Страница 164 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Сопоставьте строение и свойства алмаза и графита, заполняя таблицу 11.

Таблица 11

Строение и свойства

Алмаз

Графит

1. Строение

Алмаз: Каркасная структура

Графит: Слоистая структура

2. Цвет

Алмаз:

Графит:

3. Блеск

Алмаз:

Графит:

4. Растворимость

Алмаз:

Графит:

5. Твёрдость

Алмаз:

Графит:

6. Хрупкость

Алмаз:

Графит:

7. Электропроводность

Алмаз:

Графит:

Алмаз и графит являются аллотропными модификациями углерода. Это означает, что они состоят из атомов одного и того же химического элемента — углерода, но имеют разное строение кристаллических решёток. Именно это различие в строении и определяет кардинальные различия в их физических свойствах.

1. Строение

Алмаз имеет атомную кристаллическую решётку каркасного типа. В ней каждый атом углерода находится в состоянии $sp^3$-гибридизации и соединён прочными ковалентными связями с четырьмя соседними атомами, расположенными в вершинах правильного тетраэдра. Все связи в кристалле равноценны и очень прочны, что создаёт жёсткую трёхмерную структуру.

Графит имеет атомную кристаллическую решётку слоистого типа. Атомы углерода в состоянии $sp^2$-гибридизации объединены в плоские слои, состоящие из правильных шестиугольников (подобно пчелиным сотам). Внутри слоя атомы связаны прочными ковалентными связями. Однако сами слои соединены между собой значительно более слабыми межмолекулярными (ван-дер-ваальсовыми) силами и находятся на большом расстоянии друг от друга.

Ответ: Алмаз — каркасная структура. Графит — слоистая структура.

2. Цвет

Алмаз в чистом виде является бесцветным и полностью прозрачным для видимого света, так как его структура не поглощает фотоны в этом диапазоне энергий. Наличие примесей может окрашивать его в различные цвета (жёлтый, синий, чёрный).

Графит имеет тёмно-серый или чёрный цвет с металлическим блеском, он непрозрачен. Это связано с наличием в его структуре делокализованных электронов, которые могут свободно перемещаться и взаимодействовать со светом во всём видимом диапазоне, поглощая его.

Ответ: Алмаз — бесцветный (прозрачный). Графит — тёмно-серый (непрозрачный).

3. Блеск

Алмаз обладает очень сильным, характерным «алмазным» блеском. Это свойство обусловлено высоким показателем преломления и большой дисперсией света, благодаря чему он ярко сверкает и «играет» на свету.

Графит имеет металлический или жирный, матовый блеск. Металлический блеск, как и цвет, объясняется поведением свободных электронов в его структуре.

Ответ: Алмаз — алмазный (сильный). Графит — металлический (тусклый).

4. Растворимость

И алмаз, и графит являются химически инертными веществами и практически нерастворимы в воде, кислотах, щелочах и органических растворителях при обычных условиях. Это связано с высокой энергией прочных ковалентных связей между атомами углерода в их кристаллических решётках.

Ответ: Алмаз — нерастворим. Графит — нерастворим.

5. Твёрдость

Алмаз — самое твёрдое из всех известных природных веществ. Его твёрдость принята за 10 (максимальное значение) по шкале Мооса. Исключительная твёрдость объясняется прочностью и равномерностью ковалентных связей, образующих жёсткий трёхмерный каркас.

Графит — одно из самых мягких веществ. Его твёрдость по шкале Мооса составляет всего 1–2. Мягкость графита обусловлена слабыми связями между слоями, которые легко скользят друг относительно друга. Благодаря этому свойству графит оставляет след на бумаге.

Ответ: Алмаз — очень высокая (10 по шкале Мооса). Графит — очень низкая (1-2 по шкале Мооса).

6. Хрупкость

Алмаз, несмотря на свою колоссальную твёрдость, является хрупким. При достаточно сильном и точном ударе он может расколоться, особенно вдоль определённых направлений (плоскостей спайности).

Графит также является хрупким материалом. Он не пластичен и легко ломается или расслаивается на мелкие чешуйки при механическом воздействии.

Ответ: Алмаз — хрупкий. Графит — хрупкий (легко расслаивается).

7. Электропроводность

Алмаз является диэлектриком (изолятором). В его структуре все валентные электроны каждого атома углерода участвуют в образовании прочных локализованных ковалентных связей, и свободных носителей заряда нет.

