Каталог
  

Кристаллическая решетка углерод


Кристаллическая решетка углерода

Чистый углерод известен в трех аллотропических видоизменениях: в виде алмаза, характеризующегося кубической кристаллической решеткой, графита, отличающегося от алмаза гексагональной кристаллической решеткой, и аморфного углерода. Это говорит о том, что кристаллическая решетка углерода в каждой из модификаций различна. Углерод во всех аллотропных модификациях не обладает запахом и вкусом, плавится исключительно трудно, не растворяется в воде и органических растворителях, а растворим в расплавленных металлах, например в железе. В химическом отношении все аллотропические видоизменения углерода чрезвычайно инертны. Так, например, алмаз не реагирует с большинством химических реагентов. На него действую при высокой температуре только сильные окислители: кислород, царская водка, азотная кислота и т.п., при этом он окисляется в двуокись углерода.

Графит более подвержен химическому воздействию, чем алмаз. Аморфный уголь ещё легче вступает в химическое взаимодействие, чем графит.

Углерод является элементом с явно выраженным неметаллическим характером (т.е. способен окисляться и восстанавливаться).

Под действием сильных окислителей углерод при соблюдении определенных условий проведения реакции превращается в двух- или четырехвалентные соединения. Так, например, при сгорании углерода в атмосфере воздуха при недостаточном притоке кислорода получается оксид углерода — продукт неполного окисления углерода; при избытке кислорода – диоксид углерода — продукт полного окисления углерода:

   

   

ru.solverbook.com

Аллотропные модификации углерода

Образовака Химия 9 класс Неметаллы

Соединения, образованные атомами углерода, но отличающиеся строением и свойствами, называются аллотропными модификациями углерода. Основными модификациями углерода являются графит, алмаз, карбин.

Возможность присоединять четыре атома делает углерод активным элементом. Помимо присоединения атомов других элементов углерод может образовывать различные модификации, отличающиеся структурой и свойствами.

Рис. 1. Строение атома углерода.

Выделяют два вида углерода в зависимости от образования модификаций:

  • кристаллический – входит в состав твёрдых веществ;
  • аморфный – образует мягкие вещества.

Кристаллические формы углерода:

  • алмаз;
  • лонсдейлит;
  • наноалмаз;
  • графит;
  • графен;
  • карбин;
  • фуллерены;
  • фуллерит;
  • углеродное волокно;
  • углеродные нановолокна;
  • углеродные нанотрубки.

В соответствии с геометрическим строением кристаллической решётки выделяют три типа аллотропных модификаций:

  • тетраэдрическая (sp3-гибридизация) – один атом углерода, находящийся в центре, связан с атомами в узлах тетраэдра;
  • тригональная (sp2-гибридизация) – атомы углерода образуют шестиугольники, связанные друг с другом послойно;
  • линейная (sp-гибридизация) – атомы углерода образуют цепочки, связанные одинарными, двойными, тройными связями.

Рис. 2. Строение кристаллических решёток углерода.

Аморфный углерод образует следующие модификации:

  • активированный уголь;
  • древесный уголь;
  • ископаемый уголь;
  • кокс каменноугольный;
  • стеклоуглерод;
  • углеродная нанопена;
  • техуглерод;
  • сажа.

Лонсдейлит является гексагональной модификацией алмаза. Наноалмазы, фуллерены, нанотрубки, нанографиты объединены в семейство наноуглеродных кластеров. Они образованы вложенными друг в друга углеродными сферами.

Наиболее изучены твёрдые формы углерода – алмаз, графит и карбин. Особенности строения и свойства аллотропных модификаций углерода представлены в таблице.

Модификация

Строение решётки

Свойства

Применение

Графит

Тригональное

Относительно мягкий жирный минерал, обладающий электропроводностью. Имеет серый цвет, металлический блеск. Плотность – 2,23 г/см3. Не плавится. Реагирует со щелочными металлами, солями, кислородом

Смазка в прокатном производстве. За счёт отслоения тригональной решётки используется в качестве стержня карандаша

Карбин

Линейное

Мелкокристаллический порошок с небольшой плотностью. Полупроводник

Используется в фотоэлементах

Алмаз

Тетраэдрическое

Прозрачный минерал, обладающий наибольшей твёрдостью. Обладает теплопроводностью, является полупроводником. Имеет большой показатель преломления. Плавится при температуре 3700°C

Драгоценный камень, абразив. Из алмаза изготавливают свёрла, ножи, резцы

Рис. 3. Графит, карбин и алмаз.

