Аллотропные модификации углерода: названия, физические свойства, характеристики

Известно ли вам, что один и тот же химический элемент может образовать несколько веществ? Причем свойства этих веществ будут абсолютно разными. Из нашей статьи вы узнаете, сколько аллотропных модификаций имеет углерод, в чем их отличие и какова область применения.

Понятие аллотропии

Начнем с определения понятия. В переводе с греческого языка "аллотропия" означает "другое свойство". Суть этого явления заключается в том, что один элемент образует несколько простых веществ. Их называют аллотропными формами или модификациями.

Как это возможно? Существует два вида аллотропии: состава и формы. В первом случае она обусловлена разным количественным составом молекул простого вещества. К примеру, при соединении двух атомов оксигена образуется кислород, трех - озон.

При аллотропии формы молекула образована одинаковым количеством атомов. Отличается способ их расположения в кристаллической решетке. Так, в состав молекулы серы входит восемь атомов. Если они образуют замкнутую кольцевую структуру, получается самая устойчивая модификация - ромбическая сера. Когда циклическая структура приобретает форму короны, формируется моноклинная сера. А в случае образования полимерных цепочек - пластическая.

Физические свойства аллотропных модификаций углерода, как и других элементов, имеют характерные отличия. К примеру, белый фосфор визуально напоминает воск, а черный - графит. Кислород - это бесцветный прозрачный газ, а озон - голубого цвета с резким запахом. Существенные отличия имеют аллотропные модификации углерода - алмаз и графит.

Свойство аллотропии характерно только для элементов, которые имеют переменное значение степени окисления и способны образовывать цепочки из атомов - гомоцепные структуры.

Сколько аллотропных модификаций имеет углерод

В нашей статье речь пойдет о химическом элементе, который образует наибольшее количество аллотропных форм. На данный момент их известно более десяти. Углерод - активный элемент. Разные модификации он может образовывать благодаря наличию четырех свободных связей. Молекулярная формула аллотропных модификаций углерода будет абсолютно одинакова для всех форм - С. А вот структура кристаллической решетки отличается.

По характеру химической связи различают несколько форм углерода. Примерами тетраэдрической являются алмаз и его гексагональный аналог - лонсдейлит. В кристаллических решетках этих веществ центральный углерод в узлах связан с другими атомами.

Наиболее многочисленными являются тригональные формы. В этом случае углерод образует шестиугольники, слои которых связаны между собой. Примерами таких модификаций являются графит, фуллерены, нанотрубки, стеклоуглерод, графены и другие вещества. В случае образования цепочек углерода формируется линейная аллотропная форма. Ее примером является карбин.

Алмаз

Начнем характеристику аллотропных модификаций углерода с самого твердого вещества по шкале Мооса. Алмаз получил в ней самую высокую оценку - 10 баллов. Это вещество режет стекло. Близок по твердости к алмазу только искусственно созданный материал эльбор. В естественных условия вещества с подобными свойствами не найдено. Оценку девять баллов по данной шкале по праву заслужил корунд, который царапает стекло. А заслуженную восьмерку получает топаз, легко поддающийся обработке алмазом.

Кроме твердости, к характеристикам алмаза можно отнести самые высокие показатели теплопроводности, износостойкости на стирание и модуля упругости. Такие уникальные свойства объясняются особой структурой кристаллической решетки. Каждый атом углерода в ней связан с четырьмя другими при помощи ковалентных связей. Расстояние между всеми атомами одинаковое, поэтому связи прочные по всем направлениям.

Если алмаз без доступа воздуха нагреть до 1000 градусов, то он постепенно превратится в графит. Существует и обратный процесс. Из графита можно получить искусственные алмазы, если разогреть его до температуры свыше 1200 градусов под высоким давлением в присутствии катализатора.

Еще одним уникальным свойством алмазов является их способность к люминесценции. При действии излучения алмазы начинают светиться разными цветами. Такая игра света, хороший показатель преломления и прозрачность делают этот драгоценный камень одним из самых дорогих. Причем необработанный алмаз не обладает такими качествами. Способность к многократному отражению ему придает огранка, после которой алмаз называют бриллиантом.

