Три углеродных материала
Выбирай материал. Схема меняет организацию связей и поверхности и связывает её с физическим свойством.
Схема объясняет процесс; размеры, расстояния и цвета частиц условны. Это учебная модель, а не инструкция проведения опыта.
Одинаковый элемент — разное строение
Алмаз и графит состоят из углерода, но устроены по-разному. В алмазе пространственная сеть делает вещество очень твёрдым; в графите слоистое строение позволяет слоям сдвигаться, а электроны обеспечивают проводимость вдоль слоёв.
Поэтому фраза «атомные кристаллы всегда не проводят ток» неверна. Формула C не сообщает всех свойств: нужно знать структуру. Это один из главных примеров связи строения и поведения вещества.
Алмаз
Пространственная сеть, высокая твёрдость, диэлектрик.
Графит
Слоистое строение, лёгкий сдвиг слоёв, проводимость.
Свойства зависят не только от состава, но и от структуры. Алмаз и графит показывают это для одного элемента.
Атомная и молекулярная решётки
В атомной решётке атомы связаны ковалентными связями в протяжённую сеть: пример — алмаз. В молекулярной решётке сохраняются отдельные молекулы, а между ними действуют межмолекулярные силы: примеры — лёд и твёрдый CO₂.
При плавлении молекулярного вещества обычно ослабляется межмолекулярный порядок, а сами молекулы сохраняются. Для разрушения атомной сети нужно нарушить много прочных связей. Это объясняет большие различия температур плавления.
| Признак / объект | Что означает | Пояснение |
|---|---|---|
| Алмаз | Атомы C и ковалентная сеть | Очень твёрдый |
| Лёд | Молекулы H₂O и водородные связи | Молекулы сохраняются при плавлении |
| Твёрдый CO₂ | Молекулы CO₂ | Легко сублимирует при обычном давлении |
Атомная решётка представляет единую ковалентную сеть. Молекулярная решётка сохраняет отдельные молекулы вещества.
Алмаз, графит и их структуры
Образцы и схемы строения двух простых веществ углерода: алмаза и графита. Состав одинаков, пространственные связи различны.
Itub; составная иллюстрация из работ, указанных на странице файла · Wikimedia Commons · CC BY-SA 3.0. Без изменений.
Не удалось загрузить изображение. Открыть источник
Модель молекулы углекислого газа
Молекула CO₂ линейна: две полярные связи расположены симметрично, поэтому их вклады в полярность компенсируются.
Ben Mills · Wikimedia Commons · Public domain. Без изменений.
Не удалось загрузить изображение. Открыть источник
Углерод — восстановитель в металлургии
При C + O₂ → CO₂ углерод повышает степень окисления с 0 до +4. При недостатке кислорода может образовываться CO, где углерод имеет +2. Состав газа зависит от условий, поэтому неполное сгорание нельзя считать тем же процессом с меньшим количеством продукта.
Углерод способен восстанавливать некоторые металлы из оксидов при нагревании. В реальных печах важную роль часто играет CO, образующийся из углеродного сырья. В обоих случаях металл понижает степень окисления до нуля.
Полное окисление
C + O₂ → CO₂
Неполное окисление
2C + O₂ → 2CO
Восстановление
2CuO + C → 2Cu + CO₂
При C + O₂ → CO₂ углерод повышает степень окисления с 0 до +4. При недостатке кислорода может образовываться CO, где углерод имеет +2.
Поверхность и строение определяют применение
Алмаз твёрд благодаря пространственной сети прочных связей, графит легко расслаивается благодаря особенностям слоистой структуры. Активированный уголь имеет развитую пористую поверхность, на которой могут удерживаться некоторые вещества.
Адсорбция означает накопление на поверхности и отличается от впитывания во весь объём. Возможность очистки зависит от вещества, поверхности и условий: уголь не является универсальным фильтром для любых растворённых солей. Одного названия «углерод» для прогноза свойств недостаточно.
Строение
Связи и пространственная организация
Физические свойства
Твёрдость, проводимость, пористость
Взаимодействие с веществами
Реакция или адсорбция
Применение
Материал, электрод, сорбент
Алмаз твёрд благодаря пространственной сети прочных связей, графит легко расслаивается благодаря особенностям слоистой структуры. Активированный уголь имеет развитую пористую поверхность, на которой могут удерживаться некоторые вещества.
Шесть выводов
Тест по параграфу10 вопросов · 4 варианта · один правильный · 0,5 балла за ответ · максимум 5
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Химия, 9 класс», § 34. Материал переработан для объяснения; источник: 9 класс. Химия — § 34. Углерод — химический элемент и простое вещество.pdf. Научные уточнения учитывают различие молекулярного и немолекулярного строения и границы учебных моделей.
Иллюстрации загружаются непосредственно с Wikimedia Commons; авторы и лицензии указаны под изображениями. Схемы и обучающие модели созданы для этого конспекта.
Royal Society of Chemistry: данные о химических элементах