Неорганическая химия. Т. 2. Под ред. Ю.Д. Третьякова (975564), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Поэтому графит легко расслаивается, что позволяет использовать его как твердую смазку и материал для грифелей карандашей. Алмаз образует бесконечную трехмерную структуру, в которой каждый атом углерода, находящийся в состоянии зрг-гибридизации, соединен равноценны- 110 Таблица 5,3 Физические свойства простых вепгеств ми ковалентными а-связями с четырьмя соседними атомами, образующими тетраэдр. Элементарные тетраэдры обьединены в бесконечный изотропный кубический кристалл' (рис. 5.5).
Благодаря симметричному распределению электронной плотности отталкивание между валентными электронными парами минимально, а каркасная атомная структура алмаза отличается чрезвычайной энергетической устойчивостью. Из-за различного кристаллического строения графит и алмаз резко отличаются по свойствам. Плотность алмаза значительно превышает плотность графита (см. табл. 5.3).
По твердости графит относится к самым мягким веществам, тогда как алмаз выступает в роли эталона максимальной твердости (10 баллов по шкале Мооса). Слоистое строение графита определяет анизотропию его свойств. Например, вдоль слоя электропроводность в 5000 раз больше, чем в поперечном направлении. Рнс. 5.3. Строение р-ап Рнс. 5.4. Строение графита * Известен также гексагональный алмаз — лонслейлнт. Рнс. 5.5. Строение алмаза: а — кристаллическая решетка; б — каркас При атмосферном давлении и любых температурах графит является более устойчивой модификацией, чем алмаз.
Благодаря меньшему удельному объему алмаза по сравнению с графитом при высоких давлениях (выше 4 ГПа) и температурах (выше 1500 'С) графит превращается в алмаз (рис. 5.6). Этот процесс ускоряется в присутствии расплавленных металлов (Сг, Ре, Х1) и неметаллов (красный фосфор). Получаемые таким способом алмазы часто имеют черный цвет из-за включений гетероатомов. Принципиально новым методом синтеза кристаллов искусственных алмазов является выращивание их из раствора углерода в расплавленных карбонатах щелочноземельных металлов при высоких температурах и давлениях. Этим спосо- 15 Алмаз С(хс) бом выращивают прозрачные кристаллы (с высокой сантиметровых размеров.
плотностям) Новые модификации углерода — фуллерены обнаружены в продуктах конденсации паров графита'. За открытие фуллеренов кт С( ) Х.Крото (Великобритания), Р.Смолли и Графит (с низкой Р.Керл (США) в 1996 г. получили Нобеплотностью) левскую премию по химии. Молекула фул- 0 лерена Сев (бакминстерфуллерена) имеет 2000 4000 6000 8000 сф „ ф ()на на Температура, С единенных между собой пяти- и шесгизвенРис. 5.6. Фазопая диаграмма углерода ных циклов (рис.
5.7, а), содержащих угле- (А — критическая точка) род как в состоянии зр'-, так и в зр'-гибри- Я 10 112 ' Вальлия М.Е. Фуллерены — новая форма углерода // Вестник РАН. 1993. )Чз 1. С. 25; Сакалаа Д И. Химия фуллеренов — новых аллотропных модификаций углерода // Изв. РАН.
Сер. хим. 1999. М т. С. 1211. 0,143 нм 39 нм Рнс. 5.7. Строение молекулы: а — бакминстерфуллерена; б — фторфуллерена СгеРц дизации. Кроме Сео вьщелены и другие фуллерены: с большим (Сто, Ств) и с меньшим (Сзе) числом атомов углерода в молекуле.
Существует и четвертая модификация углерода — карбин*, которая получена дегидрированием ацетилена в присутствии катализаторов на основе солей меди: са пНС вЂ” СН вЂ” + ( — С— = С вЂ” С— = С вЂ” )„ч- пНз Атомы углерода объединяются в линейные цепочки за счет лр-гибридных связей. Карбин химически инертен и не взаимодействует с водородом.
