§ 31. Характеристика углерода и кремния. Аллотропия углерода

Определения и обозначения

Углерод C — химический элемент 14-й группы (IVA), главной подгруппы; порядковый номер 6 означает, что в атоме шесть электронов, из них четыре находятся на внешнем уровне. В соединениях углерод может иметь степени окисления −4, +2 и +4. Положение элемента и число внешних электронов помогают предсказывать, какие связи и соединения он образует.

Кремний Si — элемент 14-й группы, его порядковый номер 14, а распределение электронов по слоям — 2, 8, 4. На внешнем уровне у него тоже четыре электрона; характерны степени окисления −4, +2 и +4, особенно часто встречается +4. Эти сведения объясняют сходство некоторых соединений кремния с соединениями углерода, но не означают полного совпадения их свойств.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Такое различие возникает, когда атомы одного элемента соединяются или располагаются неодинаково. Понятие нужно, чтобы не путать состав вещества с его устройством: один элемент способен образовать несколько веществ.

Алмаз и графит — аллотропные формы углерода, то есть оба простых вещества состоят из атомов C. В алмазе атомы образуют прочную пространственную сеть, а в графите — слои, которые могут сдвигаться. Различия строения помогают объяснить, почему эти вещества при одинаковом составе имеют разные физические свойства.

Как это устроено

Углерод и кремний расположены в одной группе, потому что их внешние электронные слои имеют одинаковое строение: на каждом по четыре электрона. Для завершения внешнего уровня атомам выгодно участвовать в образовании нескольких ковалентных связей — общих электронных пар. Поэтому элементы проявляют сходные степени окисления и образуют некоторые похожие по составу соединения. Однако число электронных слоёв и размеры атомов у них различны, поэтому свойства элементов и их соединений не совпадают.

Прочная ковалентная связь возникает, когда атомы совместно используют электронные пары. Атомы углерода могут связываться не только с другими элементами, но и друг с другом, образуя цепи, кольца и пространственные структуры. Кремний тоже образует связи Si—Si и прочные связи с кислородом, но его атом крупнее, поэтому характер связей между атомами и строение простых веществ отличаются от углеродных. Значит, одинаковое число внешних электронов объясняет некоторые сходства, а размер атома и тип структуры — различия.

В алмазе каждый атом углерода связан прочными ковалентными связями с четырьмя соседними атомами. Так возникает единая пространственная кристаллическая решётка, в которой нет отдельных слоёв, способных легко скользить. Для смещения атомов нужно преодолеть прочные связи, поэтому алмаз чрезвычайно твёрдый. Свет проходит через упорядоченную структуру, и чистый алмаз прозрачен; свободных электронов, которые могли бы переносить заряд, в нём нет, поэтому он не проводит электрический ток.

В графите каждый атом углерода связан с тремя соседями в плоском слое, а слои удерживаются друг возле друга сравнительно слабо. Поэтому они могут смещаться, и графит легко расслаивается: он мягкий и оставляет след на бумаге. Часть электронов в слоях не закреплена за одной связью и может перемещаться вдоль слоя. Такие подвижные электроны переносят заряд, поэтому графит проводит электрический ток.

Алмаз и графит имеют упорядоченные кристаллические структуры, но их атомы соединены по-разному. Аморфный углерод — углерод без упорядоченной кристаллической решётки, характерной для этих двух форм; к нему относят, например, древесный уголь и сажу. Свойства таких материалов зависят от их состава и внутреннего устройства. Следовательно, сходный химический состав сам по себе не гарантирует одинаковых физических свойств.

Сравнение углерода и кремния

Сначала сравните положение элементов и число внешних электронов: это показывает причину сходства их химического поведения. Затем сопоставьте простые вещества и их свойства — здесь важны строение и размер атомов, а не только номер группы. Таблица помогает увидеть общие черты, не забывая о различиях.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Укажите положение углерода и кремния в Периодической системе и число электронов на внешнем уровне каждого атома. Решение. Чтобы ответить, используем номера элементов и расположение в таблице. Номер группы главной подгруппы показывает число внешних электронов.

