Номер 2, страница 47, часть 2 - гдз по химии 10 класс учебник Оспанова, Аухадиева

2. Как доказать, что графит и алмаз являются аллотропными видоизменениями углерода? Почему их свойства столь различны?

Как доказать, что графит и алмаз являются аллотропными видоизменениями углерода?

Основным доказательством того, что графит и алмаз — это разные формы одного и того же химического элемента (углерода), является их поведение в химических реакциях, например, при сгорании. Если провести эксперимент по сжиганию чистого алмаза и чистого графита в избытке кислорода, то в обоих случаях продуктом реакции будет исключительно углекислый газ ($CO_2$).

Химическое уравнение реакции горения для обоих веществ одинаково:

$C_{\text{(графит/алмаз)}} + O_{2\text{(изб.)}} \rightarrow CO_2$

Проведение количественного анализа показывает, что масса образовавшегося углекислого газа соответствует массе сгоревшего углерода согласно стехиометрии. Отсутствие каких-либо других продуктов реакции подтверждает, что и алмаз, и графит состоят только из атомов углерода. Явление, при котором один химический элемент может существовать в виде двух или более простых веществ, различных по строению и свойствам, называется аллотропией. Следовательно, алмаз и графит являются аллотропными модификациями углерода.

Ответ: Доказательством служит то, что при сжигании в кислороде и алмаз, и графит образуют один и тот же продукт — углекислый газ ($CO_2$), что указывает на их одинаковый элементный состав (оба состоят только из атомов углерода).

Почему их свойства столь различны?

Кардинальное различие в физических свойствах алмаза и графита обусловлено разным строением их кристаллических решёток, то есть способом, которым атомы углерода соединены между собой.

В кристаллической решётке алмаза каждый атом углерода имеет $sp^3$-гибридизацию и связан прочными ковалентными связями с четырьмя соседними атомами. Эти атомы образуют трёхмерную структуру, в которой каждый атом является центром тетраэдра. Эта жёсткая и симметричная пространственная сетка из прочных связей делает алмаз самым твёрдым из известных природных веществ. Все валентные электроны задействованы в образовании связей, свободных носителей заряда нет, поэтому алмаз не проводит электрический ток (является диэлектриком) и прозрачен для видимого света.

В кристаллической решётке графита атомы углерода имеют $sp^2$-гибридизацию. Каждый атом связан прочными ковалентными связями с тремя другими атомами, находящимися с ним в одной плоскости. В результате образуются плоские гексагональные (шестиугольные) слои. Связи внутри этих слоёв очень прочные, но сами слои соединены друг с другом лишь слабыми межмолекулярными силами (силами Ван-дер-Ваальса). Из-за этого слои могут легко скользить друг относительно друга, что объясняет мягкость графита и его способность оставлять след на бумаге. Четвёртый валентный электрон каждого атома углерода не участвует в образовании связей внутри слоя и является делокализованным, образуя подвижное электронное облако между слоями. Наличие этих свободных электронов обуславливает электропроводность графита и его непрозрачность (он поглощает свет и имеет чёрный цвет).

Ответ: Свойства алмаза и графита различны из-за разного типа их кристаллических решёток. В алмазе атомы образуют прочный трёхмерный тетраэдрический каркас, что обуславливает его чрезвычайную твёрдость и прозрачность. В графите атомы образуют плоские слои, слабо связанные между собой, что делает его мягким, а наличие свободных электронов между слоями обеспечивает электропроводность и чёрный цвет.