Алотропія та її значення

Алотропія та її значення

Алотропія – явище, коли проста речовина складається з певної кількості атомів одного і того ж елемента, які зв’язані між собою у певному порядку або утворюють кристалічні гратки, що відрізняються від інших кристалічних граток, побудованих атомами цього елемента. Цей термін ввів Йонс Якоб Берцеліус. Різні форми цього елементу називаються алотропами. Алотропія зумовлена різними ковалентними зв’язками атомів елементів.

Карбон

Алмаз

Перший, хто довів, що алмаз – це вуглець, був Лавуазьє. Він провів дослід де спалював алмаз. Виявилось, що алмаз горить при температурі 700°С, не залишаючи твердого залишку, як і звичайне вугілля.

Алмаз – один з перших речовин, структура якого була досліджена за допомогою рентгеноструктурного методу Бреггом(1913). У його гратці кожен атом карбону оточений тетраєдрично, на рівних відстанях, чотирма іншими атомами. Кут становить 109°28′. Атоми перебувають у стані sp3-гібридизації. Вони зв’язані міцними ковалентними неполярними зв’язками. З цим пов’язані його властивості, особливо мінеральна твердість (має найвищу твердість за шкалою Мооса) і тугоплавкість (tпл.>4000°С). Але у той час алмаз дуже крихкий і його можна розтерти в порошок у металевій ступці. Має високу теплопровідність – проводить тепло краще за деяки метали (у 4 рази більше ніж Cu), але він не проводить струм. Зразки його у чистому вигляді сильно заломлюють світло. Ще він не розчиняється в розчиниках, бо для того, щоб забрати один атом карбону з поверхні гратки повинні розірватися дуже міцні ковалентні зв’язки.

Алмаз має низьку реакційноздатність. На нього не діють ні кислоти, ні основи. Разом з тим алмаз, нагрітий в кисні до температури вище 800°С, згорає до двуокису вуглецю. Якщо ж сильно нагріти алмаз без доступу кисню, то він перетворюється в графіт.

Завдяки винятковій твердості, алмаз широко застосовують для різання скла, буріння гірських порід і шліфування особливо твердих матеріалів, а, завдяки властивості заломлювання світла, з алмазу виготовляють прикраси.

Графіт

Стародавні вчені вважали графіт одним із мінералів свинцю, можливо тому, що він, як і свинець, залишає на папері слід. У XVIII столітті К.В.Шееле довів, що графіт – це „особливий мінеральний вуголь”. Рідні зв’язки між графітом і алмазом вивчав Луї Бернар Гітон де Морво(1737-1816р.): при обережному нагріванні алмазу без доступу повітря він отримав порошок графіту.

Графіт – темно-сіра кристалічна речовина зі слабким металічним блиском, масна на дотик. Атоми карбону перебувають у стані sp2-гібридизації і об’єднані в плоскі шари, що складаються з правильних шестикутників. У них кожен атом карбону сполучений міцними ковалентними зв’язками з трьома сусідніми атомами (три δ-зв’язки). Зв’язки направлені один до одного під кутом 120°. Четвертий валентний електрон кожного атома в шарі залишається рухливим, як у металів, і може переміщюватись від одного атома карбону до іншого. За рахунок таких електронів виникає металічний зв’язок. Цим пояснюється висока електрична провідність графіту (але гірша, ніж у металів), а також його теплопровідність та металічний блиск.

Відстань між шарами графіту досить велика (0,335 нм), а сили взаємодії між ними порівняно слабкі (це в основному міжмолекулярні сили). Тому графіт розщеплюється на тонкі лусочки, які самі по собі дуже міцні. Лусочки легко прилипають до паперу.

Графіт застосовується у виробництві грифелів для олівців, а також електродів. В суміші з технічними маслами використовується як мастило: його лусочки легко усувають нерівності поверхні, яку змащують. Оскільки він тугоплавкий і добре витримує різку зміну температур, із суміші графіту і глини виготовляють плавильні тиглі для металургії. Використовують графіт і в ядерних реакціях.

Графіт використовують для одержання штучних алмазів. Коли вчені досліджували процес переходу графіту в алмаз, вони прийшли до висновку, що для цього потрібні високі температура і тиск. Незвичайна роль металів в одержанні алмазів була відкрита випадково. Французький хімік Андре Муассан вилив розплав чавуна з дуже високим вмістом карбону в льодяну воду і побачив в утвореному металі дрібні кристалики алмазу. Залізо зіграло роль каталізатора. У 1953р група шведських фізиків застосували високий тиск і температуру і отримали вперше в світі штучні алмази із графіту. У 1961р в Росії був розроблений промисловий метод синтезу алмазів із графіту при температурі 1800-2500°С і тиску 500атм в присутності каталізатора нікеля.