Аллотропная природа углерода

Введение

Углерод – один из немногочисленных элементов «без роду, без племени»[14, c.209]. История общения человека с этим веществом уходит в доисторические времена.
Имя первооткрывателя углерода неизвестно, неизвестно и то, какая из форм элементарного углерода - алмаз или графит – была открыта раньше. И то, и другое случилось очень давно. Определенно утверждать можно лишь одно: до алмаза и графита было открыто вещество, которое еще несколько десятилетий назад считали третьей, аморфной формой элементарного углерода – уголь [4, c 34].
Но в действительности уголь, даже древесный, это не чистый углерод. В нем есть и водород, и кислород, и следы других элементов [7, c 273].
По многочисленности и разнообразию своих соединений углерод занимает среди других элементов совершенно особое положение.
Число изученных соединений углерода оценивают в настоящее время примерно в два миллиона, тогда, как соединения всех остальных элементов, вместе взятые, исчисляются лишь сотнями тысяч[5, c.203].
Во второй четверти нашего века структурный алмаз показал, что аморфный углерод – это тот же графит. А значит, никакой он не аморфный, а кристаллический; только кристаллы его очень мелкие и в них больше дефектов[9, c.19].
Люди не сразу пришли к пониманию того, что благороднейший алмаз и невзрачный уголь – братья-близнецы. Между тем, установить это было совсем просто: в один прекрасный день с помощью линзы сконцентрировали солнечные лучи на кристаллике алмаза, помещенного под стеклянный колпак. И, о, ужас! Алмаз сгорел! Под колпаком образовался углекислый газ – тот же самый, что образуется при горении угля[14, c.210].
Углерод – неотъемлемый элемент всего органического мира. Зеленые растения ежегодно связывают и превращают в органические соединения сто семьдесят миллиардов тонн углерода[2, c. 8].
При таком интенсивном усвоении запас углекислого газа воздуха мог бы исчерпаться, если бы в природе не существовало процессов, в результате которых углерод снова возвращается в атмосферу[14, 210].


3.
Любой цивилизованный человек должен понимать, что такой химический элемент, как углерод – это кладезь жизненно необходимых продуктов как питания, так и бесценных природных ресурсов, а его модификации – едва ни единственные среди всех элементов таблицы Дмитрия Ивановича Менделеева.
Цель моего реферата – познакомиться и более детально изучить модификации углерода, их сходство и отличия, строения и уникальные свойства, сферы применения и роль в жизни человека и всего живого.


4.
Общая характеристика углерода
Углерод – один из широко распространенных химических элементов, основа всего живого на Земле. Он является основным элементом многочисленного и разнообразного класса органических соединений. Его соединения составляют основу живой природы – флоры и фауны[4, c.35].
Углерод – единственный из элементов IV группы периодической системы, встречается в свободном состоянии в виде алмаза и графита.
В земной коре содержится 0,023% углерода по массе.
Более всего углерод распространен в виде соединений, являясь составной частью многих минералов. Важнейшие из них – карбонаты кальция (известняк, мел, мрамор – СаСО3), карбонат магния (магнезит MgCO3), карбонат натрия (содаNa2CO3).
Другими распространенными минералами являются доломит MgCO3.CaCO3, железный шпат FeCO3, цинковый шпат ZnCO3и другие[5, c.204].
Много углерода в горючих ископаемых: углях, нефти, торфе, сланцах и природных газах. Некоторые каменные угли – антрациты – содержат до 98% чистого углерода[4,c.36].
Нефти представляют собой сложную смесь различных углеродсодержащих соединений, преимущественно углеводородов[12, c 210].
В атмосфере углерод находится в виде оксида углерода СО2. Содержание этого оксида в сухом воздухе незначительно и составляет приблизительно 0,03 объемных процента.
Углерод распространен и в открытом космосе. Простейшие соединения углерода (метан СН4, оксид углерода (IV) СО2), обнаружены в составе почти всех планет Солнечной системы и Солнца[4, c.36].
Интересный факт: атмосфера планеты Венера на 97% состоит из оксида углерода (IV). Это было впервые установлено при полете автоматической станции «Венера-4» и уточнено впоследствии автоматическими станциями «Венера-5» и «Венера-6». Есть оксид углерода СО2и в атмосфере Марса.
Углерод присутствует во всех метеоритах в виде карбида железа Fe3C, графита и черного углеродистого вещества. В некоторых метеоритах его содержание достигает 10%.
Установлено присутствие углерода и его соединений в звездах, кометах и туманностях. Углерод в звездном веществе – продукт термоядерного синтеза[1, c. 370].


