Номер 2, страница 114 - гдз по химии 9 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Глава 6. Углерод и кремний. Параграф 31. Характеристика углерода и кремния. Аллотропия углерода. Подумай, ответь, выполни... - номер 2, страница 114.

Условие.

2. Как доказать, что графит и алмаз являются аллотропными видоизменениями одного и того же химического элемента? Почему их свойства столь различны?

Решение.

Решение 2.

Как доказать, что графит и алмаз являются аллотропными видоизменениями одного и того же химического элемента?

Доказать, что графит и алмаз состоят из атомов одного и того же химического элемента — углерода, можно с помощью химического эксперимента. Самым убедительным доказательством является реакция полного сгорания этих веществ в избытке кислорода.

При сжигании как графита, так и алмаза, единственным продуктом реакции является углекислый газ ($CO_2$). Если взять одинаковое количество (например, по молям) графита и алмаза, то при их сжигании образуется одинаковое количество углекислого газа и потребуется одинаковое количество кислорода.

Уравнения реакций выглядят следующим образом:

Для графита: $C(\text{графит}) + O_2(\text{г}) \rightarrow CO_2(\text{г})$

Для алмаза: $C(\text{алмаз}) + O_2(\text{г}) \rightarrow CO_2(\text{г})$

Образование одного и того же продукта — диоксида углерода — в результате реакции с кислородом неопровержимо доказывает, что исходные вещества (графит и алмаз) являются различными формами одного и того же элемента, углерода.

Ответ: Доказательством является тот факт, что при сжигании в кислороде и графит, и алмаз образуют один и тот же продукт — углекислый газ ($CO_2$), что указывает на их одинаковый элементный состав.

Почему их свойства столь различны?

Кардинальные различия в физических свойствах графита и алмаза объясняются разным строением их кристаллических решеток.

Алмаз имеет атомную кристаллическую решетку тетраэдрического типа. Каждый атом углерода в алмазе находится в состоянии $sp^3$-гибридизации и связан прочными ковалентными связями с четырьмя соседними атомами углерода, расположенными в вершинах тетраэдра. Эта жесткая трехмерная структура обуславливает исключительную твердость алмаза (самое твердое природное вещество), его высокую температуру плавления и делает его диэлектриком, так как все валентные электроны прочно удерживаются в связях и не могут свободно перемещаться.

Графит имеет слоистую атомную кристаллическую решетку. В каждом слое атомы углерода находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации и связаны прочными ковалентными связями с тремя другими атомами, образуя плоские шестиугольные сетки. Четвертый валентный электрон каждого атома не участвует в образовании связей внутри слоя, а образует общую электронную систему, делокализованную по всему слою. Слои связаны между собой слабыми межмолекулярными силами (силами Ван-дер-Ваальса).

Такое строение определяет свойства графита. Из-за слабых связей между слоями они легко скользят друг относительно друга, что обуславливает его мягкость и применение в качестве смазки или в карандашах. Наличие делокализованных электронов обеспечивает хорошую электропроводность и определяет его темный цвет и непрозрачность, так как эти электроны поглощают свет в широком диапазоне длин волн.

Ответ: Различие в свойствах обусловлено разным строением кристаллических решеток: у алмаза — прочная трехмерная тетраэдрическая структура ($sp^3$-гибридизация), а у графита — слоистая структура ($sp^2$-гибридизация) со слабыми связями между слоями.