2. Физические свойства и применение простых веществ

Элемент углерод образует несколько аллотропных модификаций, важнейшие из которых — алмаз, графит, фуллерены, карбин. Эти вещества различаются своим строением.

 

 

Алмаз — бесцветное твёрдое вещество с атомной кристаллической решёткой, в которой каждый атом углерода образует четыре прочные ковалентные связи с другими атомами. Это самое твёрдое из известных природных соединений. Алмаз не растворяется в воде, хорошо преломляет свет, не проводит электрический ток.

 

С давних пор обработанные алмазы (бриллианты) используются для изготовления украшений. Искусственные алмазы применяются для резки и обработки твёрдых веществ.

 

Графит — непрозрачное серо-чёрное вещество с металлическим блеском. В графите атомы углерода расположены слоями, состоящими из плоских шестиугольных колец, и соединены друг с другом тремя ковалентными связями. Четвёртый электрон каждого атома способен перемещаться между слоями, и поэтому графит проводит электрический ток. Он мягкий, оставляет чёрный след на бумаге. Температура плавления у графита высокая — \(3800 °C\).

 

Графит знаком всем по стержням простых карандашей. Он применяется также для изготовления электродов, огнеупорных форм в металлургии, в качестве сухой смазки. Из графита изготавливаются искусственные алмазы.

 

Карбин — чёрный порошок, состоящий из линейных полимерных цепочек $C_{\mathrm{\infty }}$, в которых каждый атом углерода связан с соседними атомами ковалентными связями: $=C=C=C=$, $-C\equiv C-C\equiv C-$. При нагревании превращается в графит. Обладает полупроводниковыми свойствами.

 

Карбин находит применение в электронике, авиации, космонавтике, медицине.

 

Фуллерены — чёрные кристаллические вещества с металлическим блеском. В отличие от других модификаций углерода, фуллерены могут растворяться в неполярных растворителях (например, в бензоле). Фуллерены имеют молекулярное строение. Их шарообразные молекулы имеют разный состав: $C_{60}$, $C_{70}$ и т. д. Молекулы полые внутри, их поверхность состоит из пяти- и шестиугольных углеродных циклов.

Углерод существует также в виде аморфных веществ — древесного угля, кокса и сажи, которые состоят из беспорядочно расположенных частиц графита.

 

Древесный уголь образуется, если древесину нагревать без доступа воздуха. Это пористый материал, способный адсорбировать газообразные и растворённые вещества. Такое свойство угля находит применение в медицине, для очистки воды, в производстве сахара и других продуктов.

 

Кокс получают из каменного угля при его коксовании; применяется он для восстановления металлов из металлических руд.

 

Сажа — это мелкие частицы графита. Она образуется при разложении углеводородов. Сажа входит в состав типографской краски, используется как наполнитель в производстве резины.

Для кремния известно несколько модификаций. Наиболее устойчив кристаллический кремний. Это вещество, имеющее строение, сходное со строением алмаза. По свойствам кремний больше похож на графит.

 

Кристаллический кремний — тёмно-серое непрозрачное, твёрдое, тугоплавкое вещество, обладающее полупроводниковыми свойствами.

 

 

Кремний находит широкое применение в разных отраслях техники и промышленности: