Простые вещества углерода
Алмаз и графит
| Алмаз | Графит | |
|---|---|---|
| гибридизация | \(sp^3\), тетраэдр | \(sp^2\), плоские слои |
| связь между слоями | — (трёхмерный каркас) | слабые ван-дер-ваальсовы, 335 пм |
| плотность, г/см³ | 3,51 | 2,26 |
| твёрдость | 10 (максимум) | 1 (пишет по бумаге) |
| электропроводность | изолятор | проводник вдоль слоёв |
При обычных условиях устойчив графит: \(\ce{C(алмаз) -> C(графит)}\), \(\Delta G^\circ = -2{,}9\) кДж/моль. Но алмазы «вечны»: для перестройки каркаса нужно разорвать множество прочных связей — барьер огромен.
history_eduАлмаз горит
Лавуазье в 1772 году сжёг алмаз под линзой в замкнутом сосуде и получил только углекислый газ — алмаз оказался чистым углеродом. Смитсон Теннант в 1797 году показал, что одинаковые массы алмаза и угля дают одинаковое количество \(\ce{CO2}\). Синтетические алмазы впервые получили в 1954–1955 годах в компании General Electric при 50 000 атм и 1500 °C.
auto_awesomeКарандаш — не свинец
Английское lead pencil и русское «графитовый стержень» хранят память о путанице: графит (от греч. «пишу») долго называли «свинцовым блеском» из-за серого металлического вида. Стержень карандаша — смесь графита с глиной; чем больше глины, тем твёрже карандаш.
scienceУглерод в реакциях
- \(\ce{C + O2 -> CO2}\); \(\ce{2C + O2 -> 2CO}\) (недостаток кислорода).
- \(\ce{C + 2H2SO4 (конц) ->[t] CO2 + 2SO2 + 2H2O}\).
- \(\ce{ZnO + C ->[t] Zn + CO}\) — углетермия.
- \(\ce{8K + C(графит) -> KC8}\) — соединение внедрения: калий между слоями графита.
Фуллерены, нанотрубки, графен
history_eduФутбольный мяч из углерода
В 1985 году Гарольд Крото, Роберт Кёрл и Ричард Смолли испаряли графит лазером и в масс-спектре увидели устойчивый пик 720 а.е.м. — молекулу \(\ce{C60}\). Её структура — усечённый икосаэдр из 12 пятиугольников и 20 шестиугольников, как футбольный мяч. Молекулу назвали в честь архитектора Бакминстера Фуллера, строившего геодезические купола. Нобелевская премия 1996 года.
| Форма | Год | Строение |
|---|---|---|
| фуллерен \(\ce{C60}\) | 1985 | замкнутая сфера |
| нанотрубки | 1991 (Иидзима) | свёрнутый графитовый слой |
| графен | 2004 (Гейм, Новосёлов) | один слой графита |
auto_awesomeГрафен и скотч
Андрей Гейм и Константин Новосёлов получили графен, отслаивая слои графита обычной липкой лентой, пока на подложке не остался слой толщиной в один атом. Графен — самый прочный из измеренных материалов и прекрасный проводник. Нобелевская премия по физике 2010 года.
scienceФуллерены в реакциях
- \(\ce{C60 + 3K -> K3C60}\) — сверхпроводник ниже 18 К.
- \(\ce{C60 + 6Li -> Li6C60}\) — фуллерен принимает до шести электронов.
- \(\ce{C60 + 24F2 -> C60F48}\) — фторирование.
Аморфный углерод и адсорбция
Древесный уголь, сажа, кокс — «аморфный» углерод: мельчайшие беспорядочно упакованные графитовые фрагменты. Активированный уголь (обработанный паром при 800–900 °C) пронизан порами; площадь поверхности 1 г достигает 1000–1500 м² — пять-шесть теннисных кортов.
history_eduПротивогаз Зелинского
После газовых атак 1915 года Николай Зелинский предложил противогаз с активированным углём — он поглощал любые отравляющие вещества, в отличие от пропитанных химикатами повязок. Противогаз Зелинского — Куманта спас сотни тысяч жизней. Зелинский сознательно не патентовал изобретение.
scienceУголь-адсорбент и восстановитель
- Активированный уголь поглощает органические молекулы, хлор, красители — очистка воды, сахарных сиропов, воздуха.
- \(\ce{C + H2O ->[1000 °C] CO + H2}\) — активация паром одновременно «выжигает» поры.
- \(\ce{2Fe2O3 + 3C ->[t] 4Fe + 3CO2}\) — упрощённо; в домне восстанавливает в основном CO.
boltАдсорбция — не реакция
Адсорбированные молекулы удерживаются слабыми силами на поверхности. Поэтому уголь «отдаёт» их при нагревании (регенерация) и лучше поглощает крупные молекулы с большими дисперсионными силами, чем маленькие (\(\ce{H2}\), \(\ce{CO}\) почти не поглощаются — противогаз от угарного газа требует катализатора-гопкалита).
push_pinГлавное
Алмаз — каркас из \(sp^3\)-атомов: твёрдейшее природное вещество, изолятор, лучший теплопроводник; термодинамически менее устойчив, чем графит, но при обычных условиях не превращается в него (кинетика). Графит — слои из \(sp^2\)-атомов: проводит ток вдоль слоёв, мягкий, образует соединения внедрения (\(\ce{KC8}\)). Фуллерены (\(\ce{C60}\), 1985), нанотрубки, графен (2004) — новые формы с \(sp^2\)-атомами. Активированный уголь с огромной поверхностью — адсорбент. С кислородом углерод даёт \(\ce{CO2}\) или \(\ce{CO}\), восстанавливает оксиды металлов, с металлами образует карбиды.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.