§ 8. Кристалічний і аморфний стани твердих речовин. Залежність фізичних властивостей речовин від їхньої будови

Тверді речовини зазвичай мають кристалічну будову, якій притаманне правильне розташування частинок у строго визначених точках простору (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Кристали галіту (кам’яної солі NaCl) мають кубічну форму, їх легко розколоти за гранями куба

• Яким кольором у моделі кристала галіту (рис. 8.1) позначено катіони Натрію, а яким – аніони Хлору? Обґрунтуйте свою думку

Кристали (від грец. κρύσταλλος – лід, гірський кришталь, кристал) – тіла, що мають природну зовнішню форму правильних симетричних багатогранників, зумовлену їхньою внутрішньою структурою (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Багатогранний світ кристалів. 1. Берил Аl₂Ве₃[Sі₆О₁₈]. 2. Гранат R 2+ ₃R 3+ ₂(SiO₄)₃, де R 2+ = Са 2+ , Fe 2+ , Mg 2+ , Mn 2+ , a R 3+ = Al 3+ , Fe 3+ . А – SiO 4- ₄, тетраедр; Б – R 2+ ; В – R 3+

Аморфні речовини (від давн.-грец. α – не- і μορφή – вид, форма) не мають кристалічної структури (рис. 8.3.1) і, на відміну від кристалів, не розщеплюються з утворенням кристалічних граней (пригадайте, ви вже вивчали це на уроках фізики). Аморфними є скло, пластичні маси, смоли, бурштин тощо (рис. 8.3.2).

Рис. 8.3. 1. Модель будови аморфної речовини. 2. Бурштин – аморфна речовина

Аморфні речовини утворюються внаслідок швидкого охолодження розплавів або конденсації газу на охолоджену поверхню, тож атоми не встигають зайняти правильні положення. Згодом аморфні речовини кристалізуються (рис. 8.4).

Рис. 8.4. 1. Кристалізація сахарози (яка її молекулярна формула?) на поверхні льодяників відбувається порівняно швидко

Аморфні речовини не мають чітко визначеної температури плавлення (висловте припущення чому). Унаслідок нагрівання вони розм’якають та перетворюються на в’язку рідину.

Цікаво і пізнавально

Аморфний метал або металеве скло (bulk metallic glass, BMG) має аморфну структуру. Такі матеріали в 50 разів міцніші за пластик, удесятеро – за алюміній, утричі – за сталь. Металеве скло майже неможливо подряпати.

• Висловте припущення, для чого можна використати металеве скло. Порівняйте свій прогноз з думкою автора розробки.

Кристалічні ґратки – модель, за допомогою якої описують внутрішню будову кристалів. Точки простору, у яких розташовані структурні частинки речовини в кристалі, називають вузлами кристалічних ґраток. Природа частинок у вузлах кристалічних ґраток та сили взаємодії між частинками визначають тип ґраток: йонні, атомні, молекулярні та металічні.

Атомні кристали. Типовим прикладом таких речовин є алмаз (рис. 8.5). Він не проводить електричний струм (поясніть чому). Це надзвичайно стійка форма існування Карбону (поясніть чому). У бору, силіцію, германію, арсену, кварцу також атомні кристалічні ґратки (спрогнозуйте властивості цих речовин, перевірте свої припущення, використавши додаткові джерела інформації).

Рис. 8.5. 1. Кристалічні ґратки алмазу. 2. Діаманти – огранені алмази

• За рисунком 8.5 поясніть, якими зв’язками сполучені атоми в алмазі. Порівняйте всі щонайближчі між’ядерні відстані й усі кути між чотирма зв’язками атома Карбону в ньому. Чи є в кристалічних ґратках алмазу вільні електрони? Чому?

Речовини, що мають атомні кристалічні ґратки, плавляться за високих температур (поясніть чому). Наприклад, температура плавлення кварцу SiO₂ становить 1725 °С. Атомні ґратки і в надзвичайно твердого бор(ІІІ) нітриду BN, а також у найтугоплавкішої з усіх відомих речовин – гафній карбіду HfC (3959 ± 84 °С). Речовини з атомними кристалічними ґратками майже нерозчинні в будь-яких розчинниках, мають низьку реакційну здатність (поясніть чому).