Лонсдейлит

Согласитесь, из всех названий аллотропных модификаций углерода это является самым причудливым. Лонсдейлит получил название в честь британского кристаллографа Кэтлин Лонсдей. Его еще называют гексагональным алмазом. Первый удачный синтез данной модификации из графита был произведен еще в 1966 году. В то же время лонсдейлит обнаружили в кратерах метеоритов. Позже ученые сумели получить это вещество из традиционного кубического алмаза.

Элементарная ячейка лонсдейлита состоит из четырех атомов углерода с двухслойной упаковкой. В то время как у обычного алмаза их восемь, а упаковка - трехслойного типа.

Лонсдейлит - коричнево-желтый прозрачный металлоид с алмазным блеском. Его твердость максимально достигает 8 единиц по Моосу. Кристаллы лонсдейлита видны только под микроскопом. Широкого практического применения это вещество пока не получило ввиду трудоемкости его получения.

Графит

Мы редко задумываемся, из какого вещества состоит стержень простого карандаша. А ведь это графит - одна из важнейших аллотропных модификаций углерода. Максимальный показатель твердости этого вещества - 2 балла. Цвет - серый, блеск - металловидный, структура - слоистая. На поверхности оставляет черные черты. К физическим характеристикам также относят хорошую электро- и теплопроводность, стойкость при нагревании в вакууме. На ощупь графит жирный и скользкий.

Как из одного вещества возможно образование настолько разных веществ? Дело в том, что в графите атомы углерода располагаются слоями. Связи в них очень прочные. А вот расстояние между слоями гораздо больше. Соответственно, и связи между ними слабые. Каждый раз проводя грифелем простого карандаша по бумаг, мы оставляет на ней графитовый слой. А вот разрушить такой стержень вдоль оси будет очень сложно.

Графены

Эта аллотропная модификация углерода представляет собой монослой графита. Толщина такого слоя - один атом. Основой получения графита является ручное механическое отщепление в лабораторных условиях, что не предполагает широкого производства.

В более крупных масштабах графен получают при нагревании кремниевых пластин. Их верхний слой состоит из карбида кремния. При действии высоких температур атомы углерода отщепляются и остаются на пластинке в виде графена. А кремний испаряется. Впервые это вещество было получено в 2004 году. Физик Константин Новоселов со своим учеником Андреем Геймом были удостоены за это открытие Нобелевской премии.

Графен - тонкое и прочное вещество с высокими показателями электропроводности. В настоящее время он широко используется в микроэлектронике и автомобилестроении.

Нановолокна

Данная аллотропная модификация углерода представлена трубчатыми микроструктурами. Нитевидные структуры нановолокон образованы большим количеством графеновых слоев. Они располагаются под определенным углом относительно осевого волокна - "елочкой".

Такая структура и состав обеспечивает нановолокнам исключительные свойства при низкой цене. Это высокие тепло- и электропроводность, механическая прочность, устойчивость к деформации. Нановолокна служат армирующими элементами в композитных материалах и наполнителями резин.

Стеклоуглерод

Это вещество в конце 20 века в Манчестере получил нидерландский химик Бернард Редферн. Стеклоуглерод - это аллотропная модификация углерода, сочетающая электропроводность графита и твердость стекла. В условиях вакуума он не разрушается даже при температуре в несколько тысяч градусов. А вот на воздухе плавится уже при 500 °С. Еще одна характерная черта - устойчивость к коррозии при действии щелочей и кислот. Применяют стеклоуглерод для изготовления электродов и тиглей.

Карбин

Данная модификация является примером линейной формы аллотропии. Карбин состоит из углеродных цепочек с одинарными, двойными или тройными связями между атомами. Такие линейные структуры могут превращаться в циклические.

По физическим свойствам карбин - черный порошок, состоящий из мелких кристаллов. Он является полупроводником. Причем это свойство усиливается под воздействием света, что обусловливает использование карбина в фотоэлементах.

Еще одно удивительное качество этого вещества - совместимость с тканями человеческого организма. Поэтому карбин применяют еще и в медицине для изготовления искусственных кровеносных сосудов.

Итак, углерод - это вещество, которое образует несколько простых веществ - аллотропных модификаций. Они обусловлены различным расположением атомов в кристаллической решетке. Аллотропные формы углерода обладают широким спектром физических свойств, многие из них имеют практическое значение и широко используются в разных отраслях человеческой деятельности.