5.
Углерод имеет два устойчивых изотопа: 12С (98,892%) и 13С (1,108%). Очень важен радиоактивный изотоп углерода 14С, испускающий β-лучи (электроны) с периодом полураспада Т½ = 5570 лет[4, c.37].
С помощью радиоуглеродного анализа путем определения концентрации изотопа 14С ученые смогли довольно точно датировать возраст углеродсодержащих пород, археологических и палеонтологических находок, геологических событий[5,c.203].
Атом углерода имеет 6 электронов, 2 из которых образуют внутренний (1s2) слой, а 4 (2s22p2) –внешний.
Связи углерода с другими элементами преимущественно ковалентны. Обычная валентность углерода – IV. С наиболее активными металлами углерод проявляет степень окисления -4 (например, в карбиде алюминия Al4C3)[7, c. 273].
Замечательная особенность атома углерода – способность соединяться между собой с образованием прочных длинных цепей, в том числе замкнутых. Число таких соединений огромно, все они составляют предмет органической химии[13,c.201].
В нормальных условиях углерод весьма инертен, однако при высокой температуре он взаимодействует со многими веществами[4, c.38].
Самой реакционноспособной формой является аморфный углерод, менее активен графит, самый инертный – алмаз.
Аморфный углерод загорается на воздухе при 300 -8000С, графит – при 600 – 7000С, алмаз – выше 8500С[3. 418].
Углерод является одной из основных компонентов стали. Сталь Гадфильда с содержанием углерода 1 – 1,5% обладает исключительной износостойкостью и твердостью. Из этой стали изготавливают детали экскаваторов, бульдозеров, дробящие и перемалывающие устройства[9, c.19].
Элемент 126С с 1960 года стал единицей измерения относительных атомных масс (за единицу атомной массы принимается 1/12 часть атомной массы 126С.[3, c. 417].
Радиоактивный изотоп 146С проникает в самые различные области народного хозяйства. Этот изотоп, как и обычный углерод, постоянно содержится в живых тканях, его применяют в сельском хозяйстве для различных агрохимических исследований в целях подбора оптимальных условий внесения удобрений и для борьбы с вредителями.
Органические препараты (мочевина, адреналин и др.), меченые радиоактивным углеродом, используют в химии, биологии, медицине[5,c.204].
6.

Причина аллотропной природы углерода

Прекрасной иллюстрацией самоорганизации веществ является углерод.
Он известен в виде кристаллических, аморфных и частично кристаллических переходных углеродных веществ. Это объясняется способностью углерода образовывать равнозначные валентные связи с другими атомами углерода, что позволяет строить углеродные скелеты различных типов – линейные, разветвленные, циклические[7, c.274].
Углерод – редкий случай, когда изменения физических и физико-химических свойств зависят только от строения, а не от состава, как это обычно наблюдается для многокомпонентных систем[9, c.20]
К кристаллическим формам углерода относятся алмаз, графит,карбин, фуллерен, лонсдейлит, поликумулен. Аморфными и частично кристаллическими переходными формами углерода являются пироуглерод, пирографит, стеклоуглерод, сажи, кокс, волокна, пленки и др.[2.c. 28]
И графит, и алмаз состоят из одинаковых, только углеродных атомов. Любой кристалл алмаза, даже огромный, шестисотграммовый «Куллинан», - это по существу одна молекула, состоящая из идеально упакованных атомов углерода[4,c.35].
Различие аллотропных модификаций углерода – яркий пример влияния кристаллического строения твердых веществ на их физические свойства.
В графите атомы углерода расположены в параллельных слоях, образуя гексагональную сетку (см. рисунок 1) [3,c. 420].