Молекулярні кристалічні ґратки побудовані з молекул (наведіть приклади речовин з молекулярними кристалічними ґратками). Зазвичай у них низькі температури плавлення й кипіння (поясніть чому). На рисунку 8.6 зображено кристалічні ґратки йоду, у вузлах яких – молекули І₂. Атоми Йоду в молекулі сполучені досить міцними зв’язками (якими саме?), а молекули між собою – слабкими силами. Тому вже за незначного нагрівання йод не плавиться, а переходить з кристалічного стану в газуватий (сублімується), за охолодження пара йоду кристалізується.

Рис. 8.6. 1. Кристалічні ґратки йоду. 2. Сублімація та кристалізація йоду

Міцність молекулярних кристалів залежить від розмірів і складності молекул. Наприклад, багато органічних речовин, у молекулах яких десятки тисяч і більше атомів, узагалі не плавляться. Це зумовлено тим, що міцність зв’язків між молекулами загалом вища за міцність зв’язків усередині молекули.

• Пригадайте молекулярні формули крохмалю та целюлози й поясніть, чому ці речовини починають руйнуватися раніше, ніж плавитися.

Важливо розуміти, що хімічна активність речовин молекулярної будови залежить передусім від міцності внутрішньомолекулярних зв’язків – адже саме вони руйнуються під час хімічних реакцій.

Йонні кристали зазвичай тверді, але крихкі. Поясніть цей факт за рисунком 8.7. У речовин з йонними кристалічними ґратками високі температури плавлення (поясніть чому). Також характерною ознакою йонних речовин є електропровідність їхніх розплавів і водних розчинів (поясніть чому).

Рис. 8.7. Руйнування йонних кристалічних ґраток унаслідок механічного впливу. 1. Місце впливу. 2. Зсування шарів йонів. 3. Руйнування внаслідок відштовхування між однаково зарядженими йонами

Які частинки розташовані у вузлах металічних кристалічних ґраток, а які безладно рухаються між ними, ви вже знаєте з попереднього параграфа (назвіть їх). Така особливість металічних кристалічних ґраток зумовлює блиск 1 , високу електро- та теплопровідність металів, їхню ковкість (рис. 8.8).

1 У металів блиск зумовлений відбиттям світлових променів від усуспільнених електронів. Він є лише в компактних масах металу. Наприклад, порошкоподібна мідь не блищить, однак після утрамбовування та шліфування її порошку поверхня металу стає блискучою. Лише порошки магнію та алюмінію блискучі.

Рис. 8.8. Фізичні властивості металів зумовлені їхньою будовою. 1. Не все те золото, що блищить. 2. Удар блискавки в блискавичник Ейфелевої вежі (Париж, Франція, 2018 рік). 3. Металева піч для обігріву приміщень та приготування їжі (буржуйка) була популярна в першій половині XX століття. 4. Куй залізо, поки гаряче

• Перевагою й водночас недоліком пічки-буржуйки, корпус якої виготовляють зі сталі або чавуну, є те, що вона швидко нагрівається й не менш швидко холоне. Поясніть, чим це зумовлено!

*Кристалічна структура графіту (рис. 8.9) зовсім не схожа на структуру алмазу, хоча обидві речовини є простими речовинами Карбону. Три електрони зовнішнього енергетичного рівня кожного атома Карбону в графіті беруть участь в утворенні ковалентних (яких саме?) зв’язків з іншими атомами Карбону. Четвертий електрон кожного з них є спільним для всього атомного шару. Між атомними шарами в графіті діють слабкі сили притягання. На відміну від алмазу графіт непрозорий, має чорний колір (рис. 8.9. 2).

