Элементарный углерод образует три аллотропных видоизменения: алмаз, фуллерен и графит.
Алмаз – бесцветное, прозрачное кристаллическое вещество, чрезвычайно сильно преломляющее лучи света. Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии sp3-гибридизации. В возбужденном состоянии происходит распаривание валентных электронов в атомах углерода и образование четырех не спаренных электронов.
Каждый атом углерода в алмазе окружен четырьмя другими, расположенными от него в направлении от центра в тетраэдров к вершинам. Расстояние между атомами в тетраэдрах равно 0, 154 нм. Прочность всех связей одинакова. Таким образом, атомы в алмазе «упакованы» очень плотно. При 20оС плотность алмаза составляет 3,1515 г/см3 . Этим объясняется его исключительная твердость. Алмаз плохо проводит электрический ток. Основная масса, образования алмазов – небольшие кристаллы и алмазная пыль.
Алмазы при нагревании без доступа воздуха выше 1000оС превращается в графит. При 1750оС превращение алмаза в графит происходит быстро.
Графит – серо-черное кристаллическое вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь, по твердости уступает даже бумаге.
Атомы углерода в кристаллах графита находятся в состоянии sp2 – гибридизации: каждый из них образует трех ковалентные у-связи с соседними атомами. Углы между направлениями связей равна 120о. В результате образуется сетка, состоящая из правильных шестиугольников. Расстояние между соседними ядрами атомов углерода внутри слоя составляет 0,142 нм.
Графит имеет низкую механическую прочность и легко расщепляется на чешуйки, которые сами по себе очень прочны. Связь между слоями атомов углерода в графите частично имеет металлический характер. Этим объясняется тот факт, что графит хорошо проводит электрический ток, но все же не так, как металл.
При нагревании без доступа воздуха графит не претерпевает никакого изменения до 3700оС. При указанной температуре он выгоняется, не плавясь. Графит термодинамичен, устойчив в широком интервале температур и давлений. Плотность составляет 2,256 г/см3. Фуллерены (название дано в честь американского архитектора Р. Б. Фуллера 1895-1983, предложившего строить ажурные куполообразные конструкции сочетанием пяти – и шестиугольников)
Фуллереном называется третья, недавно открытая, аллотропная форма углерода. Ранее были известны только две из них – графит и алмаз. Фуллерены это микро конструкции из атомов углерода образующих сферическую структуру с полостью внутри.
Минимальное количество атомов углерода из которых строится фуллерен – шестьдесят, однако атомов углерода может быть и больше – 70, 76, 78, 82, 84, 90, 94, 96 и т. д. Чем из большего количества атомов углерода построен фуллерен, тем, естественно, больше объем полости внутри него.
При формировании фуллерена из атомов углерода, в его полости, как в закрытом сосуде, могут оказаться “законсервированными” какие-либо другие атомы или молекулы.
Фуллерены были обнаружены в составе метеоритов, а внутри них были найдены молекулы, попавшие туда во время их формирований много сотен миллионов, а может и нескольких миллиардов лет назад. Таким образом, появилась возможность изучать “законсервированные” пробы вещества из которого состояла Солнечная система в то время, когда формировались те или другие фуллерены.
Бесплатно скачать реферат “Аллотропные формы углерода” в полном объеме