Простые вещества углерода
Алмаз и графит
Углерод образует несколько аллотропных форм — простых веществ одного элемента, различающихся строением. Чтобы понять, почему алмаз твёрд, а графит оставляет след на бумаге, нужно сравнить расположение атомов и связи между ними.
В алмазе каждый атом углерода связан с четырьмя соседними атомами и входит в трёхмерный каркас; ему соответствует \(sp^3\)-гибридизация. В графите каждый атом связан с тремя соседними атомами в плоском слое; ему соответствует \(sp^2\)-гибридизация. Слои слабо удерживаются друг возле друга и могут смещаться. При этом графит проводит электрический ток вдоль слоёв, поскольку часть электронов в них не принадлежит отдельным связям.
| Алмаз | Графит | |
|---|---|---|
| Гибридизация | Атомы имеют \(sp^3\)-гибридизацию и образуют тетраэдрический каркас. | Атомы имеют \(sp^2\)-гибридизацию и образуют плоские слои. |
| Связь между слоями | Слоёв нет: атомы связаны в трёхмерный каркас. | Слои удерживаются слабыми ван-дер-ваальсовыми силами; расстояние между ними составляет 335 пм. |
| Плотность, г/см³ | 3,51 | 2,26 |
| Твёрдость | Твёрдость равна 10 (максимум). | Твёрдость равна 1; графит оставляет след на бумаге. |
| Электропроводность | Изолятор. | Графит проводит ток вдоль слоёв. |
При обычных условиях графит термодинамически устойчивее алмаза: \(\ce{C(алмаз) -> C(графит)}\), \(\Delta G^\circ = -2{,}9\) кДж/моль. Однако для такого превращения пришлось бы разорвать множество прочных связей и заново соединить атомы. Поэтому алмаз сохраняется при обычных условиях, несмотря на термодинамическую возможность превращения.
history_eduАлмаз горит
В 1772 году Лавуазье сжёг алмаз под линзой в замкнутом сосуде и получил только углекислый газ. Так было установлено, что алмаз состоит из углерода. В 1797 году Смитсон Теннант 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
Из-за серого металлического вида графит долго называли «свинцовым блеском»; об этой путанице напоминает английское lead pencil. Русское выражение «графитовый стержень» называет материал точнее: стержень карандаша состоит из смеси графита с глиной. Чем больше в смеси глины, тем твёрже карандаш. Название «графит» происходит от греческого слова «пишу».
Строение углерода влияет и на его реакции. При горении состав продукта зависит от количества кислорода; при нагревании углерод также реагирует с концентрированной серной кислотой и восстанавливает оксиды металлов. Реакцию калия с графитом следует рассматривать отдельно: калий размещается между слоями, образуя соединение внедрения.
scienceУглерод в реакциях
- \(\ce{C + O2 -> CO2}\); \(\ce{2C + O2 -> 2CO}\) — при недостатке кислорода вместо углекислого газа образуется угарный газ.
- \(\ce{C + 2H2SO4 (конц) ->[t] CO2 + 2SO2 + 2H2O}\) — при нагревании концентрированная серная кислота окисляет углерод.
- \(\ce{ZnO + C ->[t] Zn + CO}\) — при нагревании углерод восстанавливает оксид цинка; такое восстановление называют углетермией.
- \(\ce{8K + C(графит) -> KC8}\) — калий располагается между слоями графита и образует соединение внедрения.
Фуллерены, нанотрубки, графен
Атомы углерода с \(sp^2\)-гибридизацией способны образовывать не только слои графита. Слой может замыкаться в оболочку или сворачиваться в трубку. Эти различия в строении привели к открытию других форм углерода.
history_eduФутбольный мяч из углерода
В 1985 году Гарольд Крото, Роберт Кёрл и Ричард Смолли испаряли графит лазером и обнаружили в масс-спектре устойчивый пик 720 а.е.м., соответствующий молекуле \(\ce{C60}\). Её строение напоминает футбольный мяч: усечённый икосаэдр состоит из 12 пятиугольников и 20 шестиугольников. Молекулу назвали в честь архитектора Бакминстера Фуллера, строившего геодезические купола. За это открытие учёные получили Нобелевскую премию 1996 года.