При сильном нагревании графит переходит в алмаз, а алмаз – в графит.

Углерод имеет множество аллотропных модификаций. Основные из них – графит, алмаз, карбин. Они отличаются друг от друга физическими, химическими свойствами, строением кристаллической решётки. Наиболее твёрдая модификация – алмаз – используется для изготовления промышленных инструментов. Графит – мягкий минерал – применяется в прокатной промышленности. Благодаря строению способен отслаиваться, оставляя след, поэтому используется в качестве карандашного стержня. Карбин – порошок, который используется в фотоэлементах.

Средняя оценка: 3.9. Всего получено оценок: 32.

Будь в числе первых на доске почета

obrazovaka.ru

Графит и алмаз: кристаллическая решетка и свойства

Узнав физические свойства алмаза и графита, ученые отметили, что это разные формы углерода. Первый – это драгоценный минерал, один из самых твердых в мире. По принятой у геммологов шкале Мооса алмаз имеет наибольший балл твердости – 10. Графит по этой системе не дотягивает даже до 2. Блестящая драгоценность и грифель простого карандаша состоят из углерода. Различие этих минералов определяет тип кристаллической решетки. Но свойства их сильно отличаются друг от друга. Об этом читайте ниже.

Алмаз – самый твердый минерал. Внешне это прозрачный камень, у которого четко видна кристаллическая форма. Диаманты бесцветные, но встречаются разные оттенки, среди которых даже черный. Цвет зависит от природных условий, в которых формировался камень, а также от различных примесей в его структуре.

Графит – хрупкое, жирное на ощупь вещество, имеющее металлический блеск, состоящее из молекул углерода, расположенных слоями и образующих мелкие тонкие пластинки. При его нажатии на листке остается след.

Состав минералов

Первое, с чего начнем рассмотрение характеристики алмаза и графита, это состав минералов. Оба – из углерода, шестого элемента периодической системы.

Поскольку алмаз и графит состоят из частиц углерода, тип вещества у них – индивидуальный, а качественный состав образован соединениями атомов углерода. Формула алмаза и графита в химии проста – С, углерод. Этот химический элемент не имеет запаха, поэтому ни алмаз, ни графит ничем не пахнут.

Хотя химическая формула алмаза имеет схожесть с формулой графита, у структур, в которые соединяются атомы углерода, образуя кристаллическую решетку, есть разница.

Когда у минералов кристаллические решетки имеют отличие, но для них характерен идентичный химический состав, их называют полиморфами. Рассматриваемые минералы – разные виды полиморфных модификаций углерода.

Как и где находят углеродные минералы

Сходство элементарного химического состава не обуславливает схожие свойства веществ. Различия объясняются сложностями происхождения двух разных углеродных пород. Алмазы образуются под действием сильного давления после сверхбыстрого охлаждения. А если атмосферное давление занижено, то при довольно высокой температуре образуется графит.

Подтверждением того, что алмаз и графит образовались не одинаково, служит их нахождение в природе. Около 80% всех бриллиантов добывают в кимберлитовых трубках – глубоких воронках, образованных магмой, вышедшей после взрыва и выхода наружу подземного газа.

Графитовых же месторождений много в осадочных породах и пластах, образованных магмой.

Химическая связь в углеродных минералах

Частицы, из которых состоят твердые вещества, соединены в кристаллические решетки. Науке известны 4 вида таких решеток – ионная, молекулярная, атомная и металлическая.

Внешне драгоценный кристалл схож с кристаллами соли, но у солей ионная кристаллическая решетка.

Тип кристаллической решетки алмаза, как и его полиморфа графита, атомная. В ее узлах лежат атомы углерода. Агрегатное состояние – твердое тело. Но все же по твердости углеродные полиморфы различны.

Свойство алмаза быть таким прочным обусловлено силой химической связи атомов. Структура диаманта трехмерная, атомы углерода в нем расположены в форме трехгранной пирамиды, тетраэдра. Каждая атомарная частица одинаково крепко соединяется со всеми четырьмя соседними, это осуществлено посредством ковалентной связи.

Атомарно графит – это множество слоев шестиугольных фигур, в каждой вершине которых расположен атом углерода. Его слоистая структура двухмерна. Связь в слоях ковалентная сильная, а между слоями гораздо слабее, как у веществ с молекулярной кристаллической решеткой. Пласты связаны непрочно. Поэтому твердость графита меньше по сравнению с бриллиантом.