Рис. 8.9. 1. Кристалічні ґратки графіту. 2. Графіт – складник олівців

Поміркуйте й поясніть. 1. У якому напрямку – вертикальному чи горизонтальному – графіт є атомним, а в якому – молекулярним кристалом? 2. Чому графіт: а) має високу електропровідність; б) легко розшаровується на лусочки; в) є тугоплавкою речовиною. 3. Графен – новітній матеріал з унікальними властивостями. Якими саме? Спробуйте спрогнозувати властивості графену з огляду на те, що він має 2D-структуру, це моноатомний шар графіту. Перевірте свій прогноз, скориставшись додатковими джерелами інформації.

ПРО ГОЛОВНЕ

• Кристалічній будові речовини на відміну від аморфної притаманне правильне розташування частинок у строго визначених точках простору.

• Природа частинок у вузлах кристалічних ґраток та сили взаємодії між частинками визначають тип ґраток: атомні, йонні, металічні, молекулярні.

• Властивості речовин залежать від їхньої будови й зумовлюють застосування.

Перевірте себе

• 1. Перетворіть розповідні речення рубрики ПРО ГОЛОВНЕ на питальні. Чи можете ви відповісти на ці запитання без допомоги підручника?

Застосуйте свої знання й уміння

• 2. Кварцове скло виготовляють плавленням кварцового піску або гірського кришталю. У чому полягає відмінність у будові кварцового скла та природного кристалу гірського кришталю?
• 3. Які частинки розташовані у вузлах кристалічних ґраток речовин, хімічні формули яких CaO, СО₂, Si, Na₂CO₃?
• 4. Спрогнозуйте тип кристалічних ґраток у речовинах за описом їхніх властивостей і застосування: а) камфора (компонент мазей, крапель та інших лікарських форм) – безбарвні леткі кристали з характерним запахом; б) ванілін (ароматизатор кондитерських виробів) – безбарвні кристали з приємним запахом; в) бор нітрид BN (боразон) за твердістю наближається до алмазу, водночас він стійкіший до високих температур. Його використовують для виготовлення надтвердих абразивних матеріалів.
• 5. Карбон(IV) оксид у твердому стані називають сухим льодом. На відміну від звичайного льоду він не тане, а випаровується. Поясніть це явище.
• 6. Порівняйте кристалічні ґратки різних типів. Результат порівняння оформте як таблицю або діаграму Венна.
• *7. Порівняйте кристалічні ґратки графіту з атомними, молекулярними та металічними кристалічними ґратками. Результат порівняння оформте як таблицю або діаграму Венна.

Творча майстерня

• 8. Визначте типи кристалічних ґраток у речовинах повсякденного вжитку, підготуйте презентацію свого дослідження.

Проектуймо! Творімо!

• 4. Застосування рідких кристалів.
• 5. Використання речовин з різними видами хімічних зв’язків у техніці.
• 6. Значення водневого зв’язку для організації структур біополімерів.

Тест-контроль

1. Унаслідок утворення хімічного зв’язку між двома атомами Нітрогену

А енергія поглинається

Б енергія виділяється.

В енергія спочатку поглинається, потім – виділяється.

Г енергія спочатку виділяється, потім – поглинається.

2. Унаслідок утворення хімічного зв’язку між двома атомами Нітрогену утворюється спільна електронна оболонка. Вона подібна до електронної оболонки атома

Б Оксигену

3. Ковалентний зв’язок між атомами X-Y виникає за рахунок

А переходу електрона від Y до X.

Б сил електростатичного притягання між атомами Х та Y.

В перекривання атомних орбіталей атомів X та Y.

Г переходу пари електронів від Y до X.

4. Ковалентним зв’язком сполучені атоми

А лужних елементів

Б металічних елементів

В неметалічних елементів

Г інертних елементів

5. Ковалентним зв’язком сполучені атоми

Б Сульфуру й Флуору

Г Натрію й Хлору

6. У якій речовині два типи хімічного зв’язку – йонний і ковалентний?

7. Укажіть аморфну речовину.

А кухонна сіль

8. Укажіть речовину з молекулярними кристалічними ґратками.

Б натрій хлорид

9. Укажіть речовину з атомними кристалічними ґратками.

А сахароза

В карбон(ІV) оксид

Г калій бромід

10. Укажіть речовину з йонними кристалічними ґратками.