Графит хорошо проводит электрический ток (хотя и хуже, чем металлы). Его электропроводность обусловлена наличием в каждом слое делокализованных $\pi$-электронов (по одному от каждого атома углерода), которые могут свободно перемещаться вдоль слоёв, перенося электрический заряд.

Ответ: Алмаз — не проводит ток (диэлектрик). Графит — проводит ток (проводник).

2. Римский учёный I в. Плиний Старший писал об алмазе: «Когда удаётся успешно разбить алмаз, он раскалывается на такие мелкие крупинки, что их с трудом можно увидеть. Они нужны резчикам и, заключённые в железо, с лёгкостью делают вырезы на каком бы то ни было твёрдом материале». Какие свойства алмаза он упоминает?

Решение

В тексте римского учёного Плиния Старшего описаны два важных физических свойства алмаза.

1. Фраза «Когда удаётся успешно разбить алмаз, он раскалывается на такие мелкие крупинки, что их с трудом можно увидеть» описывает свойство хрупкости. Хрупкость — это способность твёрдого тела разрушаться при механическом воздействии без заметной пластической деформации. Несмотря на то, что алмаз является самым твёрдым минералом, он довольно хрупок и может быть расколот при ударе.

2. Фраза «Они нужны резчикам и, заключённые в железо, с лёгкостью делают вырезы на каком бы то ни было твёрдом материале» указывает на исключительную твёрдость алмаза. Твёрдость — это свойство материала сопротивляться внедрению в него другого, более твёрдого тела. Алмаз обладает наивысшей твёрдостью среди всех природных материалов (10 по шкале Мооса), что позволяет использовать его для резки и обработки любых других, менее твёрдых веществ.

Ответ: Плиний Старший упоминает такие свойства алмаза, как хрупкость и высокая твёрдость.

3. Алмаз «Орлов», подаренный императрице Екатерине II её фаворитом, весит 185 каратов. Сколько граммов это составляет? Сколько атомов углерода он содержит?

Дано:

Масса алмаза «Орлов», $m_{карат} = 185$ каратов.

Алмаз состоит из углерода (C).

Справочные данные:

1 карат = 0,2 грамма.

Молярная масса углерода, $M(C) \approx 12$ г/моль.

Число Авогадро, $N_A \approx 6,022 \times 10^{23}$ моль⁻¹.

Перевод в систему СИ:

Масса алмаза в граммах: $m = 185 \text{ каратов} \times 0,2 \text{ г/карат} = 37$ г.

Масса алмаза в килограммах (СИ): $m = 37 \text{ г} = 0,037$ кг.

Молярная масса углерода в СИ: $M(C) \approx 12 \text{ г/моль} = 0,012$ кг/моль.

Найти:

1. Массу алмаза в граммах, $m_{г}$ - ?

2. Количество атомов углерода в алмазе, $N$ - ?

Решение:

Сколько граммов это составляет?

Для перевода массы из каратов в граммы используется стандартное соотношение: 1 карат равен 0,2 грамма. Таким образом, масса алмаза в граммах ($m_{г}$) рассчитывается следующим образом:

$m_{г} = m_{карат} \times 0,2 \frac{\text{г}}{\text{карат}}$

$m_{г} = 185 \times 0,2 = 37$ г.

Ответ: Масса алмаза «Орлов» составляет 37 граммов.

Сколько атомов углерода он содержит?

Алмаз — это аллотропная модификация углерода, то есть он химически чистый углерод (C). Для нахождения количества атомов углерода ($N$) в алмазе необходимо выполнить два шага:

1. Найти количество вещества (число молей) $\nu$ углерода в алмазе по формуле:

$\nu = \frac{m}{M}$

где $m$ - масса вещества ($m=37$ г), а $M$ - его молярная масса ($M(C) \approx 12$ г/моль).

$\nu = \frac{37 \text{ г}}{12 \text{ г/моль}} \approx 3,083$ моль.

2. Рассчитать число атомов $N$, умножив количество вещества $\nu$ на постоянную Авогадро $N_A$ ($N_A \approx 6,022 \times 10^{23}$ атомов/моль):

$N = \nu \times N_A$

$N \approx 3,083 \text{ моль} \times 6,022 \times 10^{23} \frac{\text{атомов}}{\text{моль}} \approx 1,856 \times 10^{24}$ атомов.

