Номер 4, страница 149, часть 1 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

4. В чем различие свойств графита и алмаза? Почему свойства этих веществ так различны? Почему температура плавления у графита выше, чем у алмаза?

Решение

В чем различие свойств графита и алмаза?

Графит и алмаз, являясь аллотропными модификациями одного и того же химического элемента — углерода, обладают кардинально различными физическими свойствами. Их основные отличия:

• Внешний вид и оптические свойства: Алмаз — как правило, прозрачное, бесцветное вещество с сильным, ярким блеском, обусловленным высоким показателем преломления и дисперсией света. Графит — непрозрачное вещество серо-черного цвета с тусклым металлическим блеском.
• Твердость: Алмаз является эталоном твердости и самым твердым из известных природных веществ (10 по шкале Мооса). Графит, напротив, очень мягкий (1–2 по шкале Мооса), жирный на ощупь, легко расслаивается и оставляет след на бумаге (используется в карандашах).
• Плотность: Плотность алмаза ($ \approx 3,51 \text{ г/см}^3$) значительно выше плотности графита ($ \approx 2,23 \text{ г/см}^3$). Это означает, что в алмазе атомы упакованы плотнее.
• Электропроводность: Алмаз является диэлектриком, то есть не проводит электрический ток. Графит — хороший проводник электрического тока, его проводимость сравнима с проводимостью металлов.
• Теплопроводность: Алмаз — один из лучших известных теплопроводников, он проводит тепло в несколько раз лучше меди. Теплопроводность графита также хорошая, но уступает алмазу.

Ответ: Основные различия свойств графита и алмаза заключаются в их твердости (алмаз — сверхтвердый, графит — мягкий), внешнем виде и оптических свойствах (алмаз — прозрачный и блестящий, графит — непрозрачный и матовый), плотности (у алмаза выше) и электропроводности (алмаз — диэлектрик, графит — проводник).

Почему свойства этих веществ так различны?

Причина столь разительных отличий в свойствах кроется исключительно в разном строении их кристаллических решеток, то есть в способе, которым атомы углерода соединены друг с другом. Это явление называется аллотропией.

В кристаллической решетке алмаза каждый атом углерода находится в состоянии $sp^3$-гибридизации и связан прочными, равноценными ковалентными связями с четырьмя соседними атомами. Эти атомы расположены в вершинах правильного тетраэдра. Такая структура повторяется в трех измерениях, создавая очень жесткий и прочный пространственный каркас. Все четыре валентных электрона каждого атома углерода участвуют в образовании этих связей, поэтому в решетке нет свободных электронов. Этим объясняется чрезвычайная твердость алмаза и его неспособность проводить электрический ток.

В кристаллической решетке графита атомы углерода находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации. Каждый атом связан прочными ковалентными связями с тремя другими атомами в одной плоскости. В результате образуются плоские гексагональные сетки (слои), похожие на пчелиные соты. Четвертый валентный электрон каждого атома не участвует в образовании связей внутри слоя и становится делокализованным (общим для всего слоя). Эти подвижные электроны образуют "электронный газ", который и обуславливает электропроводность графита. Сами слои удерживаются вместе лишь слабыми межмолекулярными силами (силами Ван-дер-Ваальса). Из-за этих слабых межслоевых связей слои могут легко скользить друг относительно друга, что и объясняет мягкость, чешуйчатость и смазочные свойства графита.

Ответ: Свойства графита и алмаза различны из-за разного типа кристаллической решетки и гибридизации атомных орбиталей: у алмаза прочная трехмерная тетраэдрическая структура ($sp^3$-гибридизация), а у графита — слоистая структура ($sp^2$-гибридизация) со слабыми связями между слоями и подвижными электронами внутри слоев.

Почему температура плавления у графита выше, чем у алмаза?

Вопрос о температуре плавления этих веществ сложен, так как при нормальном атмосферном давлении ни алмаз, ни графит не плавятся в привычном понимании. Алмаз, будучи метастабильной формой углерода, при нагревании (около $1500 \text{ o C}$ и выше, в зависимости от среды) начинает превращаться в более стабильный графит. Сам же графит при атмосферном давлении не плавится, а сублимирует, то есть переходит из твердого состояния сразу в газообразное. Это происходит при очень высокой температуре — около $3650 \text{ o C}$ ($3925 \text{ К}$). Плавление обоих веществ с образованием жидкого углерода возможно только при очень высоких давлениях (более 100 атмосфер).

Высокая температура сублимации графита (которую часто и называют его "температурой плавления" для сравнения) объясняется колоссальной прочностью химических связей. Чтобы разрушить кристалл графита — то есть заставить его расплавиться или сублимировать — необходимо разорвать чрезвычайно прочные ковалентные $sp^2$-связи внутри его плоских слоев. Эти связи, имеющие частично характер двойной связи, являются одними из самых прочных в химии и даже превосходят по прочности одинарные $sp^3$-связи в алмазе. Несмотря на то, что алмаз в целом "прочнее" (тверже) за счет трехмерной структуры, разрыв отдельных связей в графите требует больше энергии. Именно поэтому для разрушения структуры графита путем нагревания требуется более высокая температура.

Ответ: Высокая температура плавления (точнее, сублимации) графита обусловлена необходимостью разрыва чрезвычайно прочных ковалентных $sp^2$-связей внутри его слоев. Эти связи прочнее, чем $sp^3$-связи в алмазе, поэтому для фазового перехода (разрушения кристаллической структуры) графита требуется больше энергии, что соответствует более высокой температуре.