В карбон(ІV) оксид

Г магній оксид

Що таке алмаз – види, хімічні та фізичні властивості

Питання про те, що таке алмаз, часом відверто вводить людей в оману, змушуючи їх уяву представляти чарівну гру сонячних відблисків на його гранях.

Цей кристал, який побував в руках професійного ювеліра, спочатку не настільки прекрасний.

Зустрівши на своєму шляху безликий мінерал, мало хто повірить, що це майбутня коштовність.

Що таке алмаз і як він виглядає

Насправді, алмаз – природний мінерал, що виник в процесі ущільнення вуглецю на величезній глибині при умовах великої температури і сильного тиску.

Має прозору, щільну і міцну структуру, що дозволяє існувати йому необмежену кількість часу. Також має високу провідність тепла в порівнянні з іншими речовинами, що зустрічаються в природі.

Зовні необроблений матеріал має абсолютно непривабливий вигляд з шорсткою поверхнею, різноманітними вкрапленнями і тьмяним кольором через прикипіли до нього сторонніх частинок. Зазвичай представляється у формі двенадцатигранника, восьмигранника і куба.

Походження алмазу

Людям про алмазі відомо вже не одне тисячоліття. Перші дані про “чарівному” камені згадуються в індійських скрижалях, де йдеться про небесний дар, що включає в себе п’ять природних почав. Люди збирали і обробляли його, прикрашаючи їм Божественні статуї і приписуючи їм містичні властивості.

Ніхто, природно, не замислювався, що саме завдяки багатотонному тиску скельних порід з киплячою лавою всередині, з непомірною температурою, створюються умови для його виникнення, з магмою, що транспортується на поверхню.

Іншими словами, така вуглецева порода зароджується тільки в магматичних гірських місцях, кімберлітових трубках – вулканах. Іноді, при руйнуванні скельних порід, його розсипи зустрічаються на морських і річкових берегах.

Саме завдяки з’явилися в старовину допитливим умільцям, мінерал, шляхом проб і помилок, був представлений світла у всій своїй красі.

Першим таким дорогоцінним каменем, який з’явився в світлі близько 60 р до нашої ери в Індії, став 800 каратний самородок «Кохінор», відомий улюбленець всіх королів світу.

Спочатку це був неогранований жовтий алмаз, який став чисто білим, після придбання нової огранки в більш пізній час.

Пізніше, на початку 18 століття, першим великим зародженням вуглецевого мінералу стало місце в Бразилії, нині місті Діамантіно.

Але за історичними даними, всі перші вуглецеві знахідки, серед алювіальних відкладень, приводять до Індії, з якої вийшли в світ найвідоміші і великі коштовності світу.

Види алмазів

При оцінці кристала особлива увага приділяється не тільки вазі, але і якості, наявності або відсутності дефектів. У зв’язку з отриманими даними поділяють два види: ювелірний і технічний (непридатний для ювелірних виробів).

Після обробки також ділять на види, що залежать від ограновування: грушоподібні, овальні, круглі, каплевидні, прямокутні і так далі. Ограновані алмази називаються діамантами.

Існує розподіл діамантів і за кольором. Всім звичайно звичніше думати, що єдиний колір чисто білий і прозорий, але насправді йому притаманні і інші відтінки, що залежать від місця і умови Походження.

Так, крім білого, відомі димчасті, коричневі, блідо-жовті, і найрідкісніші кольори – червоний алмаз, рожевий алмаз, синій і блакитний, яскраво-жовтий, зелений і чорний. Такий діамант називають фантазійним.

Що таке штучний алмаз

Існує невірна думка, що штучний алмаз – якісна підробка під натуральний, природний камінь.

Насправді, штучний матеріал нічим не поступається за своїми якостями природному, а навіть перевищує за ідеальною красою граней, хоч і вирощений в інших умовах, з дотриманням всіх правил.

Лабораторний і природний кристали виглядають однаково непоказно, поки їх не зрадять обробці.

Ще в кінці XVIII століття дослідним методом, при спалюванні мінералу, було виявлено, що він складається з вуглецю. Для вчених це послужило початком подальших тривалих дослідів по створенню даної породи в лабораторних умовах, але експерименти були безуспішними через відсутність необхідного обладнання.