1. Углерод имеет порядковый номер 6, находится во 2-м периоде и 14-й группе (IVA).
2. Кремний имеет номер 14, находится в 3-м периоде и той же 14-й группе.
3. У обоих элементов на внешнем уровне по четыре электрона, что также видно из распределения электронов: у C — 2, 4, у Si — 2, 8, 4.

Ответ: углерод — 2-й период, 14-я группа; кремний — 3-й период, 14-я группа. На внешнем уровне атома каждого элемента находится четыре электрона.

Задача 2

Условие. Объясните, почему алмаз и графит состоят из одного элемента, но обладают разными физическими свойствами. Решение. Сначала определяем состав: оба вещества состоят из атомов углерода, поэтому это простые вещества одного элемента. Затем сравниваем устройство: у алмаза атомы связаны в объёмную сеть, а у графита собраны в слои.

1. В алмазе прочные связи охватывают кристалл во всех направлениях, поэтому атомы трудно сместить.
2. В графите прочные связи удерживают атомы внутри слоёв, но сами слои легче сдвинуть друг относительно друга.
3. В графите есть подвижные электроны, а в алмазе нет электронов, свободно переносящих заряд.

Ответ: различия обусловлены строением: алмаз твёрдый и не проводит ток, графит мягкий и проводит ток. Разный состав для объяснения не требуется.

Задача 3

Условие. Сравните простые вещества углерод и кремний по строению и свойствам, затем объясните, почему углерод проявляет аллотропию. Решение. Сначала отмечаем сходство: оба элемента образуют ковалентные связи, а их атомы могут соединяться друг с другом. Затем учитываем, что атом углерода меньше атома кремния, а прочность и способы образования связей у этих элементов различаются.

1. Углерод образует несколько простых веществ с разным строением, в частности алмаз и графит.
2. Кремний как простое вещество имеет кристаллическую структуру и по свойствам является полупроводником; свойства углерода зависят от его аллотропной формы.
3. Сопоставляем состав и строение: алмаз и графит состоят из C, но различаются расположением и связями атомов, поэтому являются аллотропными формами.

Ответ: простые вещества углерод и кремний различаются строением и физическими свойствами. Углерод проявляет аллотропию, потому что его атомы способны образовывать несколько устойчивых структур, свойства которых неодинаковы.

Типичные ошибки

• Неверно считать алмаз и графит разными химическими элементами: оба состоят из атомов углерода. Такую ошибку допускают, потому что вещества заметно отличаются внешним видом и твёрдостью. Проверьте себя вопросом «Какие атомы входят в состав?» — в обоих случаях ответ: только C.

• Неверно объяснять свойства алмаза и графита разным составом: состав у них одинаков, а различается строение. Ошибка возникает, если ориентироваться только на наблюдаемые свойства. Чтобы проверить объяснение, сначала сравните формулы веществ, а затем расположение и связи атомов.

• Неверно полагать, что углерод и кремний одинаковы во всём, поскольку стоят в одной группе. Их объединяют четыре внешних электрона, но атомы различаются размером, а простые вещества — строением и свойствами. Проверяйте отдельно сходство строения внешнего слоя и конкретные свойства веществ.

• Неверно называть графитом любое твёрдое вещество углерода: графит — одна определённая аллотропная форма со слоистым строением. Ошибку провоцирует привычное название карандашного стержня, хотя он состоит не только из графита. Уточните строение вещества: если оно не слоистое, называть его графитом нельзя.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, электронных слоях, группах Периодической системы и ковалентной связи. Они помогают связать число внешних электронов с поведением атомов и объяснить образование структур простых веществ. Позже эти представления пригодятся при изучении оксидов углерода и кремния, угольной кислоты и силикатов. Они также помогают понять применение углеродных материалов: например, почему графит подходит для электродов, а твёрдый алмаз используют для обработки материалов.

Что запомнить

• Углерод и кремний находятся в одной группе и имеют по четыре электрона на внешнем уровне.
• Углерод и кремний образуют преимущественно ковалентные соединения.
• Аллотропные формы состоят из атомов одного элемента, но отличаются строением.
• Алмаз и графит — аллотропные формы углерода.
• Алмаз имеет прочную пространственную структуру и не проводит электрический ток.
• В графите атомы расположены слоями; графит мягок и проводит электрический ток.