 'єднанні двох атомів оксигена утворюється кисень, трьох - озон.

При аллотропії форми молекула утворена однаковою кількістю атомів. Відрізняється спосіб їх розташування в кристалічній решітці. Так, до складу молекули сірки входить вісім атомів. Якщо вони утворюють замкнуту кільцеву структуру, виходить найсталіша модифікація - ромбічна сірка. Коли циклічна структура набуває форми корони, формується моноклінна сірка. А в разі утворення полімерних ланцюжків - пластичний.

Фізичні властивості аллотропних модифікацій вуглецю, як і інших елементів, мають характерні відмінності. Наприклад, білий фосфор візуально нагадує віск, а чорний - графіт. Кисень - це безбарвний прозорий газ, а озон - блакитного кольору з різким запахом. Суттєві відмінності мають аллотропні модифікації вуглецю - алмаз і графіт.

Властивість аллотропії характерна тільки для елементів, які мають змінне значення ступеня окислення і здатні утворювати ланцюжки з атомів - гомоточні структури.

Скільки алотропних модифікацій має вуглець

У нашій статті йтиметься про хімічний елемент, який утворює найбільшу кількість аллотропних форм. На даний момент їх відомо більше десяти. Вуглець - це активний елемент. Різні модифікації він може утворювати завдяки наявності чотирьох вільних зв 'язків. Молекулярна формула аллотропних модифікацій вуглецю буде абсолютно однакова для всіх форм - С. А ось структура кристалічної решітки відрізняється.

За характером хімічного зв 'язку розрізняють кілька форм вуглецю. Прикладами тетраедричної є алмаз і його гексагональний аналог - лонсдейліт. У кристалічних решітках цих речовин центральний вуглець у вузлах пов 'язаний з іншими атомами.

Найбільш численними є тригональні форми. У цьому випадку вуглець утворює шестикутники, шари яких пов 'язані між собою. Прикладами таких модифікацій є графіт, фулерени, нанотрубки, скловуглець, графени та інші речовини. У разі утворення ланцюжків вуглецю формується лінійна аллотропна форма. Її прикладом є карбін.

Алмаз

Почнемо характеристику аллотропних модифікацій вуглецю з самої твердої речовини за шкалою Мооса. Алмаз отримав у ній найвищу оцінку - 10 балів. Ця речовина ріже скло. Близький за твердістю до алмазу тільки штучно створений матеріал ельбор. У природних умовах речовини з подібними властивостями не знайдено. Оцінку дев 'ять балів за цією шкалою по праву заслужив корунд, який дряпає скло. А заслужену вісімку отримує топаз, який легко піддається обробці алмазом.

Крім твердості, до характеристик алмазу можна віднести найвищі показники теплопровідності, зносостійкості на стирання і модуля пружності. Такі унікальні властивості пояснюються особливою структурою кристалічної решітки. Кожен атом вуглецю в ній пов 'язаний з чотирма іншими за допомогою ковалентних зв' язків. Відстань між усіма атомами однакова, тому зв 'язки міцні в усіх напрямках.

Якщо алмаз без доступу повітря нагріти до 1000 градусів, то він поступово перетвориться на графіт. Існує і зворотний процес. З графіту можна отримати штучні алмази, якщо розігріти його до температури понад 1200 градусів під високим тиском у присутності каталізатора.

Ще однією унікальною властивістю алмазів є їх здатність до люмінесценції. При дії випромінювання алмази починають світитися різними кольорами. Така гра світла, хороший показник заломлення і прозорість роблять цей дорогоцінний камінь одним з найдорожчих. Причому необроблений алмаз не володіє такими якостями. Здатність до багаторазового відбиття йому надає огранювання, після якого алмаз називають діамантом.

Лонсдейліт

Погодьтеся, з усіх назв аллотропних модифікацій вуглецю це є найбільш химерним. Лонсдейліт отримав назву на честь британського кристалографа Кетлін Лонсдей. Його ще називають гексагональним алмазом. Перший вдалий синтез даної модифікації з графіту був вироблений ще в 1966 році. Водночас лонсдейліт виявили в кратерах метеоритів. Пізніше вчені зуміли отримати цю речовину з традиційного кубічного алмазу.

