Аллотропия

элементов вспомним некоторые базовые понятия и принципы.
Главный принцип: свойства материальной

Этот принцип является общим принципом природы, мы будем его применять по отношению к веществам. Если состав двух веществ одинаков, но строение различное, то и свойства у этих веществ будут разными. Одним из самых ярких примеров являются графит и алмаз – оба эти вещества состоят только из атомов углерода, но соединены эти атомы по-разному, что приводит к кардинально различающимся свойствам:

Строение кристаллических решеток алмаза (а) и графита (б) и изображения самородного алмаза и графита

а)

б)

Подробнее эти вещества будут рассмотрены ниже.

простых веществ. Например, химический элемент кислород может существовать в виде

Аллотропные модификации – простые вещества, в виде которых существуют химические элементы. Примеры рассмотрим ниже – это все-таки основной материал презентации :)

Сведем в одну таблицу все аллотропные модификации, которые нужно знать или иметь о них представление. В первом столбце указан символ химического элемента, во втором те аллотропные модификации, которые входят в школьный курс, в третьем аллотропные модификации, которые (по современным представлениям) реально существуют в природе.

Последняя фраза нуждается в примере. В школе у водорода нет аллотропных модификаций, но при переходе в ВУЗ химической направленности у водорода сразу появляется 2 аллотропные модификации (орто- и пара-водород).

строением, приведены молекулярные формулы вещества.

располагаются во втором столбике (школьный уровень) нужно знать всем. Те

Примечание №2. На зачетах и экзаменах в школе лучше не выпендриваться и не говорить о том, о чем имеете слабое представление. Так что не всегда имеет смысл даже упоминать всякую экзотику типа фиолетового фосфора (фосфора Гитторфа). Проще будет ограничиться четким и прочным знанием школьного курса, а то можно получить логичный вопрос об упомянутой экзотике :)

Примечание №3. Презентация будет постоянно обновляться, на данном этапе она содержит подробные сведения только об аллотропных модификациях кислорода, углерода и фосфора.

- 183˚С
tпл = - 193˚С
tкип = - 112˚С
1) Строение

1) Строение молекулы угловое:

О – О

2) Газообразный О2 - бесцветный
Жидкий О2 – светло-голубой

2) Газообразный О3 – голубой
Жидкий О3 – темно-синий

3) Парамагнитен (втягивается в магнитное поле)

3) Диамагнитен (выталкивается из магнитного поля)

4) Окислитель

4) Более сильный окислитель

Состав и строение молекул разные, следовательно, разные свойства

жидкий O2

жидкий O3

молекул; молекула построена из 4 атомов фосфора, обладает тетраэдрическим строением:

Строение молекулы P4(а), образец белого фосфора(б) и его хранение под слоем воды(в)

а)

б)

в)

1) Вещество полимерного строения - т.е. атомы соединены в бесконечные цепочки (условно называемые бесконечными).

Образцы красного фосфора

2) Свойства:
мягкое легкоплавкое вещество (плавится в горячей воде)
химически активен
- ядовит!!!
- светится в темноте

2) Свойства:
аморфное вещество (нет упорядоченного строения как в кристаллах)
- химически неактивное вещество
- при аккуратном обращении (если не употреблять внутрь) не ядовит

Строение разное, следовательно, разные свойства

образует 4 равноценные связи с четырьмя другими атомами углерода. В

Строение кристаллической решетки алмаза (а), самородок алмаза (б) и бриллиант – ограненный алмаз (в)

а)

б)

в)

1) Вещество немолекулярного кристаллического слоистого строения: каждый атом углерода образует три равноценные прочные связи с тремя атомами углерода в своем слое, оставшаяся валентность тратится на связывание слоев. Между слоями связь гораздо длиннее, чем внутри слоя, поэтому слои связаны слабо и легко смещаются относительно другу друга. Это обуславливает использование графита как пишущего материала в карандашах и как твердой смазки. Такое строение обуславливает так же полупроводниковые свойства графита.

а)

б)

Строение кристаллической решетки графита (а) и образец графита (б)

3000˚С
- ρ = 3,5 г/см3
2) Физические свойства:
- мягкое вещество
-

3) Теплота сгорания Qсгор.:
С(алмаз) + О2(г.) = СО2(г.) + 395 кДж

3) Теплота сгорания Qсгор.:
С(графит) + О2(г.) = СО2(г.) + 393 кДж

4) В ходе химических реакций структура алмаза разрушается

4) В ходе химических реакций структура графита может разрушаться, а может сохраняться (в интеркалятах)

Строение разное, следовательно, разные свойства

структуры (в отличие от алмаза и графита). Межатомные связи беспорядочные,

Схематичное изображение аморфного углерода (а) и его внешний вид (б)

а)

б)

Аморфный углерод (сажа) – самая распространенная и поэтому одна из наиболее практически важных модификаций углерода.

Применяется в качестве топлива (высокая теплоты сгорания) и в качестве адсорбента – вещества, способного поглощать другие соединения за счет очень большой площади поверхности. В таком качестве аморфный углерод используется в виде таблеток активированного угля и как наполнитель в противогазах.

Современный способ получения активированного угля предложил профессор МГУ Н.Д. Зелинский во время Первой мировой войны, когда начали активно использовать отравляющие газообразные вещества.

(C70) полые молекулы, построенные из 5- и 6-членных циклов из

а)

б)

в)

г)

д)

Внешний вид фуллеренов состава C60 приведен на рис. в. Эта аллотропная модификация углерода была названа в честь американского архитектора Р. Б. Фуллера, разработавшего принцип построения куполов зданий из 5- и 6-членных циклов (рис. г)

Кроме С60 и С70 существуют фуллерены и другого состава (рис. д). Изучение этих молекул является одним из перспективных направлений нанохимии.

из графитовых слоев (см. строение графита), свернутых в трубки диаметром

Схематичное изображение структуры углеродной нанотрубки (а) и фотографии, сделанные на электронном микроскопе (б, в) – обратите внимание на масштаб (μm –микрометр 10-6 м; nm – нанометр 10-9 м)

а)

б)

в)

Углеродные нанотрубки можно использовать как «форму» для синтеза длинных наночастиц (внутри трубки). Полученные наночастицы могут обладать рядом практически важных свойств.

структурой, которая получается в результате искажения структуры алмаза.
Схематичное изображение

а)

б)

VII. Карбин

Лонсдейлит тверже алмаза (на 58% !), однако из-за сложностей получения врядли найдет широкое применение.

Карбин – полимерное вещество, состоящее из последовательно соединенных в цепочки атомов углерода. Есть два варианта построения цепи:
а) только двойные связи
… = С = С = С = С = С = …
б) чередование одинарных и тройных
… – С ≡ С – С ≡ С – С ≡ С – …

а)

б)

Схематичное изображение двух вариантов структуры карбина (а) и его внешний вид (б)