Алотропні модифікації вуглецю: назви, фізичні властивості, характеристики

Чи відомо вам, що один і той же хімічний елемент може утворити кілька речовин? Причому властивості цих речовин будуть абсолютно різними. З нашої статті ви дізнаєтеся, скільки аллотропних модифікацій має вуглець, у чому їхня відмінність і яка область застосування.

Поняття аллотропии

Почнемо з визначення поняття. У перекладі з грецької мови «алотропія» означає «інша властивість». Суть цього явища полягає в тому, що один елемент утворює кілька простих речовин. Їх називають аллотропными формами або модифікаціями.

Як це можливо? Існує два види аллотропии: складу і форми. У першому випадку вона обумовлена різним кількісним складом молекул простої речовини. Наприклад, при з’єднанні двох атомів оксигена утворюється кисень, трьох — озон.

При аллотропии форми молекула утворена однаковою кількістю атомів. Відрізняється спосіб їх розташування в кристалічній решітці. Так, до складу молекули сірки входить вісім атомів. Якщо вони утворюють замкнуту кільцеву структуру, виходить найбільш стійка модифікація — ромбічна сірка. Коли циклічна структура набуває форму корони, формується моноклинная сірка. А в разі утворення полімерних ланцюжків — пластична.

Фізичні властивості аллотропних модифікацій вуглецю, як і інших елементів, що мають характерні відмінності. Наприклад, білий фосфор візуально нагадує віск, а чорний — графіт. Кисень — це прозорий безбарвний газ, а озон — блакитного кольору з різким запахом. Суттєві відмінності мають алотропні модифікації вуглецю — алмаз і графіт.

Властивість аллотропии характерно тільки для елементів, які мають змінне значення ступеня окислення і здатні утворювати ланцюжки з атомів — гомоцепні структури.

Скільки аллотропних модифікацій має вуглець

У нашій статті мова піде про хімічний елемент, який утворює найбільшу кількість аллотропних форм. На даний момент їх відомо більше десяти. Вуглець — активний елемент. Різні модифікації він може утворювати завдяки наявності чотирьох вільних зв’язків. Молекулярна формула аллотропних модифікацій вуглецю буде абсолютно однакова для всіх форм — З. А от структура кристалічної решітки відрізняється.

За характером хімічного зв’язку розрізняють кілька форм вуглецю. Прикладами тетраэдрической є алмаз і його гексагональний аналог — лонсдейліт. У кристалічних решітках цих речовин центральний вуглець у вузлах пов’язаний з іншими атомами.

Найбільш численними є тригональные форми. У цьому випадку вуглець утворює шестикутники, шари яких пов’язані між собою. Прикладами таких модифікацій є графіт, фулерени, нанотрубки, скловуглець, графены та інші речовини. У разі утворення ланцюжків вуглецю формується лінійна аллотропная форма. Її прикладом є карбін.

Алмаз

Почнемо характеристику аллотропних модифікацій вуглецю з самого твердого речовини за шкалою Мооса. Алмаз отримав в ній найвищу оцінку — 10 балів. Це речовина ріже скло. Близький по твердості до алмазу тільки штучно створений матеріал ельбор. У природні умови речовини з подібними властивостями не знайдено. Оцінку дев’ять балів по даній шкалі по праву заслужив корунд, який дряпає скло. А заслужену вісімку отримує топаз, що легко піддається обробці алмазом.

Крім твердості, до характеристик алмазу можна віднести найбільш високі показники теплопровідності, зносостійкості до стирання і модуля пружності. Такі унікальні властивості пояснюються особливою структурою кристалічної решітки. Кожний атом вуглецю в ній пов’язаний з чотирма іншими за допомогою ковалентних зв’язків. Відстань між усіма атомами однакове, тому зв’язки міцні по всіх напрямах.

Якщо алмаз без доступу повітря нагріти до 1000 градусів, то він поступово перетворюється в графіт. Існує і зворотний процес. З графіту можна отримати штучні алмази, якщо розігріти його до температури понад 1200 градусів під високим тиском у присутності каталізатора.

Ще одним унікальним властивістю алмазів є їх здатність до люмінесценції. При дії випромінювання алмази починають світитися різними кольорами. Така гра світла, хороший показник заломлення і прозорість роблять цей дорогоцінний камінь одним з найдорожчих. Причому необроблений алмаз не володіє такими якостями. Здатність до багаторазового відбиття йому надає ограновування, після якої алмаз називають діамантом.