Лише в XX столітті була повністю вивчена кристалічна решітка і вченим вдалося синтезувати камінь, дотримуючись температуру і силу тиску, але для затравки якого все ж був потрібний натуральний кристал.

Робота над вирощуванням кристалів тривала і триває з великим ентузіазмом. Знання вчених і технології з кожним днем стають все більш досконалими, що дозволяє штучному алмазу ставати за своєю кристалічною решіткою і властивостями все більше схожим з природною коштовністю.

Фізико-механічні властивості алмазу

Алмаз класифікується як самородний елемент і має найпростішу хімічну формулу C (вуглець) і свою кристалічну решітку, що складається з ковалентного зв’язку між атомами вуглецю, що дозволило зайняти по твердості 10 місце в шкалі Мооса.

Ковалентний зв’язок найміцніша, що робить його міцним, але будова речовини іноді може допускати ще металеву, іонну і водневу зв’язку. Зв’язок має два підвиди – Пі-зв’язок і сигма-зв’язок, з яких перший підвид менш міцний.

Ковалентні сигма – зв’язки, що з’єднують атоми і розташовані по одному в кожній грані кристалічної решітки, забезпечують однакову між ними відстань, роблячи упаковку і структуру більш щільною. Завдяки цьому забезпечується твердість алмазу, а в його характеристиці присутня властивість відмінного діелектрика, низької електропровідності.

До додаткових характеристик вуглецевої породи відносяться:

• люмінесценція;
• низька стисливість при всебічному зовнішньому тиску;
• крихкість, діамант чутливий до різких ударів;
• щільність нерівномірна, сприяє розколу по гранях;
• прозорість;
• чутливість до рентгенівських променів, що порушує твердість структури, що надає здатність світитися в синій і зеленій спектральній частині;

Властива температура плавлення для алмазів:

• плавиться в температурі за Цельсієм від 3700 до 4000;
• при суміші газів в повітрі, від 850 до 1000 градусів згорає;
• перетворюючись на кисні в вуглекислий газ, діамант горить синім полум’ям від 700 до 800 градусів.

Видобутий в природі мінерал буває кристалічної форми, з гранями, розколотий, з поглибленнями і наростами.

Огранювання алмазів

Єдиною відмінністю алмазу від діаманта є огранювання, яка надає природному каменю благородний і чарівний вид. Вірним вважається, що чим ідеальною підібрана форма і нанесено більше граней, тим яскравіше сяє і заломлює промені.

Існує 8 основних видів огранок:

• “Принцеса” – квадратна форма і гострі кути;
• «Круглий»;
• “Маркіза” – аристократичний, у формі човника;
• “Груша” – каплевидна форма;
• «Овал»;
• «Серце»;
• “Смарагд» – прямокутна і восьмикутна форма;
• “Ашер” – квадратна форма, але з більшою кількістю сходинок, ніж»смарагд”.

Процес переходу алмазу в Діамант дуже довгий і вимагає особливої майстерності:

• Для початку роблять огляд самого кристала на наявність дефектів, при виявленні яких його розколюють для їх видалення.
• Наступним етапом служить обдирання, де надаються межі і кути.
• Шліфування на полірувальному колі, на який насипається алмазний порошок, що дозволяє довести камінь до ідеального стану.
• На фінальному етапі відбувається полірування, яка надає вже діаманту лиск.

Корисно знати: головним у створенні діаманта служать правильно накладені грані. Якщо не враховувати заломлення, гру світла, то діамант буде виглядати тьмяно, а такі камені вважаються браком.

Де і як видобуваються алмази в даний час

До розвитку індустрії алмази добувалися у всіх країнах тільки старанними способами. Зараз в Росії, Анголі, Канаді, Ботсвані, ПАР та інших країнах, що промишляють видобутком руди, Витяг мінералу багато в чому технічно полегшено.

Видобуток в основному відбувається на місцях так званих стародавніх кратонів, на яких знаходяться лампроїтові і кімберлітові трубки, і іноді в покрівельних породах.

