Номер 1, страница 227 - гдз по химии 11 класс учебник Мычко, Прохоревич

1. Назовите аллотропные модификации углерода и области их использования. Прокомментируйте с химической точки зрения следующий текст: «Разнообразие его свойств поражает: самый мягкий и сверхтвёрдый, эталон прозрачности и абсолютной черноты, теплоизолятор и один из лучших проводников тепла, диэлектрик, проводник и полупроводник».

Аллотропные модификации углерода и области их использования

Углерод образует несколько аллотропных модификаций — простых веществ, различающихся строением и, как следствие, свойствами. Это явление возможно благодаря способности атомов углерода образовывать прочные ковалентные связи в разных гибридных состояниях ($sp^3$, $sp^2$, $sp$).

Основные аллотропные модификации:

Алмаз. В его кристаллической решётке каждый атом углерода находится в состоянии $sp^3$-гибридизации и связан прочными ковалентными связями с четырьмя соседними атомами, образуя жёсткий трёхмерный тетраэдрический каркас. Это обуславливает его уникальную твёрдость и химическую инертность.

Области использования: изготовление абразивных материалов (круги, порошки) и режущих инструментов (свёрла, резцы, пилы), ювелирные изделия, теплоотводы для полупроводниковых приборов, защитные оптические покрытия, окна для мощных лазеров.

Графит. Имеет слоистую структуру. В каждом слое атомы углерода находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации и образуют прочные гексагональные сетки (подобно пчелиным сотам). Слои связаны между собой слабыми межмолекулярными силами (силами Ван-дер-Ваальса), поэтому они легко скользят друг относительно друга. Наличие делокализованных $\pi$-электронов в слоях обеспечивает электропроводность.

Области использования: стержни для карандашей, твёрдые смазочные материалы, электроды в электрохимии и металлургии, замедлитель нейтронов в ядерных реакторах, наполнитель для пластмасс.

Фуллерены и углеродные нанотрубки. Это кластерные (молекулярные) формы углерода. Фуллерены представляют собой замкнутые сферические или эллипсоидальные молекулы (например, $C_{60}$, похожий на футбольный мяч). Углеродные нанотрубки — это цилиндрические структуры, которые можно представить как свёрнутый в трубку лист графена.

Области использования: материалы для наноэлектроники, катализаторы химических реакций, добавки для создания сверхпрочных композитов, системы для адресной доставки лекарств в организме.

Графен. Представляет собой двумерный кристалл, состоящий из одного слоя атомов углерода, соединённых в гексагональную решётку (по сути, это один отдельный слой графита). Обладает исключительной прочностью, высокой тепло- и электропроводностью.

Области использования: перспективный материал для создания гибкой электроники, сенсоров, прозрачных токопроводящих покрытий (для дисплеев и солнечных батарей), фильтров для опреснения воды, сверхлёгких и прочных композитов.

Аморфный углерод. Собирательное название для форм углерода, не имеющих кристаллической структуры (или имеющих ближний порядок, но не имеющих дальнего). К ним относятся сажа, древесный уголь, кокс.

Области использования: сажа — усиливающий наполнитель для резины (в производстве шин) и чёрный пигмент (типографская краска); активированный уголь — адсорбент в фильтрах, противогазах, медицине; кокс — топливо и восстановитель в доменном производстве чугуна.

Ответ: Ключевые аллотропные модификации углерода: алмаз ($sp^3$-гибридизация, трёхмерная решётка) используется в абразивах и ювелирном деле; графит ($sp^2$-гибридизация, слоистая структура) — в карандашах, смазках, электродах; фуллерены, нанотрубки и графен являются перспективными наноматериалами для электроники и композитов; аморфный углерод (сажа, уголь) применяется как пигмент, адсорбент и топливо.

Комментарий с химической точки зрения следующего текста: «Разнообразие его свойств поражает: самый мягкий и сверхтвёрдый, эталон прозрачности и абсолютной черноты, теплоизолятор и один из лучших проводников тепла, диэлектрик, проводник и полупроводник».

Это яркое описание демонстрирует уникальность углерода, чьи аллотропные модификации обладают полярно противоположными свойствами. С химической точки зрения, это разнообразие объясняется различиями в строении кристаллических решёток и типе гибридизации атомных орбиталей углерода.

«самый мягкий и сверхтвёрдый». Сверхтвёрдым является алмаз. Его твёрдость (10 по шкале Мооса) обусловлена жёсткой трёхмерной структурой, где каждый атом ($sp^3$-гибридизация) связан с четырьмя другими прочнейшими ковалентными связями. Самым мягким (1-2 по шкале Мооса) является графит. Его слои, состоящие из атомов в $sp^2$-гибридизации, прочны сами по себе, но связаны друг с другом очень слабыми силами, что позволяет им легко скользить.

«эталон прозрачности и абсолютной черноты». Эталон прозрачности — это алмаз. Он прозрачен для видимого света, так как его электроны прочно связаны, и энергии фотонов видимого спектра недостаточно для их возбуждения (широкая запрещённая зона, ~5.5 эВ). Абсолютной чернотой обладают графит и аморфный углерод (сажа). Делокализованные $\pi$-электроны в структуре графита способны поглощать фотоны света во всём видимом диапазоне, что придаёт ему чёрный цвет и непрозрачность.

«теплоизолятор и один из лучших проводников тепла». Один из лучших проводников тепла — это алмаз (его теплопроводность в несколько раз выше, чем у меди). Передача тепла в нём осуществляется за счёт эффективного распространения колебаний (фононов) по его упорядоченной и жёсткой кристаллической решётке. Теплоизолятором выступает аморфный углерод, например, древесный уголь. Его пористая структура с хаотичным расположением атомов сильно рассеивает фононы, препятствуя передаче тепла.

«диэлектрик, проводник и полупроводник». Диэлектриком (электрическим изолятором) является алмаз. В его структуре нет свободных носителей заряда — все валентные электроны участвуют в образовании прочных локализованных связей. Проводником является графит (и графен), чьи делокализованные $\pi$-электроны могут свободно перемещаться вдоль графеновых слоёв, перенося электрический заряд. Полупроводниковые свойства характерны для некоторых углеродных нанотрубок (их тип проводимости зависит от геометрии — хиральности) и фуллеренов.

Ответ: Указанные в тексте контрастные свойства принадлежат разным аллотропным модификациям углерода и объясняются их строением. Алмаз ($sp^3$-каркас) — сверхтвёрдый, прозрачный, диэлектрик и отличный теплопроводник. Графит ($sp^2$-слои) — мягкий, чёрный и является проводником электричества. Углеродные нанотрубки и фуллерены могут быть полупроводниками, а пористые формы аморфного углерода — теплоизоляторами.