Аллотропные модификации углерода

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

Классификация

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

Строение атома углерода

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.

Строение кристаллических решёток углерода

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.

Основные модификации

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.

Что мы узнали?

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.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 3.9. Всего получено оценок: 27.

Предметы