Області застосування алмазів

Діамант виконує не тільки свою декоративну функцію, як прикраса, але і має своє практичне застосування. Завдяки вченим і з’явилися технологіям з забракованих мінералів навчилися отримувати вигоду в інших сферах життя.

Оскільки не весь видобутий матеріал підходить для ограновування під ювелірні прикраси, близько 50% бракується, то його використовують для виробничих і промислових потреб:

• через здатність витримувати температуру і скачки в напрузі, алмаз використовують в телекомунікації;
• застосовують у виготовленні медичних приладів та інструментів (скальпелів, імплантат) ;
• Almaz додають в бурове долото;
• з властивістю низької теплопровідності його використовують у виробництві електроніки.

За своєю популярністю діамант знаходиться на першому місці серед інших коштовностей, але це не тільки завдяки привнесеної ювелірами в нього красою, а здебільшого за те, що його надзвичайні природні якості дуже високо цінуються.

Швидше за все, цей кристал ніколи не поступиться своєю першістю і назавжди залишиться таємничою і красивою загадкою.

ХІМІЯ – Комплексна підготовка до зовнішнього незалежного оцінювання

Карбон — елемент 2-го періоду, IV групи. 6-й елемент періодичної таблиці, заряд ядра — +6. Хімічний символ — С. Відносна атомна маса — 12, молярна маса — 12 г/моль.

Природний Карбон складається з двох стабільних ізотопів — 12 С (98,93 %) і 13 С (1,07%)— та одного радіоактивного — 14 С (10 -10 %), який утворюється в атмосфері (на висоті 12-15 км). На утворенні та розпаді 14 С (Т_1/2 = 5700 років) оснований метод радіо-вуглецевого аналізу 1 .

Електронна формула атома Карбону — 1s 2 2s 2 2p 2 . У сполуках виявляє валентності II, IV (у більшості сполук), а в молекулі чадного газу СО Карбон є тривалентним (за рахунок донорно-акцепторного зв’язку):

Карбон у природі існує у вільному стані та у вигляді сполук. У вільному стані — це прості речовини алмаз і графіт. У зв’язаному стані (0,1 % маси земної кори) — у вигляді карбонатів. Найважливіші з них: кальцій карбонат СаСO₃, який становить основу кальциту, вапняку 2 , крейди, мармуру, доломіту СаСО₃ · MgCO₃; магнезит MgCO₃, малахіт (СuOН)₂СO₃.

Карбон — основна складова частина антрациту (94-97 %), кам‘яного (76-95 %) і бурого вугілля (64-80 %), горючих сланців (56-78 %), нафти (82-87 %), горючих природних газів (до 99 % метану), торфу (53-56 %), бітумів тощо.

Сучасна атмосфера містить 0,03 % (за об’ємом) вуглекислого газу СO₂, а у Світовому океані — у 60 разів більше (у розчиненому стані й у вигляді карбонатів і гідрогенкарбонатів, що зумовлює тимчасову твердість води). Атмосфера Венери складається на 97 % з карбон(ІV) оксиду.

Цей елемент, завдяки здатності утворювати хімічні зв’язки різного типу (одинарні, подвійні, потрійні) і стабільності його сполук, становить основу живої природи: атоми Карбону входять до складу всіх органічних речовин. Карбон становить близько 18 % маси рослин і тварин. В організмі людини масова частка Карбону — 21 % (становить % маси м’язів і Уз маси кісткової тканини). Карбонати Кальцію і Магнію є основою зовнішнього і внутрішнього скелета багатьох видів тварин.

Фізичні властивості простих речовин

Існує кілька простих речовин, які складаються з атомів Карбону. їхня загальна хімічна назва — вуглець.

Карбон має властивість утворювати ланцюги, цикли, сітки, складні просторові фігури. Завдяки цьому Карбон — елемент з найбільшою кількістю алотропічних модифікацій: алмаз, лондедейліт, графіт, карбін, фулерен, нанотрубка і нановолокно, нанопіна тощо.

