Номер 1, страница 227 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян

1. Сравните строение алмаза и графита и их физические свойства: твёрдость, оптические свойства, электропроводность.

Алмаз и графит — это аллотропные модификации углерода, то есть они полностью состоят из атомов углерода, но имеют разное строение кристаллической решётки. Это различие в строении является причиной их кардинально разных физических свойств.

В кристаллической решётке алмаза каждый атом углерода находится в состоянии $sp^3$-гибридизации и связан с четырьмя другими атомами прочными ковалентными связями, образуя объёмную тетраэдрическую структуру. Это придаёт кристаллу исключительную прочность во всех направлениях.

В графите атомы углерода находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации и соединены в плоские слои, состоящие из шестиугольных ячеек. Внутри слоя связи очень прочные, но сами слои связаны между собой лишь слабыми межмолекулярными силами. Каждый атом углерода отдаёт один электрон в общую систему, которая делокализована (свободно перемещается) в пределах слоя.

Твёрдость

Различие в твёрдости алмаза и графита напрямую следует из их строения. Алмаз обладает высочайшей твёрдостью (10 по шкале Мооса), так как его трёхмерная атомная решётка состоит из очень прочных и равномерно распределённых ковалентных связей. Чтобы поцарапать или разрушить алмаз, необходимо разорвать эти связи, что требует огромной энергии. Графит, напротив, очень мягкий (1–2 по шкале Мооса). Его слоистая структура позволяет слоям легко скользить друг относительно друга, так как их удерживают лишь слабые межмолекулярные силы. Именно это свойство позволяет использовать графит в карандашах: при письме слои графита отслаиваются и остаются на бумаге.

Ответ: Алмаз — самый твёрдый природный минерал из-за прочной трёхмерной атомной решётки. Графит — один из самых мягких минералов из-за слабо связанных между собой слоёв в его кристаллической решётке.

Оптические свойства

Алмаз прозрачен и бесцветен (в идеале) с сильным "алмазным" блеском. Это объясняется тем, что все валентные электроны в его структуре жёстко зафиксированы в ковалентных связях. Энергии фотонов видимого света недостаточно, чтобы "выбить" электрон из связи и поглотиться, поэтому свет проходит сквозь кристалл. Высокий показатель преломления и дисперсия света создают знаменитую "игру" камня. Графит же непрозрачен, имеет тёмно-серый цвет и металлический блеск. В его структуре присутствуют делокализованные электроны, которые могут свободно перемещаться в пределах слоёв и взаимодействовать с фотонами света любой энергии в видимом диапазоне, поглощая их. Это и обуславливает его непрозрачность и тёмный цвет.

Ответ: Алмаз прозрачен, так как в нём нет свободных электронов для поглощения света. Графит непрозрачен и имеет тёмный цвет из-за наличия делокализованных электронов, которые поглощают видимый свет.

Электропроводность

Различие в электропроводности также объясняется особенностями химических связей. В алмазе все четыре валентных электрона каждого атома углерода участвуют в образовании прочных локализованных ковалентных связей. Свободных носителей заряда нет, поэтому алмаз является диэлектриком (не проводит электрический ток). В графите каждый атом углерода использует только три из четырёх валентных электронов для образования связей внутри слоя. Четвёртый электрон становится делокализованным и может свободно перемещаться вдоль слоя. Эти подвижные электроны делают графит хорошим проводником электрического тока (сравним по проводимости с металлами), но только вдоль слоёв.

Ответ: Алмаз — диэлектрик, так как все его электроны задействованы в ковалентных связях и не могут перемещаться. Графит — проводник, так как имеет делокализованные электроны, способные переносить электрический заряд.