Рисунок 1. Кристаллическая структура графита[15]
7.
Внутри слоя атомы связаны гораздо сильнее, чем один слой с другим, поэтому свойства графита сильно различаются по разным направлениям. Так, способность графита к расслаиванию связана с разрывом более слабых межслойных связей по плоскостям скольжения. Поэтому очень просто – даже от соприкосновения с бумагой – графит расслаивается[3, c

. 154].
В кристалле алмаза (см. рисунок 2) все связи эквивалентны и очень прочны. Атомы образуют непрерывный трехмерный каркас, образованный сочлененными тетраэдрами.
Именно особенности молекулярного строения объясняют огромную разницу в свойствах алмаза и графита[3, c. 419].
Графит – мягкий, легко расслаивается; алмаз – самое твердое вещество в природе.
Графит отлично проводит тепло и электричество, что объясняется тем, что четвертая связь между атомами, находящимися в разных, рядом расположенных слоях, сравнительно слабая и легко разрывается. За счет разрыва появляются свободные электроны, которые в свободном поле приобретают направленное движение. Алмаз – изолятор, так как у него нет свободных электронов, как у металлов.
Графит совершенно не пропускает света; алмаз – прозрачен[4, c.35].


8.

Рисунок 2. Структура алмаза [15]


9.
Алмаз
Химический состав таинственного камня, не поддававшегося воздействию самых сильных кислот и щелочей, долго оставался неизвестным.
Некоторые ученые думали, что алмаз состоит из особого химического элемента – алмазной земли[14, c. 212].
В середине ХVII века во Флоренции ставились опыты по нагреванию в закрытых сосудах алмазов и рубинов.
В результате опытов было установлено, что рубины не претерпевали никаких изменений, а от алмазов не осталось ни малейшего следа! Это казалось совершенно необъяснимым. Позднее выяснилось, что кристаллы алмаза, нагреваемые в окружении кислорода, сгорают[3, c.419].
Алмаз представляет собой пространственный полимер с тетраэдрическим расположением валентных связей[9.c.20].
Макромолекула алмаза – в высшей степени регулярный, почти идеально построенный трехмерный полимер (см.рисунок 2). В алмазе молекул нет, так как все связи между атомами равноценны и весь кусок алмаза представляет одну гигантскую молекулу[4, c.35]
Алмазы на Земле встречаются крайне редко, поэму их стоимость очень высока. Самый большой из найденных до сих пор алмазов – Куллинан массой 621,2 грамма[2, c.34].
Алмаз – самое твердое вещество, найденное в природе (см. рисунок3) Его кристаллы сильно преломляют свет, поэтому алмаз, погруженный в воду, на свету практически не заметен.
При нагревании без доступа воздуха выше 10000С алмаз переходит в графит. А при очень высоких давлениях (выше 2.1010 Па) и нагревании без доступа воздуха из графита может быть получен искусственный алмаз[ 3,c. 421].
Применение алмазов на производстве относится к концу ХIX века.
В промышленности используются преимущественно алмазы, не пригодные для огранки.
Исключительная твердость алмаза определяет его широкое использование в самых различных областях народного хозяйства.
Алмаз применяется при бурении горных пород, механической обработке разнообразных материалов, в качестве абразива.
Армированные алмазами буровые коронки используют для бурения скважин в наиболее крепких породах.

10.

Большая часть добычи технических алмазов идет на изготовление специальных инструментов для обрабатывающей промышленности.
Незаменимы алмазы при вытачивании опорных рубиновых камней, используемых в часовых и многих других точных механизмах. Широкое применение в промышленности находят и алмазные порошки. Они используются в дисковых алмазных пилах, специальных напильниках, в качестве абразива. Алмазные порошки применяют также на гранильных фабриках, где все самоцветы подвергаются огранке и шлифовке.
Используют алмазы и в полупроводниковых и оптических приборах, в счетчиках ядерного излучения.
Приборы, основанные на алмазах, незаменимы при космических исследованиях, изучении глубинного слоя нашей планеты.
Хорошо отшлифованные прозрачные кристаллы алмаза – бриллианты – являются драгоценными камнями[2, c,45](см. рисунок 4)
Синтетические алмазы производят в промышленных масштабах с середины 50-х годов сдавливанием графита до 10 ГПа (100000 атм) при температурах свыше 20000С. Возможно получение алмазов и при низких давлениях за счет присоединения атомов углерода, находящихся в газообразном состоянии, к поверхности «затравки» - кристаллика алмаза.
Синтетические алмазы удовлетворяют технические нужды металлоперерабатывающих и машиностроительных заводов, каждый из которых расходует в год до 400 тысяч каратов[4, c.48].


