Номер 11, страница 15 - гдз по химии 8 класс проверочные и контрольные работы Габриелян, Лысова

11. Используя последовательность $состав \rightarrow строение \rightarrow свойства$, охарактеризуйте аллотропные модификации углерода.

Аллотропия — это явление существования одного и того же химического элемента в виде нескольких простых веществ, отличающихся по строению и, следовательно, по свойствам. Эти простые вещества называют аллотропными модификациями. Углерод ($C$) образует множество аллотропных модификаций, которые разительно отличаются друг от друга благодаря разному строению кристаллических решеток. Рассмотрим основные из них в соответствии с последовательностью состав → строение → свойства.

Алмаз

Состав: Простое вещество, состоящее исключительно из атомов углерода ($C$).

Строение: Атомы углерода находятся в состоянии $sp^3$-гибридизации. Каждый атом связан прочными ковалентными σ-связями с четырьмя соседними атомами, расположенными в вершинах правильного тетраэдра. Угол между связями составляет $109^\circ28'$. Такая структура образует объёмную, очень прочную и жёсткую атомную кристаллическую решетку кубического типа.

Свойства: Вследствие прочнейшей трехмерной структуры алмаз является самым твердым из всех известных природных веществ (10 по шкале Мооса). Он прозрачен, бесцветен (в идеальном кристалле), имеет сильный блеск и высокий показатель преломления. Алмаз — диэлектрик, так как все валентные электроны прочно удерживаются в ковалентных связях и не могут свободно перемещаться. Обладает очень высокой теплопроводностью. Химически крайне инертен.

Ответ: Твердость, прозрачность и химическая инертность алмаза обусловлены его трехмерной тетраэдрической атомной решеткой с прочными $sp^3$-связями между атомами углерода.

Графит

Состав: Простое вещество, состоящее исключительно из атомов углерода ($C$).

Строение: Атомы углерода находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации. Каждый атом связан тремя ковалентными σ-связями с тремя соседними атомами в одной плоскости, образуя правильные шестиугольники (гексагоны). Эти шестиугольники формируют плоские слои. Расстояние между атомами в слое мало, а связи очень прочные. Слои связаны между собой слабыми межмолекулярными силами Ван-дер-Ваальса и находятся на значительном расстоянии друг от друга. Четвертый валентный электрон каждого атома (p-электрон) делокализован в пределах слоя, образуя единую π-электронную систему.

Свойства: Слоистая структура определяет свойства графита. Он очень мягкий (1-2 по шкале Мооса), легко расслаивается на чешуйки (что используется, например, в карандашах). Непрозрачный, темно-серого цвета с металлическим блеском. Благодаря делокализованным электронам хорошо проводит электрический ток и тепло (вдоль слоев). Является тугоплавким и химически более активным, чем алмаз.

Ответ: Мягкость, электропроводность и способность расслаиваться у графита являются следствием его слоистого строения, где прочные слои из $sp^2$-гибридизованных атомов углерода слабо связаны между собой.

Фуллерены

Состав: Простое вещество, состоящее из атомов углерода ($C_n$, где $n$ — четное число, например, $C_{60}, C_{70}$).

Строение: Имеют молекулярную кристаллическую решетку. Молекулы представляют собой замкнутые каркасные структуры, напоминающие по форме сферу или эллипсоид. Поверхность молекулы состоит из соединенных друг с другом пяти- и шестиугольников. Атомы углерода находятся в состоянии, близком к $sp^2$-гибридизации. Наиболее известен фуллерен $C_{60}$, молекула которого похожа на футбольный мяч.

Свойства: Это кристаллические вещества от желтого до черного цвета. В отличие от алмаза и графита, фуллерены растворимы в некоторых органических растворителях (бензол, толуол). В твердом состоянии являются полупроводниками. Химически активны, способны присоединять другие атомы и группы как снаружи, так и внутрь своей сферы.

Ответ: Свойства фуллеренов, такие как растворимость и специфическая химическая активность, определяются их замкнутой молекулярной структурой сферической формы.

Карбин

Состав: Простое вещество, состоящее из атомов углерода ($C$).

Строение: Линейный полимер углерода. Атомы углерода находятся в состоянии $sp$-гибридизации и образуют длинные цепочки. Существует в двух формах: α-карбин (полииновая структура с чередующимися одинарными и тройными связями $...-C \equiv C - C \equiv C -...$) и β-карбин (поликумуленовая структура с системой двойных связей $...=C=C=C=C=...$).

Свойства: Мелкокристаллический порошок черного цвета. Является полупроводником, фотопроводимость которого сильно зависит от освещения. Теоретически обладает самой высокой прочностью на разрыв. Очень реакционноспособен и нестабилен, что затрудняет его получение и изучение.

Ответ: Уникальные полупроводниковые и предполагаемые механические свойства карбина вытекают из его одномерной (линейной) цепной структуры с $sp$-гибридизованными атомами углерода.

Графен

Состав: Простое вещество, состоящее из атомов углерода ($C$).

Строение: Представляет собой одиночный слой атомов углерода толщиной в один атом, то есть является двумерным (2D) кристаллом. Структурно это один слой графита: атомы углерода в $sp^2$-гибридизации образуют гексагональную кристаллическую решетку.

Свойства: Обладает набором уникальных свойств. Это самый прочный из известных материалов. Имеет очень высокую тепло- и электропроводность. Практически прозрачен для света. Гибкий и эластичный. Обладает огромной удельной площадью поверхности, что делает его химически активным.

Ответ: Исключительные механические и электрические свойства графена обусловлены его уникальной двумерной структурой — идеальной гексагональной решеткой из $sp^2$-гибридизованных атомов углерода толщиной в один атом.