Аллотропные модификации углерода
Соединения, состоящие из атомов углерода, но различающиеся по строению и свойствам, называются аллотропными модификациями углерода. Основные модификации углерода – графит, алмаз, карбин.
Содержание
Классификация
Способность связывать четыре атома делает углерод активным элементом. Кроме присоединения атомов других элементов, углерод может образовывать различные модификации, отличающиеся по строению и свойствам.
Рис. 1. Строение атома углерода.
Различают два вида углерода в зависимости от образования модификаций:
- кристаллический – входит в состав твердых тел;
- аморфный — образует мягкие вещества.
Кристаллические формы углерода:
- алмаз;
- лонсдейлит;
- наноалмаз;
- графит;
- графен;
- карабин;
- фуллерены;
- фуллерит;
- углеродное волокно;
- углеродные нановолокна;
- углеродные нанотрубки.
По геометрическому строению кристаллической решетки различают три типа аллотропных модификаций:
- тетраэдрический (sp3-гибридизация) – центрально расположенный атом углерода связан с атомами в узлах тетраэдра;
- тригональная (sp2-гибридизация): атомы углерода образуют шестиугольники, соединенные друг с другом слоями;
- линейная (sp-гибридизация): атомы углерода образуют цепочки, связанные одинарными, двойными и тройными связями.
Рис. 2. Строение кристаллических решеток углерода.
Аморфный углерод образует следующие модификации:
- активированный уголь;
- уголь;
- ископаемый углерод;
- кокс угольный;
- стеклоуглерод;
- углеродная нанопена;
- черный карбон;
- сажа.
Лонсдейлит — гексагональная модификация алмаза. Наноалмазы, фуллерены, нанотрубки и нанографиты объединены в семейство наноуглеродных кластеров. Они состоят из вложенных друг в друга углеродных сфер.
Основные модификации
Наиболее изученными твердыми формами углерода являются алмаз, графит и карбин. Особенности строения и свойства аллотропных модификаций углерода представлены в табл.
|
Модификация |
Решетчатая структура |
Характеристики |
Запрос |
|
Графит |
Тригональный |
Относительно мягкий жирный минерал с электропроводностью. Имеет серый металлический блеск. Плотность — 2,23 г/см3 не тает Реагирует с щелочными металлами, солями, кислородом |
Смазка в прокатном производстве. За счет отрыва треугольной решетки используется как стержень карандаша |
|
Карабин |
Линейный |
Мелкокристаллический порошок низкой плотности. Полупроводник |
Используется в фотоэлементах |
|
Алмаз |
Тетраэдрический |
Прозрачный минерал с самой высокой твердостью. Обладает теплопроводностью и является полупроводником. Имеет высокий показатель преломления. Плавится при 3700°C |
Драгоценный камень, абразив. Сверла, ножи, фрезы изготовлены из алмаза |
Рис. 3. Графит, карабин и алмаз.
При сильном нагревании графит превращается в алмаз, а алмаз в графит.