Номер 2, страница 109 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

2. Сравните свойства алмаза и графита.

Решение

Алмаз и графит — это аллотропные модификации одного и того же химического элемента, углерода ($C$). Несмотря на то, что они состоят из одинаковых атомов, их свойства кардинально различаются из-за разного строения кристаллических решеток.

Кристаллическая структура

У алмаза атомная кристаллическая решетка имеет тетраэдрическое строение. Каждый атом углерода находится в состоянии $sp^3$-гибридизации и образует четыре прочные ковалентные связи с соседними атомами. Это создает жесткий и очень прочный трехмерный каркас.

У графита решетка слоистая. Атомы углерода в слоях находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации и образуют плоские гексагональные (шестиугольные) сетки. Связи между этими слоями значительно слабее (ван-дер-ваальсовы силы), что позволяет слоям легко скользить относительно друг друга.

Твердость

Алмаз — эталон твердости, самое твердое из всех известных природных веществ (10 по шкале Мооса). Это свойство обусловлено прочной трехмерной структурой его решетки.

Графит — очень мягкий минерал (1-2 по шкале Мооса), легко расслаивается и оставляет след на бумаге (используется в карандашах). Его мягкость — следствие слабых межслоевых связей.

Электропроводность

Алмаз является диэлектриком (изолятором). В его структуре все валентные электроны задействованы в образовании прочных связей и не могут свободно перемещаться.

Графит хорошо проводит электрический ток. У каждого атома углерода в слое есть один делокализованный электрон, который может свободно двигаться в пределах слоя, обеспечивая электропроводность.

Плотность

Алмаз имеет высокую плотность, около $3,51 \, \text{г/см}^3$, так как его атомы упакованы очень компактно.

Графит имеет меньшую плотность, около $2,26 \, \text{г/см}^3$, из-за большего расстояния между слоями в его структуре.

Оптические свойства

Алмаз прозрачен для видимого света, обладает сильным блеском (алмазным) и высоким показателем преломления.

Графит непрозрачен, имеет темно-серый или черный цвет и металлический блеск.

Теплопроводность

Алмаз — один из лучших теплопроводников, превосходящий по этому показателю даже серебро и медь. Тепло эффективно передается за счет колебаний жесткой кристаллической решетки.

Графит также является хорошим проводником тепла, но уступает алмазу.

Химическая стабильность

При нормальных условиях (стандартное давление и температура) графит является термодинамически более стабильной формой углерода. Алмаз в этих условиях метастабилен и теоретически должен со временем превратиться в графит, однако этот процесс кинетически заторможен и занимает миллионы лет.

При высоких температурах графит химически активнее алмаза и загорается на воздухе при более низкой температуре (около $700°C$ против $850°C$ для алмаза).

Ответ: Алмаз и графит, являясь аллотропными модификациями углерода, обладают противоположными свойствами из-за различий в кристаллической структуре. Алмаз с его прочной трехмерной тетраэдрической решеткой ($sp^3$) является сверхтвердым, плотным, прозрачным диэлектриком. Графит со своей слоистой гексагональной структурой ($sp^2$) — мягкий, менее плотный, непрозрачный и электропроводный материал. При нормальных условиях графит термодинамически стабильнее алмаза.