Алмаз — прозорий безбарвний (іноді з жовтим, коричневим, червоним, зеленим, синім відтінком, навіть до чорноти; штучний алмаз має чорний колір) дуже твердий кристал. Алмаз — найтвердіша 3 природна речовина (до 1966 p.). Виняткова твердість алмазу пояснюється будовою його кристалічних ґраток: усі 4 електрони кожного атома Карбону в алмазі утворюють міцні ковалентні зв’язки з іншими атомами Карбону. Комірка атомних кристалічних ґраток має тетраедричну структуру. Відстані між атомами Карбону однакові. Алмаз не проводить електричного струму, оскільки в його кристалічних ґратках немає вільних електронів. Огранені та відшліфовані кристали алмазу називають діамантами. За температури 1000 °С, якщо немає кисню, поступово перетворюється на графіт.

На малюнку зображено кристалічні структури алотропних модифікацій Карбону: а) алмазу, б) графіту, в) лонсдейліту, г) карбіну, т) фулерену С₆₀, д) аморфного вуглецю, е) нанотрубки 4 .

Лонсдейліт (гексагональний алмаз)— алотропічна модифікація Карбону, відкрита 1966 року. Дещо відрізняється будовою від алмазу і на 58 % твердіший за нього (№ 11 за шкалою Мооса).

Графіт — мінерал із класу самородних елементів, темно-сіра кристалічна тугоплавка речовина з металічним блиском, має складну шарувату (лускоподібну) структуру. Зв’язки між атомами Карбону в одному шарі значно міцніші, ніж між атомами в різних шарах. Кожний атом Карбону в кристалічних ґратках утворює три міцні ковалентні зв’язки з іншими атомами, які розміщені у тому ж шарі. Четвертий електрон кожного атома Карбону, що не бере участі в утворенні цих зв’язків, залишається вільним і зумовлює електропровідність графіту (напівметал, металоїд). Відстань між шарами значно більша, ніж відстань між атомами Карбону, що розміщуються в одному шарі.

Карбін — дрібнокристалічний порошок чорного кольору, за своїми властивостями подібний до графіту. Природний полімер (трапляється у вигляді мінералу чаоїту) з довгими лінійними молекулами. Ланцюжки з атомів Карбону складаються із фрагментів з подвійним (=С=С=С=С=) або потрійним (-С≡С-С≡С-) зв’язком. Напівпровідник, провідність збільшується при освітленні.

Карбон може утворювати кластери — структури, складніші за формою, ніж ланцюжки, цикли чи тетраедричний кристал: фулерени, графени, нанотрубки й астралени.

Фулерени були відкриті 1985 року. Молекули цієї речовини можуть складатися із 60, 70, 80, 90, 100 і більше атомів Карбону (С₆о, С₇₀, С₈о-.-)> мають сферичну форму (нагадують за формою футбольний м’яч). Фулерит-60 — молекулярний кристал, у вузлах його ґраток розташовані молекули фулерена-60, майже удвічі твердіший за алмаз (№ 12 за шкалою Мооса).

Графен — штучно отримана гексагональна модифікація (2004 р.) з одноатомного шару Карбону. Його міцність на порядок вища за міцність будь-якої відомої науці речовини. Має надзвичайну електропровідність.

Аморфний вуглець — суміш дрібних, безладно розміщених кристалів графіту, з якої складаються технічний вуглець, сажа, кокс, вугілля викопне і деревне.

Технічний вуглець — чорний жирний на дотик порошок. Це продукт, який добувають у промислових умовах при термічному розкладанні вуглеводнів. Сажа утворюється при неконтрольованому згорянні органічних речовин (технологічно шкідливий побічний продукт).

Кокс — продукт коксування (нагрівання до температури 950-1100 °С без доступу повітря) кам’яного вугілля. Містить 96-98 % Карбону.

