§ 38. Углерод образует несколько простых веществ и огромное число соединений

Определения и обозначения

Аллотропия — способность одного химического элемента образовывать несколько простых веществ. Эти вещества называют аллотропными модификациями элемента: они состоят из его атомов, но отличаются строением. Понятие помогает не путать разнообразие форм одного элемента с образованием разных элементов.

Алмаз — простое вещество углерода, в котором атомы связаны в прочную пространственную сеть. Такая организация связей делает кристалл очень твёрдым, а отсутствие подвижных носителей заряда связано с тем, что алмаз не проводит электрический ток. Строение помогает объяснить, почему алмаз используют там, где нужны твёрдость и износостойкость.

Графит — другая аллотропная модификация углерода, имеющая слоистое строение. Атомы прочно связаны внутри каждого слоя, а связь между слоями слабее, поэтому они могут скользить друг относительно друга. Электроны, способные перемещаться вдоль слоёв, объясняют электропроводность графита.

Фуллерен — простое вещество углерода, молекулы которого состоят из атомов, образующих замкнутые полые оболочки. Иными словами, атомы соединяются не в бесконечную сеть, а в отдельные замкнутые структуры. Этот пример показывает, что атомы одного элемента могут объединяться не только в слои или пространственные кристаллы.

Как это устроено

Алмаз, графит и фуллерены состоят из атомов одного и того же химического элемента — углерода. Но атомы соединены и расположены по-разному, поэтому возникают разные простые вещества с неодинаковыми свойствами. Значит, химический элемент и простое вещество — не одно и то же: элемент обозначает вид атомов, а вещество — конкретную форму их существования. Различия в строении объясняют, почему один элемент может выглядеть и вести себя по-разному.

В алмазе каждый атом углерода связан с четырьмя соседними атомами. Связи направлены в пространстве так, что получается единая прочная сеть, а не отдельные легко смещаемые слои. Чтобы изменить форму кристалла, нужно нарушить множество этих прочных связей, поэтому алмаз очень твёрдый. Электроны здесь не могут свободно перемещаться по кристаллу, поэтому алмаз не проводит электрический ток.

В графите атомы углерода соединены в плоские слои. Внутри каждого слоя связи прочные, но соседние слои удерживаются слабее, поэтому их можно сдвинуть, не разрушая весь кристалл. Отсюда мягкость графита: его слои легко отделяются и оставляют след, например, на бумаге. Некоторые электроны могут перемещаться вдоль слоёв, переносить заряд и обеспечивать электропроводность.

Углерод образует множество соединений, потому что его атом четырёхвалентен: он может образовывать четыре химические связи. При этом атомы углерода способны соединяться друг с другом, а не только с атомами иных элементов. Так возникают углеродные цепи разной длины, разветвления и кольца. Сочетание таких структур с четырьмя возможными связями у каждого атома создаёт множество вариантов строения.

К углеродным цепям и кольцам могут присоединяться атомы других элементов. Если менять длину и форму цепи, расположение связей и состав присоединённых атомов, получаются вещества с различными составом и свойствами. Поэтому разнообразие соединений углерода связано одновременно с его четырёхвалентностью, способностью образовывать связи с самим собой и возможностью соединяться с другими элементами. Это свойство лежит в основе огромного числа веществ, изучаемых в органической химии.

Аллотропные модификации углерода

Сравнивайте в таблице сначала строение, а затем свойства: так легче увидеть, почему модификации одного элемента ведут себя по-разному. Применения приведены как примеры связи свойств вещества с его использованием. Для фуллеренов области применения зависят от конкретного вещества и продолжают изучаться.

Разбор задач

Задача 1. Установите, какие из перечисленных веществ — алмаз, графит и углекислый газ — являются простыми веществами углерода. Нужно проверить, атомы каких химических элементов входят в состав каждого вещества. Не достаточно того, что вещество содержит углерод: простое вещество должно состоять только из атомов одного элемента.

1. Определим состав алмаза: он состоит только из атомов углерода. Поэтому алмаз является простым веществом углерода.
2. Графит также состоит только из атомов углерода, хотя его строение отличается от строения алмаза. Значит, это ещё одно простое вещество углерода.
3. Углекислый газ содержит атомы углерода и кислорода. В нём два химических элемента, поэтому он является химическим соединением, а не простым веществом.

Ответ: простые вещества углерода — алмаз и графит; углекислый газ — соединение углерода с кислородом.

Задача 2. Объясните, почему алмаз твёрдый, а графит мягкий, хотя оба состоят из атомов углерода. В ответе надо связать каждое свойство с тем, как соединены атомы, а не просто сравнить внешний вид веществ. Удобно отдельно рассмотреть строение алмаза и графита.

