р – елементи ІV групи

Сполуки карбону дуже поширені. Крім викопного вугілля, у над¬рах Землі є великі скупчення нафти, що є складною сумішшю різних сполук, які містять карбон, переважно вуглеводнів. У земній корі трапляються у величезній кількості солі карбонової кислоти, особ¬ливо карбонат кальцію. У повітрі завжди є діоксид карбону. Нарешті, рослинні і тваринні організми складаються з речовин, з утворенні яких головну участь бере карбон. Отже, цей елемент один з найпоши¬реніших на Землі, хоча загальний вміст його у земній корі становить лише близько 0,1% (мас).

Щодо численності і різноманітності своїх сполук карбон займає серед інших елементів особливе положення. Число вивчених сполук карбону оцінюють тепер приблизно в два мільйони, тоді як сполуки всіх інших елементів, разом взяті, обчислюються лиш сотнями тисяч.

Різноманітність сполук карбону пояснюється здатністю його ато¬мів зв'язуватися між собою з утворенням довгих ланцюгів або кілець.

Алотропія карбону. У вільному стані карбон відомий у вигля¬ді алмазу, що кристалізується в кубічній системі, і графіту, що нале¬жить до гексагональної системи. Такі форми його, як деревне вугілля, кокс, сажа, мають невпорядковану структуру. Синтетично добуто карбін і полікумулен — різновидності карбону, що складаються з лінійних ланцюгових полімерів типу ... —С=С—С==С ... або ...=С= =С=С= ... . Карбін має напівпровідникові властивості. При силь¬ному нагріванні без доступу повітря він перетворюється у графіт.Алмаз — безбарвна, прозора речовина, яка сильно заломлює світ¬лові промені. Він кристалізується в кубічній гранецентрованій ре¬шітці. При цьому одна половина атомів розміщується у вершинах і центрах граней одного куба, а друга — у вершинах і центрах граней другого куба, зміщеного відносно першого у напрямі його просторової діагоналі. Атоми карбону в алмазі перебувають у стані sр3-гібридиза¬ції і утворюють тривимірну тетраедричну сітку, у якій вони зв'язані один з одним ковалентними зв'язками 1. Відстань між атомами в тетра¬едрах дорівнює 0,154 нм. Структуру алмазу показано на мал. 1.

З усіх простих речовин алмаз має максимальне число атомів, що припадають на одиницю об'єму,— атоми карбону «упаковані» в алмазі дуже щільно. З цим, а також з великою міцністю зв'язку у карбонових тетраедрах, пов'язано те, що за твердістю алмаз переважає всі відомі речовини. Тому його широко застосовують у промисловості: майже 80% добутих алмазів використовують для технічних цілей. Його викорис¬товують для обробки різних твердих матеріалів, буріння гірських порід. Будучи дуже твердим, алмаз разом з тим крихкий. Порошок, який дістають при подрібненні алмазу, за¬стосовують для шліфування дорогоцінного каміння і самих алмазів. Відшліфовані про¬зорі алмази називаються діамантами.

У зв'язку з великою цінністю алмазів було зроблено багато спроб добути їх штуч¬но з графіту. Однак довго ці спроби за¬кінчувалися невдачею. Лише в 1955 р., за¬стосувавши дуже високий тиск (порядку 1010 Па) і тривале нагрівання при темпера¬турі близько 3000° С, американським, а од¬ночасно і шведським вченим удалося добути синтетичні алмази. Якщо алмаз прожарювати в кисні, він згоряє, утворюючи діоксид карбону. Якщо алмаз сильно нагріти без доступу повітря, то він перетворюється на графіт.

Графіт являє собою темно-сірі кристали з слабким металічним піском. Він має шарувату решітку. Всі атоми карбону перебувають тут у стані sp2-гібридизації: кожний з них утворює три ковалентні зв'язки з сусідніми атомами, причому кути між напрямами зв'язків дорівнюють 120°. В результаті виникає плоска сітка, складена з пра¬вильних шестикутників, у вершинах яких розміщені ядра атомів карбону відстань між сусідніми ядрами становить 0,1415 нм.

В утворенні зв'язків беруть участь три електрони кожного атома карбону. Четвертий електрон зовнішнього шару займає 2р-орбіталь, яка не бере участі в гібридизації. Такі негібридні електронні хмари атомів карбону орієнтовані перпендикулярно до площини шару і, перекриваючись одна з одною, утворюють делокалізовані -зв'язки. структуру графіту показано на рис. 118.

Сусідні шари атомів карбону в кристалі графіту перебувають на досить

великій відстані один від одного (0,335 нм); це свідчить про малу міцність зв'язку між атомами карбону, розміщеними в різних шарах. Сусідні шари зв'язані

між собою в основному силами Ван дер Ваальса, але частково зв'язок має металічний характер, тобто зумовле¬ний «усуспільненням» електронів усіма атомами кристала 1. Цим пояс¬нюється порівняно висока електропровідність і теплопровідність гра¬фіту не тільки в напрямі шарів, а й в перпендикулярному до них на¬прямі .