Деревне вугілля — тверда пориста речовина, продукт нагрівання (піролізу, 450-500 °С) деревини без доступу повітря. Щоб збільшити кількість пор (і відповідно збільшити поверхню поглинання), деревне вугілля обробляють гарячою водяною парою. Отримане в такий спосіб вугілля називають активованим. Залежно від вихідної речовини отримують тонко- (до 2 нм) чи грубо-пористий продукт (2-50 нм і більше). У пори можуть потрапляти молекули різних речовин і там утримуватися: у маленькі пори — малі молекули, у великі — великі молекули.

Здатність однієї речовини утримувати на своїй поверхні атоми, молекули, йони другої речовин називаю! адсорбцією. Речовину (тверду або рідку), яка здатна утримувати на своїй поверхні інші речовини (рідкі або газоподібні), називають адсорбентом.

Хімічні властивості вуглецю

Хімічна активність різних алотропних модифікацій неоднакова. За нормальних умов вуглець малоактивний. Алмаз і графіт можуть реагувати лише з чистим киснем за дуже високої температури. Усі реакції за участі вуглеці є окисно-відновними, у яких Карбон може виявляти властивості як відновника (більш характерні), так і окисника.

Як відновник вуглець реагує з простими речовинами неметалами (киснем, галогенами, сіркою), а також зі складними речовинами (вуглекислим газом, оксидами металічних елементів, водяними парами та кислотами-окисниками):

✵ вуглець горить на повітрі, виділяючи значну кількість теплоти:

За умови нестачі кисню утворюється чадний газ СО:

✵ сполучається із сіркою, хлором:

б) зі складними речовинами:

✵ з водяними парами (за температури 1200 °С утворюється водяний газ — суміш чадного газу з воднем):

✵ з оксидами металічних і деяких неметалічних елементів:

✵ при нагріванні взаємодіє з простими речовинами (металами), утворюючи карбіди:

Карбіди розкладаються водою та мінеральними кислотами:

При взаємодії вуглецю із силіцієм утворюється силіцій(ІV) карбід. За твердістю він наближається до алмазу:

Алмаз використовують для виготовлення коштовних ювелірних прикрас (діамантів), штучні алмази — у промисловості для виготовлення абразивних та різальних інструментів, при бурінні свердловин.

Графіт застосовують в електротехніці для виготовлення електродів та електричних контактів; з нього виготовляють грифелі для олівців; подрібнений графіт вводять до складу фарб; у суміші з мінеральною олією використовують для виготовлення мастил для машин. Графітові стрижні застосовують як уповільнювач нейтронів в атомних реакторах.

Активоване вугілля використовують як адсорбент у медицині (при отруєннях), у харчовій промисловості, для очищення води, у протигазах.

Технічний вуглець застосовують для виробництва гуми, інших пластичних мас, уводять до складу друкарської фарби, копіювального паперу.

Кокс використовують у металургії як відновник.

Викопне вугілля застосовують в теплоенергетиці, для добування водяного газу (суміші СО та Н₂), коксу.

Карбін використовують у фотоелементах.

Дослідження простих речовин Карбону тривають, це одна з найперспективніших галузей хімічної науки (а згодом і техніки).

1 Запропоновано 1946 р. американським фізико-хіміком Віллардом Ліббі (1908-1980), лауреатом Нобелівської премії з хімії 1960 р. Межа достовірності методу — близько 2000 р.

2 Вапняк, який складається з мушлів відмерлих молюсків, називають ракушняком.

3 Шкалу Мооса (мінералогічну шкалу твердості) запропонував 1811 року німецький мінералог Ф. Моос. За еталони взято е 10 природних мінералів, які розташовано в послідовності збільшення твердості від тальку (1) до алмазу (10).

4 Малюнки із сайтів en.wikipedia.org і him.1september.ru.

Використовуючи сайт ви погоджуєтесь з правилами користування

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Ми приєднуємось до закону про авторське право в цифрову епоху DMCA прийнятим за основу взаємовідносин в площині вирішення питань авторських прав в мережі Інтернет. Тому підтримуємо загальновживаний механізм “повідомлення-видалення” для об’єктів авторського права і завжди йдемо на зустріч правовласникам.

Копіюючи матеріали во повинні узгодити можливість їх використання з авторами. Наш сайт не несе відподвідальність за копіювання матеріалів нашими користувачами.