Взаимосвязь атомного строения и физики минерала

Рассмотрим, как внешне проявляется геометрия атомов. Различие свойств алмаза и графита напрямую связано с типом строения кристаллической решетки. Кристаллическая решетка алмаза имеет звенья из 4 хорошо соединенных атомов углерода. Они образовали сверхпрочные ковалентные сигма-связи. Оптические свойства межатомных соединений поглощают свет, делая кристалл прозрачным. А крепкая фиксация отрицательно заряженных элементарных частиц в однородных по силе связях придает ему твердость и свойства диэлектрика.

Образованные ковалентные пи-соединения гексагональной кристаллической решетки графита скрепляют атомы углерода в слои. При такой связи несколько электронов остаются свободными, поэтому пласты скреплены между собой незначительно. Движение нелокализованных элементарных частиц со знаком минус придает графиту электропроводность. У них отсутствует световая проводимость, что лишает вещество прозрачности, поэтому у графита цвет черный.

Аллотропные модификации углерода

Аллотропия – это способность химических элементов существовать в двух и более физических формах (аллотропах). Самой широкой из всех открытых является аллотропия углерода.

Если вы перечислите основные углеродные аллотропные видоизменения, то это будут:

  • алмаз;
  • графит;
  • карбин;
  • фуллерен.

Из указанных выше два аллотропа углерода синтезированы. Карбин и фуллерен – полученные искусственно аллотропные видоизменения углерода. Карбин – порошок из мелких кристалликов черного цвета. После открытия в лаборатории было найдено и природное вещество. Фуллерен – синтезированный в конце прошлого века в США желтый кристалл около 5 мм в диаметре.

Аллотропические формы углерода могут трансформироваться. Сам по себе переход алмаза в другое состояние не произойдет. Но при нагревании кристалла в безвоздушном пространстве до 1800 градусов он превратится в графит.

Известны методы, позволяющие осуществить и обратные превращения.

Получить алмаз можно из графита. При давлении выше 1000 Па и температуре 3000 градусов с добавлением металлов углерод в графите меняет ковалентные связи. Полученные в результате камни мутные и пористые.

Другой метод – это применение ударной волны, после которой можно любоваться чистыми, прозрачными кристаллами правильной геометрической формы, но очень маленького размера.

Несовершенство этих методов привело к выводу, что алмазы лучше всего выращивать. При нагреве бриллианта до 1,5 тысячи градусов он растет. Но это дорого, поэтому сегодня искусственные драгоценности получают из метана.

Физические и химические свойства

Алмаз не обладает электропроводностью, но тепло проводит. Хорошо преломляет и отражает свет. Прозрачен, имеет блеск. Плавится при 3700-4000 градусов. Лавуазье впервые сжег диамант в 18 веке.

Позже ученые выяснили, что в соединении с кислородом алмаз горит при 721-800 градусах, испаряясь углекислым газом. Без воздуха может перейти в графит при нагреве до 2001-3000 градусов. Химические свойства говорят об устойчивости к воздействию кислот.

Графит электро-и-теплопроводный, нерастворим кислотами и водой, теплостойкий. Температура плавления 2500 – 3000 градусов. Не горит до 250-300 градусов, но при сжигании с температурой выше 300 и до 1000 превращается в углекислый газ.

Сравнительная характеристика

Сравним строение алмаза и графита и их физические свойства: твердость, теплопроводность, электропроводность, особенности химической связи.

О характеристиках минералов расскажет подробная сравнительная таблица:

Применение в промышленности

Ювелиры ограняют состоящий из углерода алмаз, и он получает блеск бриллианта. Об этом читайте в статье «Что такое бриллиант и для чего он нужен».

В промышленности используют камни, которые имеют трещины, сколы, иные дефекты. Из них делают подшипники, сверла. Необработанные острые кристаллы применяют в электронике в качестве игл, в микросхемах, счетчиках прослойки из алмазов. Из алмазного порошка производят детали различных механизмов, обрамляют шлифовочные круги. Подробнее об этом – в статье «Области применения технических алмазов».

Алмаз имеет меньше ценности в промышленности, чем графит. Черный мягкий минерал встречается и в канцелярском карандаше, и в числе компонентов литейного производства, и в электроугольной промышленности. Электропроводные свойства графита используют для изготовления электродов.

Напишите, пожалуйста, в комментариях, о каких свойствах алмаза и графита вы узнали впервые.

