Номер 5, страница 83 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 11. Классификация неорганических веществ. Простые вещества - неметаллы. Глава 3. Неорганическая химия - номер 5, страница 83.

Условие.

5. На примере алмаза и графита докажите, что свойства вещества определяются его строением.

Решение.

Решение 2.

Доказательство того, что свойства вещества определяются его строением, можно наглядно продемонстрировать на примере аллотропных модификаций углерода — алмаза и графита. Оба этих вещества состоят исключительно из атомов углерода ($C$), однако их физические свойства кардинально различаются из-за разного строения их кристаллических решеток.

Алмаз

В кристалле алмаза каждый атом углерода находится в состоянии $sp^3$-гибридизации и связан прочными ковалентными $\sigma$-связями с четырьмя соседними атомами углерода. Эти атомы располагаются в вершинах правильного тетраэдра. Такое расположение атомов создает очень прочную и жесткую трехмерную каркасную структуру.

• Твердость: Благодаря прочной трехмерной сетке ковалентных связей алмаз является самым твердым из известных природных веществ. Чтобы поцарапать или разрушить кристалл, необходимо разорвать множество этих прочных связей.
• Электропроводность: Все валентные электроны атомов углерода в алмазе задействованы в образовании ковалентных связей. Свободных носителей заряда нет, поэтому алмаз является диэлектриком (не проводит электрический ток).
• Прозрачность: Алмаз прозрачен для видимого света, так как энергия фотонов видимого спектра недостаточна для возбуждения электронов, прочно удерживаемых в связях.
• Температура плавления: Очень высокая (около 4000 °C) из-за необходимости затратить огромное количество энергии на разрыв прочных ковалентных связей во всем кристалле.

Графит

В кристалле графита атомы углерода находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации. Каждый атом связан прочными ковалентными связями с тремя другими атомами в одной плоскости, образуя плоские гексагональные (шестиугольные) сетки. Эти сетки формируют слои. Четвертый валентный электрон каждого атома не участвует в образовании связей внутри слоя, а образует единую электронную систему (делокализованное $\pi$-облако), общую для всего слоя. Слои связаны между собой слабыми межмолекулярными силами (силами Ван-дер-Ваальса).

• Твердость: Графит — очень мягкое вещество. Слабые связи между слоями позволяют им легко скользить друг относительно друга, что объясняет его способность оставлять след на бумаге и использование в качестве смазки.
• Электропроводность: Наличие делокализованных электронов в каждом слое обуславливает хорошую электропроводность графита, в отличие от алмаза.
• Прозрачность: Свободные электроны поглощают фотоны видимого света, поэтому графит непрозрачен и имеет темный цвет с металлическим блеском.
• Температура плавления: Также очень высокая (около 3800 °C), так как для разрушения кристалла нужно разорвать прочные ковалентные связи внутри слоев.

Таким образом, сравнение алмаза и графита — веществ с одинаковым химическим составом, но разным строением — убедительно доказывает, что именно строение (тип кристаллической решетки и характер химических связей) определяет фундаментальные физические свойства вещества.

Ответ: Алмаз и графит состоят из одного и того же химического элемента — углерода, но обладают совершенно разными свойствами из-за различий в строении их кристаллических решеток. В алмазе атомы углерода образуют прочную трехмерную тетраэдрическую структуру ($sp^3$-гибридизация), что делает его сверхтвердым, прозрачным диэлектриком. В графите атомы углерода формируют плоские слои ($sp^2$-гибридизация), слабо связанные между собой, что обуславливает его мягкость, непрозрачность и способность проводить электрический ток. Этот пример наглядно доказывает, что свойства вещества напрямую зависят от его внутреннего строения.