При высоких температурах и давлениях без катализатора карбин превращается в алмаз. В аморфных формах углерода: угле, саже, стеклоуглероде — присутствуют атомы С в различных гибридных (лр, лрт, лрз) состояниях. Стеклоуглерод — уникальный тугоплавкий материал с высокой механической прочностью, электропроводностью, устойчивостью к агрессивным средам: расплавленным щелочам, солям, кислотам, окислнтелям. Кремний кристаллизуется в кубической структуре типа алмаза. Кристаллический кремний представляет собой темно-серые кристаллы, твердые, но хрупкие. После полировки они приобретают синевато-серый блеск. Аморфный кремний представляет собой бурый порошок на основе сильно разупорядоченной апмазоподобной структуры.
Кремний — полупроводник: его сопротивление понижается при повышении температуры. Кремний более летуч, чем углерод (см. табл. 5.3), так как связь Я вЂ” Я! характеризуется меньшей прочностью по сравнению с С вЂ” С. Германий образует хрупкие блестящие серебристо-белые кристаллы со структурой типа алмаза. Как и кремний, германий — полупроводник, но ширина его запрещенной зоны (0,67 эВ) меньше, чем Я (1,1 эВ).
В расплавленных германии и кремнии реализуется более плотная упаковка атомов, поэтому при плавлении их плотность увеличивается. ' Карбин кристаллизуется в двух формах; полииновой 1 — С=С вЂ” СваС вЂ” ) и кумуленовой (=С=С=С=С=). Последняя устойчива при давлении свыше 9 МПа и температуре 1800 С. Подробно смс Сладков А. 3т. Карбин — третья аллотропная форма углерода, — Мл Наука, 2003.— 150 с.
113 Нанотрубки. Нанотрубками» называют молекулярные структуры из графитовых слоев, свернутых в трубки диаметром около 1 нм. Они образуются на поверхности графитового катода в электрической дуге между графитовыми электродами в атмосфере гелия. Отдельные нанотрубки достигают в диаметре 100 мкм. Различают открытые и закрытые нанотрубки, которые с одного или обоих концов закрыты полусферой, напоминающей половину молекулы фуллерена. Плоский графитовый слой можно «свернуть» в нанотрубку двумя способами (рис.
5.8). Нанотрубка, полученная способом (а), будет обладать металлической проводимостью, способом (б) — полупроводниковой. Развитие технологии таких нанотрубок может в ближайшем будущем привести к революции в молекулярной микроэлектронике. Две пересекающиеся на)!отрубки, например, способны работать в роли выпрямителя тока. Помимо фуллеренов и нанотрубок известны также луковичные структуры, состоящие из нескольких концентрических сфер, организованных наподобие молекулы фуллерена. и::лви ввввввв1» Рис.
5.8. Схема образования нанотрубки из графитового слоя: а — наиотрубка с металлической проводимостью; б — нанотрубка со свойствами полу- проводника * Золотухин И. и Углеролные ианструбки // Соросовский образовательный журн. 1999. № 3. С, 111. Олово имеет две модификации. При комнатной температуре устойчиво белое тетрагональное 0-олово (см. рис. 5.3), которое при понижении температуры медленно превращается в серое п-олово с кубической алмазной структурой (температура перехода 13 С) и свойствами полупроводника (ширина запрещенной зоны 0,08 эВ).
При этом его объем увеличивается на 26%, поэтому компактные оловянные изделия рассыпаются в порошок («оловянная чума»). Аналогичные фазовые переходы в тетрагональную металлическую модификацию в случае кремния и германия происходят только под давлением: при 200 (Я) и 120 (Ое) кбар. Свинец — сине-серый ковкий низкоплавкий металл, мягкий и пластичный (см. табл.
5.3). 5.4. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Углерод обладает низкой реакционной способностью. Так, из гплогенов он взаимодействует лишь с фтором, не вступает в реакцию с азотом и фосфором. Наиболее инертной формой углерода является алмаз, обладающий прочной кристаллической структурой. В атмосфере кислорода (или Фтора) он сгорает 114 лишь при температуре выше 730'С с образованием диоксида СО, (тетрафторида СР4) углерода.
Алмаз инертен по отношению к кислотам и щелочам. В отличие от алмаза графит взаимодействует с кислородом и фтором при более низких температурах, растворяется в концентрированных растворах кислот-окислителей — серной и азотной; С + 4Н1чО,(конц.) = СО,Т + 4)40,7 + 2Н,О Аморфный углерод (уголь) при нагревании выступает как активный восстановитель, например: ЕпО ч. С = Хп ч- СО7 При пропускании водяных паров над раскаленным углем образуется водяной газ — смесь Н2+ СО.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