Округлив до трёх значащих цифр (как в исходных данных), получаем $1,86 \times 10^{24}$ атомов.

Ответ: Алмаз «Орлов» содержит приблизительно $1,86 \times 10^{24}$ атомов углерода.

4. Воспользовавшись рисунком 75, расскажите о применении графита и алмаза. В каждом случае отметьте, на каком свойстве вещества основано его использование (например, благодаря электропроводности графит используют как материал для электродов и т. д.).

$C$

Алмаз

Режущий инструмент

Наконечники буров

Ювелирные изделия

Графит

Электроды

Смазка

Стержни атомных реакторов

Литейные формы

Карандаши

Рис. 75. Применение алмаза и графита

Алмаз и графит являются аллотропными модификациями химического элемента углерода ($C$). Различия в их физических свойствах, определяющие области применения, обусловлены разным строением их кристаллических решеток. У алмаза — тетраэдрическая атомная решетка, а у графита — слоистая.

Применение алмаза:

Режущий инструмент

Алмазные диски, резцы и другие режущие инструменты используются для обработки очень твердых материалов. Это применение основано на исключительной твердости алмаза, который является эталоном твердости (10 по шкале Мооса) и способен резать любые другие вещества.

Ответ: Использование основано на исключительной твердости.

Наконечники буров

Наконечники буров, особенно используемых для бурения твердых горных пород, армируют алмазами. Как и в случае с режущими инструментами, ключевым свойством здесь является высочайшая твердость алмаза, позволяющая ему эффективно разрушать породу.

Ответ: Использование основано на исключительной твердости.

Ювелирные изделия

Алмазы, особенно после огранки (когда они называются бриллиантами), высоко ценятся в ювелирном деле. Это обусловлено их уникальными оптическими свойствами: высоким показателем преломления света и сильной дисперсией (способностью разлагать белый свет на составляющие цвета), что создает характерный блеск и «игру света». Кроме того, их высокая твердость обеспечивает долговечность и устойчивость к царапинам.

Ответ: Использование основано на высоком показателе преломления и сильной дисперсии света (что создает блеск и игру цвета), а также на высокой твердости.

Применение графита:

Электроды

Графит используется для изготовления электродов (например, в электродуговых печах или для электролиза) благодаря двум ключевым свойствам. Во-первых, он обладает хорошей электропроводностью, что позволяет пропускать через него электрический ток. Во-вторых, он очень тугоплавок (температура сублимации около $3650 ^\circ C$), что позволяет ему выдерживать экстремально высокие температуры без разрушения.

Ответ: Использование основано на электропроводности и тугоплавкости.

Смазка

Применение графита в качестве твердой смазки обусловлено его слоистой структурой. Кристаллическая решетка графита состоит из плоских слоев атомов углерода. Связи внутри слоев очень прочные, а между слоями — слабые. Благодаря этому слои могут легко скользить друг относительно друга, что обеспечивает низкий коэффициент трения. Это свойство сохраняется и при высоких температурах.

Ответ: Использование основано на слоистом строении кристаллической решетки, обеспечивающем легкое скольжение слоев.

Стержни атомных реакторов

В ядерных реакторах графит используется в качестве замедлителя нейтронов. Атомы углерода в графите эффективно замедляют быстрые нейтроны, образующиеся в результате ядерного деления, до тепловых энергий, при которых они с большей вероятностью вызывают новые деления ядер. Важными свойствами для этого применения являются также его высокая радиационная стойкость и тугоплавкость.

Ответ: Использование основано на способности замедлять нейтроны и высокой термостойкости.

Литейные формы

Графит применяется для создания литейных форм и тиглей для плавки металлов. Это возможно благодаря его чрезвычайно высокой температуре плавления (сублимации) — он остается твердым при температурах, при которых большинство металлов уже расплавлены. Кроме того, графит химически инертен и не вступает в реакцию с расплавленными металлами.

Ответ: Использование основано на тугоплавкости и химической инертности.

Карандаши

Стержень простого карандаша состоит из смеси графита с глиной. Когда мы пишем или рисуем, частички графита легко отделяются от стержня и остаются на бумаге. Это происходит благодаря той же слоистой структуре, что и в случае со смазкой: слабые связи между слоями позволяют им легко отслаиваться. Твердость карандаша регулируется соотношением графита и глины.

Ответ: Использование основано на слоистом строении и невысокой твердости, что позволяет ему оставлять след на бумаге.