1. В алмазе каждый атом связан с четырьмя соседними, и связи образуют прочную сеть во всём кристалле. Чтобы деформировать её, нужно нарушить множество связей, поэтому алмаз твёрдый.
2. В графите атомы прочно связаны внутри отдельных слоёв. Между слоями связи слабее, из-за чего слои могут сдвигаться и отделяться.
3. Сопоставим причины: у алмаза прочна вся пространственная сеть, а у графита легко смещаются слои. Поэтому алмаз твёрдый, а графит мягкий.

Ответ: различие твёрдости объясняется разным строением кристаллов: сетью в алмазе и слабо связанными слоями в графите.

Задача 3. Нарисуйте возможные цепную и разветвлённую схемы соединения пяти атомов углерода, соблюдая валентность углерода. Здесь требуется показать порядок соединения атомов, а не получить формулу конкретного вещества. У каждого атома углерода может быть не более четырёх связей.

1. Для цепи соединим пять атомов последовательно: C–C–C–C–C. У крайних атомов по одной связи с соседями, у трёх средних — по две.
2. Для разветвления выберем один центральный атом и присоединим к нему три атома углерода. К одному из этих трёх атомов добавим пятый, чтобы все пять были соединены в одну структуру.
3. Проверим валентность: у центрального атома в такой схеме три связи, у атома, от которого отходит продолжение, — две, а у остальных — по одной. Ни у одного атома число связей не превышает четырёх; оставшиеся связи могут приходиться на атомы водорода в молекуле.

Ответ: подходят цепь из пяти последовательно соединённых атомов и структура с ветвлением, например центральный атом с тремя углеродными соседями, один из которых соединён ещё с одним атомом. Обе схемы показывают, что одинаковое число атомов углерода можно расположить по-разному, соблюдая валентность.

Типичные ошибки

Ошибка: считать алмаз и графит разными химическими элементами. Их называют разными веществами из-за различий в строении и свойствах, но атомы в обоих случаях принадлежат одному элементу — углероду. Эту ошибку легко допустить, если смешивать понятия «элемент» и «простое вещество». Проверка проста: сравните состав — и алмаз, и графит состоят только из атомов углерода.

Ошибка: объяснять различия между алмазом и графитом только внешним видом. Внешний вид может помочь различить образцы, но не раскрывает причину их свойств. Причина — в устройстве кристаллов: пространственной сети алмаза и слоистой структуре графита. Проверяя объяснение, спросите себя, указано ли, как расположены атомы и связи между ними.

Ошибка: думать, что графит проводит ток из-за присутствия металлических атомов. Графит состоит из атомов углерода, а электропроводность связана с возможностью перемещения некоторых электронов вдоль слоёв. Такое заблуждение возникает, если связывать проводимость исключительно с металлами. Проверьте состав вещества и объясните перенос заряда через его строение, не приписывая графиту металлические атомы.

Ошибка: считать, что углерод образует множество соединений только благодаря связям с другими элементами. Углеродные атомы соединяются также друг с другом, образуя цепи, разветвления и кольца. Если забыть об этой способности, нельзя объяснить большое разнообразие углеродных структур. Проверьте себя: в объяснении должны быть упомянуты и связи C–C, и связи углерода с атомами других элементов.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно различать химический элемент и простое вещество, а также знать, что такое атом и химическая связь. Элемент — вид атомов, а простое вещество образовано атомами одного элемента. Это различие позволяет правильно назвать алмаз и графит простыми веществами углерода, а углекислый газ — соединением.

Представление о валентности помогает описывать, сколько связей может образовать атом. Четырёхвалентность углерода понадобится при составлении формул и объяснении строения органических веществ. Она также помогает проверять, корректно ли изображены связи в цепи или кольце.

Умение представлять углеродные цепи пригодится при изучении органической химии и углеводородов. Разные длина и форма цепей дают разные структуры, а присоединение других атомов ещё больше увеличивает разнообразие. Поэтому строение углеродного скелета становится важным способом сравнивать органические вещества.

Что запомнить

• Алмаз, графит и фуллерен — простые вещества, образованные углеродом.
• Разные простые вещества одного элемента называют его аллотропными модификациями.
• Свойства аллотропных модификаций зависят от строения.
• В алмазе атомы углерода образуют прочную пространственную сеть.
• Графит имеет слоистое строение, проводит электрический ток и легко расслаивается.
• Атом углерода четырёхвалентен.
• Способность атомов углерода соединяться в цепи и кольца объясняет разнообразие его соединений.