Рисунок 3.Алмаз в материнской породе


11.
Под Архангельском на месторождении имени В. Гриба был обнаружен алмаз весом 181,68 карат. По словам специалистов, это крупнейший алмаз, найденный на территории Европы за всю историю алмазодобычих[4, c.48].
Три самых крупных алмаза из когда-либо добытых в России были найдены на территории Якутии. Новый драгоценный камень оказался на четвёртом месте по весу, однако среди всех алмазов, найденных в европейской части России, его размеры являются рекордными. Всего а России в XXI веке добыто пять алмазов, чей вес превышает 180 карат[2, c. 45].
Алмазоносная трубка им. В. Гриба, где специалисты нашли алмаз — первая по запасам в Европе, четвёртая в России и седьмая в мире. Общие запасы месторождения оцениваются в 100 миллионов карат, а добыто с официального открытие горно-обогатительного комбината в 2014 году более 9 миллионов карат[2, с.70].


Рисунок 4.Алмаз в огранке [15]


12.


Рисунок 5. Применение аллотропных модификаций углерода [15].


13.

Графит
Графит – темно-серое, непрозрачное, со слабым металлическим блеском, мягкое, слабо проводящее электрический ток вещество (см. рисунок 15).
Графит является «паркетным» полимером. Он имеет гексагональное строение[ 5, c. 204].
В куске графита атомы расположены в плоскости. Эти плоскости образуют достаточно плотную пачку, слои которой соединены между собой не химическими силами, а более слабыми силами межмолекулярного взаимодействия. Этим объясняется малая механическая прочность графита[6, c.314].
Графит – самое жаропрочное из всех простых веществ. Его точка плавления находится около 40000С. Огнестойкость и химическая инертность графита используются при изготовлении различных огнеупоров.
Структура графита обусловливает сильную анизотропию его свойств. Так, теплопроводность графита в направлении плоскости слоев равна 4,0 Дж/(см.с.К), а в перпендикулярном направлении составляет 0,79 Дж/(см.с.К).
Электрическое сопротивление графита в направлении слоев в 104 раз меньше, чем в перпендикулярном направлении[9, c.20].
Графит, как и благородные металлы, не боится кислот и может заменить платину. Кроме того, графит прекрасно проводит тепло. Это позволяет широко применять его для изготовления различной химической аппаратуры. Эти же свойства обеспечили графиту применение в реактивной технике. На воздухе графит не загорается даже при сильном накаливании, но легко сгорает в чистом кислороде, превращаясь в диоксид углерода[2, c.57].
Высокая пористость графита (от 20 до 30%) позволяет использовать его для фильтровальных установок и различных насадок абсорбционных башен.
Графит, пропитанный различными смолами и лаками, применяют для непроницаемых деталей химического оборудования.
Так как графит обладает хорошей электропроводностью, его используют для изготовления электродов в электрометаллургии и электрохимии. Электропроводящие графитовые порошки применяются для гальванопластики.
В атомной технике используется только искусственный графит, полученный длительной термической обработкой нефтяного кокса при температуре около 30000С. Этот графит очень чист , содержание углерода в нем достигает 99,99%[ 6, c.314].
14.
Графит находит широкое применение в производстве плутония. Из графита изготовлены кассеты для тепловыделяющих элементов в ядерных реакторах –преобразователях тепловой энергии в электрическую[6, c. 314].
В последнее время получили распространение графитизированные чугуны, стали и сплавы. В их структуре есть микрокристаллический графит. При графитизации возможно образование графита и в шаровидной форме. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом получил признание как новый конструкционный материал. Этот материал по сравнению с обычным серым чугуном и чугуном с пластинчатым графитом превосходит в некоторых случаях углеродистую сталь[9, c.20].
Способность графита легко расщепляется на тонкие чешуйки, прилипающие к бумаге и тканям, используется в производстве карандашей и особо устойчивой черной краски.
Чешуйчатость графита используется и при применении его в качестве смазочного материала.
Порошок графита (коллоидный графит) в смеси со смазочными маслами служит для смазки трущихся частей различных механизмов[4, c.35]
Интересно первое применение графита для смазки