Лонсдейліт

Погодьтеся, з усіх назв аллотропних модифікацій вуглецю це є самим химерним. Лонсдейліт отримав назву на честь британського кристаллографа Кетлін Лонсдей. Його ще називають гексагональным алмазом. Перший вдалий синтез даної модифікації з графіту був зроблений ще в 1966 році. У той же час лонсдейліт виявили в кратерах метеоритів. Пізніше вчені зуміли отримати цю речовину з традиційного кубічного алмазу.

Елементарна комірка лонсдейліта складається з чотирьох атомів вуглецю з двошаровою упаковкою. У той час як у звичайного алмазу їх вісім, а упаковка — тришарового типу.

Лонсдейліт — коричнево-жовтий прозорий металлоид з алмазним блиском. Його твердість максимально досягає 8 одиниць по Моосу. Кристали лонсдейліта видно тільки під мікроскопом. Широкого практичного застосування це речовина поки не отримало зважаючи трудомісткості його отримання.

Графіт

Ми рідко замислюємося, з якої речовини складається стрижень простого олівця. А адже це графіт — одна з найважливіших аллотропних модифікацій вуглецю. Максимальний показник твердості цієї речовини — 2 бали. Колір — сірий, блиск — металловидный, структура шарувата. На поверхні залишає чорні риси. До фізичним характеристикам також відносять добру електро — і теплопровідність, стійкість при нагріванні у вакуумі. На дотик графіт жирний і слизький.

Як з однієї речовини можливе утворення настільки різних речовин? Справа в тому, що в графіті атоми вуглецю розташовуються шарами. Зв’язку в них дуже міцні. А от відстань між шарами набагато більше. Відповідно, і зв’язки між ними слабкі. Кожен раз проводячи грифелем простого олівця по паперів, ми залишає на ній графітовий шар. А ось зруйнувати такий стрижень вздовж вісі буде дуже складно.

Графены

Ця аллотропная модифікація вуглецю являє собою моношар графіту. Товщина такого шару — один атом. Основою отримання графіту є ручне механічне відщеплення в лабораторних умовах, що не передбачає широкого виробництва.

У більш великих масштабах графен отримують при нагріванні кремнієвих пластин. Їх верхній шар складається з карбіду кремнію. При дії високих температур атоми вуглецю отщепляются і залишаються на платівці у вигляді графена. А кремній випаровується. Вперше ця речовина було отримано у 2004 році. Фізик Костянтин Новосьолов зі своїм учнем Андрієм Геймом отримали за це відкриття Нобелівську премію.

Графен — тонка і міцна речовина з високими показниками електропровідності. В даний час він широко використовується в мікроелектроніці та автомобілебудуванні.

Нановолокна

Дана аллотропная модифікація вуглецю представлена трубчастими микроструктурами. Ниткоподібні структури нановолокон утворені великою кількістю графенових шарів. Вони розташовуються під певним кутом відносно осьового волокна — «ялинкою».

Така структура і склад забезпечує нановолокнам виняткові властивості при низькій ціні. Це високі тепло — і електропровідність, механічна міцність, стійкість до деформації. Нановолокна служать армуючими елементами в композитних матеріалах і наповнювачами гум.

Скловуглець

Це речовина в кінці 20 століття в Манчестері отримав голландський хімік Бернард Редферн. Скловуглець — це аллотропная модифікація вуглецю, що поєднує електропровідність графіту і твердість скла. В умовах вакууму він не руйнується навіть при температурі в декілька тисяч градусів. А ось на повітрі плавиться вже при 500 °С. Ще одна характерна риса — стійкість до корозії при дії лугів і кислот. Застосовують скловуглець для виготовлення електродів і тиглів.

Карбін

Дана модифікація є прикладом лінійної форми аллотропии. Карбін складається з вуглецевих ланцюгів з одинарними, подвійними чи потрійними зв’язками між атомами. Такі лінійні структури можуть перетворюватися в циклічні.

По фізичним властивостям карбін — чорний порошок, що складається з дрібних кристалів. Він є напівпровідником. Причому це властивість посилюється під впливом світла, що зумовлює використання карбина у фотоелементах.

Ще одне дивовижне якість цієї речовини — сумісність з тканинами людського організму. Тому карбін застосовують ще і в медицині для виготовлення штучних кровоносних судин.

Отже, вуглець — це речовина, яка утворює кілька простих речовин — аллотропних модифікацій. Вони обумовлені різним розташуванням атомів в кристалічній решітці. Алотропні форми карбону мають широкий спектр фізичних властивостей, багато з них мають практичне значення і широко використовуються в різних галузях людської діяльності.