Елементарна комірка лонсдейліту складається з чотирьох атомів вуглецю з двошаровою упаковкою. У той час як у звичайного алмаза їх вісім, а упаковка - тришарового типу.

Лонсдейліт - коричнево-жовтий прозорий металоїд з алмазним блиском. Його твердість максимально досягає 8 одиниць по Моосу. Кристали лонсдейліту видно тільки під мікроскопом. Широкого практичного застосування ця речовина поки не отримала через трудомісткість її отримання.

Графіт

Ми рідко замислюємося, з якої речовини складається стрижень простого олівця. Адже це графіт - одна з найважливіших аллотропних модифікацій вуглецю. Максимальний показник твердості цієї речовини - 2 бали. Колір - сірий, блиск - металоподібний, структура - шару. На поверхні залишає чорні риси. До фізичних характеристик також відносять хорошу електро- і теплопровідність, стійкість при нагріванні у вакуумі. На дотик графіт жирний і слизький.

Як з однієї речовини можливо утворення настільки різних речовин? Справа в тому, що в графіті атоми вуглецю розташовуються шарами. Зв 'язки в них дуже міцні. А ось відстань між шарами набагато більша. Відповідно, і зв 'язки між ними слабкі. Щоразу проводячи грифелем простого олівця за паперами, ми залишає на ній графітовий шар. А ось зруйнувати такий стрижень уздовж осі буде дуже складно.

Графени

Ця аллотропна модифікація вуглецю являє собою монослою графіту. Товщина такого шару - один атом. Основою отримання графіту є ручне механічне відщеплення в лабораторних умовах, що не передбачає широкого виробництва.

У більш великих масштабах графен отримують при нагріванні кремнієвих пластин. Їхній верхній шар складається з карбиду кремнію. При дії високих температур атоми вуглецю відщеплюються і залишаються на платівці у вигляді графена. А кремній випаровується. Вперше цю речовину було отримано в 2004 році. Фізик Костянтин Новоселов зі своїм учнем Андрієм Геймом були удостоєні за це відкриття Нобелівської премії.

Графен - тонка і міцна речовина з високими показниками електропровідності. В даний час він широко використовується в мікроелектроніці та автомобілебудуванні.

Нановолокна

Дана аллотропна модифікація вуглецю представлена трубчастими мікроструктурами. Нитевидні структури нановолокон утворені великою кількістю графенових шарів. Вони розташовуються під певним кутом відносно осьового волокна - "ялинкою" ".

Така структура і склад забезпечує нановолокнам виняткові властивості при низькій ціні. Це високі тепло- і електропровідність, механічна міцність, стійкість до деформації. Нановолокна служать армуючими елементами в композитних матеріалах і наповнювачами гумів.

Скловуглець

Цю речовину наприкінці 20 століття в Манчестері отримав нідерландський хімік Бернард Редферн. Скловуглець - це аллотропна модифікація вуглецю, що поєднує електропровідність графіту і твердість скла. В умовах вакууму він не руйнується навіть при температурі в кілька тисяч градусів. А ось на повітрі плавиться вже при 500 ° С. Ще одна характерна риса - стійкість до корозії при дії лужів і кислот. Застосовують скловуглець для виготовлення електродів і тиглів.

Карбін

Ця модифікація є прикладом лінійної форми аллотропії. Карбін складається з вуглецевих ланцюжків з одинарними, подвійними або потрійними зв 'язками між атомами. Такі лінійні структури можуть перетворюватися на циклічні.

За фізичними властивостями карбин - чорний порошок, що складається з дрібних кристалів. Він є напівпровідником. Причому ця властивість посилюється під впливом світла, що обумовлює використання карбіну у фотоелементах.

Ще одна дивовижна якість цієї речовини - сумісність з тканинами людського організму. Тому карбин застосовують ще й у медицині для виготовлення штучних кровоносних судин.

Отже, вуглець - це речовина, яка утворює декілька простих речовин - аллотропних модифікацій. Вони обумовлені різним розташуванням атомів у кристалічній решітці. Алотропні форми вуглецю мають широкий спектр фізичних властивостей, багато з них мають практичне значення і широко використовуються в різних галузях людської діяльності.