Если статья вам понравилась, ставьте лайки и делитесь ссылкой на нее с друзьями в соцсетях.

pulskamnya.ru

Углерод элемент. Свойства углерода. Применение углерода

Его называют основой жизни. Он есть во всех органических соединениях. Только он способен формировать молекулы из миллионов атомов, такие, как ДНК.

Узнали героя статьи? Это углерод. Число его соединений, известных науке, приближается к 10 000 000.

Столько не наберется у всех остальных, вместе взятых элементов. Не удивительно, что один из двух разделов химии изучает исключительно соединения углерода и проходится в старших классах.

Предлагаем вспомнить школьную программу, а так же, дополнить ее новыми фактами.

Что такое углерод

Во-первых, элемент углерод – составная таблицы Менделеева. В ее новом стандарте, вещество располагается в 14-ой группе.

В устаревшем варианте системы, углерод стоит в главной подгруппе 4-ой группы.

Обозначение элемента – буква С. Порядковый номер вещества – 6, относится к группе неметаллов.

Органический углерод соседствует в природе с минеральным. Так, графит, алмаз и камень фуллерен – 6-ой элемент в чистом виде.

Различия во внешности обусловлены несколькими типами строения кристаллической решетки. От нее зависят и полярные характеристики минерального углерода.

Графит, к примеру, мягок, не зря же добавляется в пишущие карандаши, а алмаз тверже всех остальных камней на Земле. Поэтому, логично рассмотреть свойства самого углерода, а не его модификаций.

Свойства углерода

Начнем со свойств, общих для всех неметаллов. Они электроотрицательны, то есть, оттягивают на себя общие электронные пары, образованные с другими элементами.

Получается, углерод может восстановить оксиды неметаллов до состояния металлов.

Однако, делает это 6-ой элемент лишь при нагреве. В обычных условиях вещество химически инертно.

На внешних электронных уровнях неметаллов больше электронов, чем у металлов.

Именно поэтому, атомы 6-го элемента стремятся достроить толику собственных орбиталей, чем отдавать свои частицы кому-то.

Металлам же, с минимумом электронов на внешних оболочках проще отдать отдаленные частицы, чем перетягивать на себя чужие.

Главная форма 6-го вещества – атом. По идее, речь должна идти о молекуле углерода. Из молекул составлено большинство неметаллов.

Однако, углерод с бором и кремнием – исключения, имеют атомную структуру. Именно за счет нее соединения элементов отличаются высокими температурами плавления.

Еще одно отличительное свойство многих форм углерода – твердость. У того же алмаза она максимальна, равна 10-ти баллам по шкале Мооса.

Раз разговор зашел о формах 6-го вещества, укажем, что кристаллическая – лишь одна из.

Атомы углерода не всегда выстраиваются в кристаллическую решетку. Встречается аморфная разновидность.

Примеры таковой: — древесный уголь, кокс, стеклоуглерод. Это твердые соединения, но не имеющие упорядоченной структуры.

Если же вещество соединено с другими, могут получиться и газы. Кристаллический углерод переходит в них при температуре в 3700 градусов.

В обычных условиях элемент газообразен, если это, к примеру, оксид углерода.

В народе его именуют угарным газом. Однако, реакция его образования активнее и быстрее, если, все же, поддать жару.

Газообразных соединений углерода с кислородом несколько. Есть еще, к примеру, монооксид.

Этот газ бесцветный и ядовитый, причем, при обычных условиях. Такая окись углерода имеет тройную связь в молекуле.

Но, вернемся к чистому элементу. Будучи довольно инертным в химическом плане, он, все же, может взаимодействовать не только с металлами, но и их оксидами, солями, и как видно из разговора про газы, с кислородом.

Реакция возможна и с водородом. Углерод вступит во взаимодействие, если «сыграет» один из факторов, или все вместе: температура, аллотропное состояние, дисперсность.

Под последней, подразумевается отношение площади поверхности частиц вещества к занимаемому ими объему.

Аллотропия – возможность нескольких форм одного и того же вещества, то есть, имеется в виду кристаллический, аморфный, или газообразный углерод.

Однако, как не совпадай факторы, с кислотами и щелочами элемент не реагирует вовсе. Игнорирует углерод и почти все галогены.

Чаще всего, 6-ое вещество связывается само с собой, образовывая те самые масштабные молекулы из сотен и миллионов атомов.

Сформированные молекулы, углерода реагируют с еще меньшим числом элементов и соединений.

Применение углерода

Применение элемента и его производных столь же обширно, как их число. Содержание углерода в жизни человека больше, чем может казаться.

