АЛЛОТРОПИЯ Основные понятия Прежде чем приступить к

АЛЛОТРОПИЯ

Основные понятия Прежде чем приступить к рассмотрению аллотропных модификаций конкретных химических элементов вспомним некоторые базовые понятия и принципы. Главный принцип: свойства материальной системы определяются её составом и строением. 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: Подробнее эти вещества будут рассмотрены ниже. а) б) Строение кристаллических решеток алмаза (а) и графита (б) и изображения самородного алмаза и графита

Основные понятия Аллотропия – явление существования химического элемента в виде нескольких простых веществ. Например, химический элемент кислород может существовать в виде простых веществ дикислорода O 2 и озона O 3. 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).

Аллотропные модификации различных химических элементов Химический элемент Аллотропные модификации в школе Аллотропные модификации на самом деле H нет Есть орто-H 2 и пара-Н 2 O Дикислород О 2 и озон О 3 Те же C Алмаз и графит Ещё есть аморфный углерод, карбин, лонсдейлит, углеродные нанотрубки и фуллерены (C 60, С 70 и т. д. ) P Белый фосфор P 4 и красный фосфор P(крас. ) Ещё есть фиолетовый фосфор (фосфор Гитторфа) и черный (металлический) S Ромбическая сера и пластическая сера Ещё есть моноклинная сера и аморфная сера. Sn Зависит от уровня школы Серое и белое олово Fe Зависит от уровня школы α-Fe, β-Fe, γ-Fe, δ-Fe (альфа-Fe, бета-Fe, гамма-Fe, дельта-Fe) В случаях, когда вещество обладает молекулярным строением, приведены молекулярные формулы вещества.

Аллотропные модификации различных химических элементов Примечание № 1. Те аллотропные модификации, которые располагаются во втором столбике (школьный уровень) нужно знать всем. Те аллотропные модификации, которые расположены в третьем столбике, необходимо знать или иметь представление о них (особенно о модификациях углерода и олова) людям, собирающимся участвовать в химических олимпиадах. 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.

Аллотропные модификации кислорода Дикислород О 2 Озон О 3 1) Строение молекулы линейное: 1) Строение молекулы угловое: О О–О О 2) Газообразный О 2 - бесцветный Жидкий О 2 – светло-голубой 2) Газообразный О 3 – голубой Жидкий О 3 – темно-синий tпл = - 219˚С tкип = - 183˚С tпл = - 193˚С tкип = - 112˚С жидкий O 2 3) Парамагнитен магнитное поле) 4) Окислитель О жидкий O 3 (втягивается в 3) Диамагнитен (выталкивается из магнитного поля) 4) Более сильный окислитель Состав и строение молекул разные, следовательно, разные свойства

Аллотропные модификации фосфора Белый фосфор Р 4 Красный фосфор Р(крас. ) 1) Вещество состоит из молекул; молекула построена из 4 атомов фосфора, обладает тетраэдрическим строением: а) б) в) Строение молекулы P 4(а), образец белого фосфора(б) и его хранение под слоем воды(в) 2) Свойства: мягкое легкоплавкое (плавится в горячей воде) - химически активен - ядовит!!! - светится в темноте 1) Вещество полимерного строения т. е. атомы соединены в бесконечные цепочки (условно называемые бесконечными). вещество Образцы красного фосфора 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

Аллотропные модификации углерода Алмаз 1) Вещество немолекулярного кристаллического строения: каждый атом углерода образует 4 равноценные связи с четырьмя другими атомами углерода. В результате образуется очень прочный кристалл: алмаз – эталон твердости (10 баллов по шкале Мооса) а) б) в) Строение кристаллической решетки алмаза (а), самородок алмаза (б) и бриллиант – ограненный алмаз (в) Графит 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) Строение кристаллической решетки графита (а) и образец графита (б) б)

Аллотропные модификации углерода Алмаз Графит 2) Физические свойства: - твердое вещество - изолятор - Tпл > 3000˚С - ρ = 3, 5 г/см 3 2) Физические свойства: - мягкое вещество - полупроводник - Tпл > 1800˚С - ρ = 2, 27 г/см 3 3) Теплота сгорания Qсгор. : С(алмаз) + О 2(г. ) = СО 2(г. ) + 395 к. Дж 4) В ходе химических реакций структура алмаза разрушается С(графит) + О 2(г. ) = СО 2(г. ) + 393 к. Дж 4) В ходе химических реакций структура графита может разрушаться, а может сохраняться (в интеркалятах) Строение разное, следовательно, разные свойства

Другие аллотропные модификации углерода III. Аморфный углерод характеризуется отсутствием упорядоченной структуры (в отличие от алмаза и графита). Межатомные связи беспорядочные, случайные, поэтому их проще всего разрушить. а) б) Схематичное изображение аморфного углерода (а) и его внешний вид (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.

Другие аллотропные модификации углерода IV. Фуллерены – шарообразные (C 60) или дынеобразные (C 70) полые молекулы, построенные из 5 - и 6 -членных циклов из атомов углерода наподобие футбольного мяча (рис. а и б). Внешний вид фуллеренов состава C 60 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 С 60 и С 70 существуют фуллерены и другого состава (рис. д). Изучение этих молекул является одним из перспективных направлений нанохимии. а) б) в) г) д)

Другие аллотропные модификации углерода V. Углеродные нанотрубки – молекулярные структуры из графитовых слоев (см. строение графита), свернутых в трубки диаметром около 1 нм (10 -9 м). Углеродные нанотрубки можно использовать как «форму» для синтеза длинных наночастиц (внутри трубки). Полученные наночастицы могут обладать рядом практически важных свойств. а) б) в) 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)

Другие аллотропные модификации углерода VI. Лонсдейлит представляет из себя вещество со структурой, которая получается в результате искажения структуры алмаза. Лонсдейлит тверже алмаза (на 58% !), однако из-за сложностей получения врядли найдет широкое применение. а) б) Схематичное изображение структуры лонсдейлита (а) и его внешний вид (б) VII. Карбин – полимерное вещество, а) б) состоящее из последовательно соединенных в цепочки атомов углерода. Есть два варианта построения цепи: а) только двойные связи …=С=С=С=… Схематичное изображение двух вариантов б) чередование одинарных и тройных структуры карбина (а) и его внешний вид (б) …–С≡С–С≡С–…

Продолжение следует…