19.2. Строение и свойства простых веществ, образованных углеродом.

Определения и обозначения

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Углерод проявляет аллотропию: его атомы образуют алмаз, графит и фуллерены. Это понятие помогает объяснить, почему один элемент может быть основой и чрезвычайно твёрдого кристалла, и мягкого материала.

Алмаз — простое вещество углерода с пространственной атомной кристаллической решёткой. Каждый атом углерода соединён прочными ковалентными связями с четырьмя соседями. Такое описание строения нужно, чтобы связать свойства алмаза с его устройством, а не только запомнить, что он твёрдый.

Графит — простое вещество углерода со слоистой структурой. Внутри каждого слоя атомы образуют сеть и связаны прочно, а между слоями действуют сравнительно слабые силы. Различие связей внутри и между слоями помогает понять мягкость графита и его способность раскалываться на тонкие частицы.

Фуллерен — простое вещество углерода, состоящее из отдельных молекул-клеток. Атомы в такой молекуле соединены в замкнутую оболочку, обычно напоминающую сферу или вытянутый шар; пример — C₆₀. Понятие молекулярной формы позволяет отличить фуллерены от протяжённых атомных решёток алмаза и графита.

Как это устроено

У атома углерода есть четыре электрона, которые могут участвовать в образовании ковалентных связей. Поэтому он способен соединяться сразу с несколькими соседними атомами, создавая прочные цепочки, слои или объёмные сети. Разные способы соединения и расположения атомов дают разные простые вещества, хотя химический элемент остаётся тем же.

В алмазе связи между атомами направлены в пространстве и продолжаются во всех направлениях. Чтобы сдвинуть или отделить атомы, нужно преодолеть прочные ковалентные связи, поэтому алмаз сопротивляется царапанию и деформации. Электроны углерода участвуют в этих связях и не могут свободно перемещаться по решётке, поэтому алмаз практически не проводит электрический ток.

В графите каждый атом связан с тремя соседями в плоском слое, а связи внутри слоя прочные. Между слоями нет таких же прочных ковалентных связей, поэтому они могут смещаться друг относительно друга; отделившиеся частицы остаются на бумаге и образуют след. Часть электронов способна перемещаться вдоль слоёв, переносить заряд и обеспечивать электропроводность графита.

Фуллерены отличаются тем, что их атомы образуют замкнутые молекулы, а не бесконечную решётку. Оболочка клетки включает пяти- и шестиугольные участки; молекула C₆₀ похожа на полый мяч. Между отдельными молекулами взаимодействие слабее, чем связи внутри них, поэтому свойства фуллеренов нельзя напрямую вывести из свойств алмаза или графита: например, фуллерены обычно мягкие молекулярные твёрдые вещества.

Физические свойства аллотропных форм различаются не из-за разного химического состава, а из-за расположения атомов и характера связей. В алмазе связи создают твёрдую пространственную сеть, в графите — прочные слои, а у фуллеренов атомы собраны в отдельные молекулы. При этом все формы способны вступать в химические реакции, например окисляться кислородом при нагревании; условия и скорость реакции могут различаться из-за строения и поверхности вещества.

Строение и свойства простых веществ, образованных углеродом

Сначала найдите в таблице тип строения, затем сопоставьте его с физическими свойствами. Так можно увидеть, что похожий состав сам по себе не гарантирует одинаковых характеристик. Применение в таблице приведено как типичный пример, а не как единственно возможный вариант.

Разбор задач

Задача 1. Сопоставить алмаз и графит по твёрдости и электропроводности

Условие: нужно объяснить, какой из двух материалов твёрже и какой проводит ток. Рассмотрим не только названия веществ, но и устройство их решёток. Причину каждого свойства выведем из связей и поведения электронов.

1. У алмаза атомы соединены прочными связями в трёхмерную сеть.
2. Для деформации такой сети приходится преодолевать связи во многих направлениях, поэтому алмаз очень твёрдый.
3. У графита прочные связи сосредоточены в слоях, а между слоями взаимодействие слабое; кроме того, в слоях есть подвижные электроны.