Активированный уголь из аптеки – 6-е вещество. Бриллиант в кольце из ювелирного магазина – он же.

Графит в карандашах – тоже углерод, нужный, так же, в ядерных реакторах и контактах электрических машин.

Метановое топливо тоже в списке. Диоксид углерода нужен для производства соды и может быть сухим льдом, то есть, хладагентом.

Углекислый газ служит консервантом, заполняя овощные хранилища, а еще, нужен для получения карбонатов.

Последние, используют в строительстве, к примеру, известняк. А карбонат натрия пригождается в мыловарении и стекольном производстве.

Формула углерода соответствует еще и коксу. Он пригождается металлургам.

Кокс служит восстановителем во время переплавки руды, извлечения из нее металлов.

Даже обычная сажа – углерод, используемый в качестве удобрения и наполнителя резин.

Не задумывались, почему автомобильные шины черного цвета? Это сажа. Она придает резине прочность.

Сажа, так же, входит в крема для обуви, краски для печати, туши для ресниц. Народное название употребляется не всегда. Промышленники зовут сажу техническим углеродом.

Масса углерода начинает использоваться в сфере нанотехнологий. Сделаны сверхмалые транзисторы, а еще трубки, которые в 6-7 раз прочнее стали.

Вот вам и неметалл. К наноизысканиям, кстати, подключились ученые из Китая. Из углеродных трубок и графена они создали аэрогель.

Это твердый и прочный материал. Звучит увесисто. Но, на самом деле, аэрогель легче воздуха.

В железо углерод добавляют, чтобы получить так называемую углеродистую сталь. Она тверже обычной.

Однако, массовая доля 6-го элемента в сплаве не должна превышать пары, тройки процентов. Иначе, свойства стали идут на спад.

Список можно продолжать бесконечно. Но, где бесконечно брать углерод? Добывают его или синтезируют? На эти вопросы ответим в отдельной главе.

Добыча углерода

Двуокись углерода, метан, отдельно углерод, можно получать химическим путем, то есть, намеренным синтезом. Однако, это не выгодно.

Газ углерод и его твердые модификации проще и дешевле добывать попутно с каменным углем.

Из земных недр этого ископаемого извлекают примерно 2 миллиарда тонн ежегодно. Хватает, чтобы обеспечить мир техническим углеродом.

Что касается алмазов, их извлекают из кимбирлитовых трубок. Это вертикальные геологические тела, сцементированные лавой осколки породы.

Именно в таких встречаются алмазы. Поэтому, ученые предполагают, что минерал формируется на глубинах в тысячи километров, там же, где и магма.

Месторождения графита, напротив, горизонтальны, располагаются у поверхности.

Поэтому, добыча минерала довольно проста и не затратна. В год из недр извлекают около 500 000 тонн графита.

Чтобы получить активированный уголь, приходится нагреть каменный уголь и обработать струей водяного пара.

Ученые даже разобрались, как воссоздать белки человеческого тела. Их основа – тоже углерод. Азот и водород – аминогруппа, к нему примыкающая.

Нужен, так же, кислород. То есть, белки построены на аминокислоте. Она не у всех на слуху, но для жизни куда важнее остальных.

Популярные серная, азотная, соляная кислоты, к примеру, организму нужны куда меньше.

Так что, углерод – то, за что стоит платить. Узнаем, на сколько велик разброс цен на разные товары из 6-го элемента.

Цена углерода

Для жизни, как несложно понять, углерод бесценен. Что же касается остальных сфер бытия, ценник зависит от наименования продукции и ее качества.

За бриллианты, к примеру, платят больше, если камни не содержат сторонних включений.

Образцы аэрогеля, пока, стоят десятки долларов за несколько квадратных сантиметров.

Но, в будущем, производители обещают поставлять материал рулонами и просить недорого.

Технический углерод, то есть, сажа, реализуется по 5-7 рублей за кило. За тонну, соответственно, отдают около 5000-7000 рублей.

Однако, углеродный налог, вводимый в большинстве развитых стран, может обеспечить рост цен.

Углеродную промышленность считают причиной парникового эффекта. Предприятия обязывают платить за выбросы, в частности, CO2.

Это главный парниковый газ и, одновременно, индикатор загрязнения атмосферы. Эта информация – ложка дегтя в бочке меда.

Она позволяет понять, что у углерода, как и всего в мире, есть обратная сторона, а не только плюсы.

tvoi-uvelirr.ru


Смотрите также