Замкнутые молекулы углерода называют фуллеренами. Нанотрубка представляет собой свёрнутый в трубку графитовый слой, а графен — отдельный слой графита.
| Форма | Год | Строение |
|---|---|---|
| Фуллерен \(\ce{C60}\) | 1985 | Молекула имеет замкнутую сферическую структуру. |
| Нанотрубки | 1991 (Иидзима) | Графитовый слой свёрнут в трубку. |
| Графен | 2004 (Гейм, Новосёлов) | Один слой графита. |
auto_awesomeГрафен и скотч
Андрей Гейм и Константин Новосёлов получили графен, многократно отслаивая графит обычной липкой лентой, пока на подложке не остался слой толщиной в один атом. Графен входит в число самых прочных из измеренных материалов и прекрасно проводит электрический ток. За исследования графена учёные получили Нобелевскую премию по физике 2010 года.
Фуллерен \(\ce{C60}\) вступает в реакции с металлами и фтором. В соединениях с калием и литием молекула фуллерена принимает электроны; соединение с калием становится сверхпроводником ниже 18 К.
scienceФуллерены в реакциях
- \(\ce{C60 + 3K -> K3C60}\) — соединение калия с фуллереном становится сверхпроводником ниже 18 К.
- \(\ce{C60 + 6Li -> Li6C60}\) — молекула фуллерена принимает до шести электронов.
- \(\ce{C60 + 24F2 -> C60F48}\) — при реакции с фтором образуется фторпроизводное фуллерена.
Аморфный углерод и адсорбция
Древесный уголь, сажу и кокс относят к аморфному углероду: в них мелкие графитоподобные фрагменты расположены беспорядочно. Особое значение имеет активированный уголь, который обрабатывают паром при 800–900 °C. Он пронизан порами, поэтому поверхность 1 г такого угля достигает 1000–1500 м² — площади пяти-шести теннисных кортов.
Удерживание молекул на поверхности вещества называют адсорбцией. Благодаря большой поверхности активированный уголь поглощает органические молекулы, хлор и красители; его применяют для очистки воды, сахарных сиропов и воздуха.
history_eduПротивогаз Зелинского
После газовых атак 1915 года Николай Зелинский предложил противогаз с активированным углём. В отличие от повязок, пропитанных химикатами, уголь поглощал многие отравляющие вещества. Противогаз Зелинского — Куманта спас сотни тысяч жизней. Зелинский сознательно не патентовал изобретение.
Поры в угле образуются, в частности, при реакции раскалённого углерода с водяным паром. При этом углерод расходуется, а часть его поверхности становится доступной для адсорбции. В других реакциях уголь используют как восстановитель оксидов металлов.
scienceУголь-адсорбент и восстановитель
- Активированный уголь поглощает органические молекулы, хлор и красители, поэтому его используют для очистки воды, сахарных сиропов и воздуха.
- \(\ce{C + H2O ->[1000 °C] CO + H2}\) — при обработке угля паром углерод расходуется и образуются поры.
- \(\ce{2Fe2O3 + 3C ->[t] 4Fe + 3CO2}\) — уравнение упрощённо описывает восстановление оксида железа углеродом; в домне основным восстановителем служит CO.
boltФизическая адсорбция на угле
При физической адсорбции молекулы удерживаются на поверхности слабыми силами. Поэтому при нагревании уголь может освобождаться от поглощённых веществ; восстановление его адсорбционной способности называют регенерацией. Крупные молекулы обычно удерживаются лучше небольших благодаря более сильным дисперсионным взаимодействиям. Так, \(\ce{H2}\) и \(\ce{CO}\) уголь почти не поглощает: для защиты от угарного газа противогазу требуется катализатор-гопкалит.
push_pinГлавное
Строение объясняет различия между формами углерода. Алмаз с каркасом из атомов в состоянии \(sp^3\)-гибридизации — твёрдейшее природное вещество, изолятор и один из лучших теплопроводников; он термодинамически менее устойчив, чем графит, но при обычных условиях не превращается в него из-за высокого барьера реакции. Графит состоит из слоёв с \(sp^2\)-гибридизацией атомов: он мягок, проводит ток вдоль слоёв и образует соединения внедрения, например \(\ce{KC8}\). К другим формам с \(sp^2\)-гибридизацией атомов относятся фуллерены (\(\ce{C60}\), 1985), нанотрубки и графен (2004). Активированный уголь служит адсорбентом благодаря огромной поверхности. В реакциях с кислородом углерод образует \(\ce{CO2}\) или \(\ce{CO}\); он также восстанавливает оксиды металлов, а с металлами может образовывать карбиды.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.