Ответ: алмаз твёрже графита и практически не проводит электрический ток. Графит мягче, зато проводит ток благодаря подвижным электронам внутри слоёв. При объяснении важно упомянуть и строение, и электронную подвижность.

Задача 2. Почему графит оставляет след на бумаге, а алмаз — нет?

Условие: объяснить разницу, опираясь на строение веществ. Необходимо выяснить, какие частицы могут отделиться при трении о бумагу. Сравним связи между слоями графита с непрерывной решёткой алмаза.

1. В графите слои связаны друг с другом слабо, поэтому при трении один слой может сдвинуться и частично отделиться.
2. Мелкие частицы графита остаются на бумаге и становятся видимым следом.
3. В алмазе нет слоёв, которые могли бы легко отделяться: прочные связи продолжаются по всему кристаллу.

Ответ: графит оставляет след, потому что его слои легко смещаются и отслаиваются. Алмаз не оставляет такого следа при обычном письме, поскольку его атомы образуют прочную пространственную решётку. Значит, решающее отличие — не прочность связей внутри графита, а слабое взаимодействие между слоями.

Задача 3. Определить аллотропную форму по описанию

Условие: вещество состоит из отдельных замкнутых молекул-клеток, каждая из которых построена из атомов углерода. Нужно назвать форму углерода и предсказать одно свойство. Сначала определим тип структуры, а потом свяжем его с поведением вещества.

1. Слова «отдельные молекулы» указывают не на сплошную атомную решётку, а на молекулярное строение.
2. Замкнутые клетки из атомов углерода характерны для фуллеренов.
3. Между молекулами действуют сравнительно слабые взаимодействия, поэтому фуллерены не обладают твёрдостью алмаза.

Ответ: это фуллерен. Можно предсказать, что он относится к молекулярным веществам и обычно мягче алмаза. При распознавании сначала выделяют признак строения — клетку, слой или пространственную сеть, — а не пытаются угадать вещество только по одному свойству.

Типичные ошибки

Ошибка — считать алмаз и графит разными химическими элементами. Так можно подумать из-за резкого различия их свойств, однако химический элемент определяется видом атомов, а оба вещества состоят из углерода. Проверка: если в составе только атомы C, это простое вещество углерода, а различное строение означает разные аллотропные формы.

Ошибка — объяснять электропроводность графита только наличием слоёв. Слои объясняют, почему графит легко расслаивается, но для переноса электрического заряда нужны подвижные электроны внутри них. Проверка: в объяснении проводимости отдельно укажите, какие частицы перемещаются и в каком направлении.

Ошибка — говорить, что графит мягкий из-за слабых связей между всеми его атомами. Внутри слоёв связи прочные, а слабое взаимодействие возникает между слоями; смешение этих уровней приводит к неверному объяснению. Проверка: разделите описание на связи внутри слоя и взаимодействия между слоями.

Ошибка — переносить свойства одной аллотропной формы на другую. Иногда рассуждают так: раз и алмаз, и графит состоят из углерода, значит, они должны одинаково проводить ток или быть одинаково твёрдыми. Проверка: прежде чем предсказывать свойство, установите тип структуры и характер связей именно в рассматриваемом веществе.

Связь с другими темами

Для изучения аллотропных форм нужны понятия химического элемента и простого вещества: первое обозначает вид атомов, второе — вещество из атомов одного элемента. Ковалентная связь объясняет, как атомы углерода соединяются, а понятие кристаллической решётки помогает описывать их расположение в твёрдом теле. Эти знания понадобятся при изучении химической связи, строения твёрдых веществ и свойств неметаллов. Они также помогают выбирать материалы для практических задач: например, твёрдый алмаз подходит для резания, а проводящий графит — для электродов.

Что запомнить

• Алмаз, графит и фуллерены — простые вещества одного химического элемента, углерода.
• Различие свойств аллотропных форм обусловлено различиями в строении.
• В алмазе каждый атом углерода связан с соседними атомами в трёхмерную прочную структуру.
• Графит состоит из слоёв с прочными связями внутри и слабым взаимодействием между ними.
• Графит проводит электрический ток, алмаз практически не проводит.
• Фуллерены образованы отдельными замкнутыми молекулами углерода.