Сторінка
2

Р – елементи ІV групи

Найбільші родовища графіту утворилися внаслідок дії високих температур і тиску на кам'яне вугілля.

Вугілля, яке також складається з карбону, утворюється штучно. Проте в природі є речовини, що наближаються за своїм складом до ву­гілля. Такими є різні види викопного вугілля, що утворюють у багатьох місцях земної кулі потужні відклади. Деякі з видів викопного вугілля містять до 99% карбону.

Сполуки карбону дуже поширені. Крім викопного вугілля, у над­рах Землі є великі скупчення нафти, що є складною сумішшю різних сполук, які містять карбон, переважно вуглеводнів. У земній корі трапляються у величезній кількості солі карбонової кислоти, особ­ливо карбонат кальцію. У повітрі завжди є діоксид карбону. Нарешті, рослинні і тваринні організми складаються з речовин, з утворенні яких головну участь бере карбон. Отже, цей елемент один з найпоши­реніших на Землі, хоча загальний вміст його у земній корі становить лише близько 0,1% (мас).

Щодо численності і різноманітності своїх сполук карбон займає серед інших елементів особливе положення. Число вивчених сполук карбону оцінюють тепер приблизно в два мільйони, тоді як сполуки всіх інших елементів, разом взяті, обчислюються лиш сотнями тисяч.

Різноманітність сполук карбону пояснюється здатністю його ато­мів зв'язуватися між собою з утворенням довгих ланцюгів або кілець.

Алотропія карбону. У вільному стані карбон відомий у вигля­ді алмазу, що кристалізується в кубічній системі, і графіту, що нале­жить до гексагональної системи. Такі форми його, як деревне вугілля, кокс, сажа, мають невпорядковану структуру. Синтетично добуто карбін і полікумулен — різновидності карбону, що складаються з лінійних ланцюгових полімерів типу . —С=С—С==С . або .=С= =С=С= . . Карбін має напівпровідникові властивості. При силь­ному нагріванні без доступу повітря він перетворюється у графіт.

Алмаз — безбарвна, прозора речовина, яка сильно заломлює світ­лові промені. Він кристалізується в кубічній гранецентрованій ре­шітці. При цьому одна половина атомів розміщується у вершинах і центрах граней одного куба, а друга — у вершинах і центрах граней другого куба, зміщеного відносно першого у напрямі його просторової діагоналі. Атоми карбону в алмазі перебувають у стані sр3-гібридиза­ції і утворюють тривимірну тетраедричну сітку, у якій вони зв'язані один з одним ковалентними зв'язками 1. Відстань між атомами в тетра­едрах дорівнює 0,154 нм. Структуру алмазу показано на мал. 1.

З усіх простих речовин алмаз має максимальне число атомів, що припадають на одиницю об'єму,— атоми карбону «упаковані» в алмазі дуже щільно. З цим, а також з великою міцністю зв'язку у карбонових тетраедрах, пов'язано те, що за твердістю алмаз переважає всі відомі речовини. Тому його широко застосовують у промисловості: майже 80% добутих алмазів використовують для технічних цілей. Його викорис­товують для обробки різних твердих матеріалів, буріння гірських порід. Будучи дуже твердим, алмаз разом з тим крихкий. Порошок, який дістають при подрібненні алмазу, за­стосовують для шліфування дорогоцінного каміння і самих алмазів. Відшліфовані про­зорі алмази називаються діамантами.

У зв'язку з великою цінністю алмазів було зроблено багато спроб добути їх штуч­но з графіту. Однак довго ці спроби за­кінчувалися невдачею. Лише в 1955 р., за­стосувавши дуже високий тиск (порядку 1010 Па) і тривале нагрівання при темпера­турі близько 3000° С, американським, а од­ночасно і шведським вченим удалося добути синтетичні алмази. Якщо алмаз прожарювати в кисні, він згоряє, утворюючи діоксид карбону. Якщо алмаз сильно нагріти без доступу повітря, то він перетворюється на графіт.

Графіт являє собою темно-сірі кристали з слабким металічним піском. Він має шарувату решітку. Всі атоми карбону перебувають тут у стані sp2-гібридизації: кожний з них утворює три ковалентні зв'язки з сусідніми атомами, причому кути між напрямами зв'язків дорівнюють 120°. В результаті виникає плоска сітка, складена з пра­вильних шестикутників, у вершинах яких розміщені ядра атомів карбону відстань між сусідніми ядрами становить 0,1415 нм.

В утворенні зв'язків беруть участь три електрони кожного атома карбону. Четвертий електрон зовнішнього шару займає 2р-орбіталь, яка не бере участі в гібридизації. Такі негібридні електронні хмари атомів карбону орієнтовані перпендикулярно до площини шару і, перекриваючись одна з одною, утворюють делокалізовані p-зв'язки. структуру графіту показано на рис. 118.

Сусідні шари атомів карбону в кристалі графіту перебувають на досить

великій відстані один від одного (0,335 нм); це свідчить про малу міцність зв'язку між атомами карбону, розміщеними в різних шарах. Сусідні шари зв'язані

між собою в основному силами Ван дер Ваальса, але частково зв'язок має металічний характер, тобто зумовле­ний «усуспільненням» електронів усіма атомами кристала 1. Цим пояс­нюється порівняно висока електропровідність і теплопровідність гра­фіту не тільки в напрямі шарів, а й в перпендикулярному до них на­прямі .

Розглянута структура графіту зумовлює сильну анізотропію його властивостей. Так, теплопровід­ність графіту у напрямі площини шарів дорівнює 4,0 Дж/(см • с • К), а в перпендикулярному напрямі становить 0,79 Дж/(см • с • К). Електричний опір графіту в напря­мі шарів у 104 раз менший, ніж у перпендикулярному напрямі.

Окремі шари атомів у кристалі графіту, зв'язані між собою порів­няно слабко, легко відокремлюють­ся один від одного. Цим поясню­ється мала механічна міцність гра­фіту. Якщо провести шматком гра­фіту по папері, то дрібнесенькі кристалики графіту, що мають ви­гляд лусочок, прилипають до папе­ру, лишаючи на ньому сіру риску. На цьому грунтується застосуван­ня графіту для виготовлення олівців.

На повітрі графіт не загоряєть­ся навіть при сильному розжарюванні, але легко згоряє у чистому кисні, перетворюючись у діоксид карбону.

Завдяки своїй електропровідності графіт застосовується для ви­готовлення електродів. З суміші графіту з глиною роблять вогне­тривкі тиглі для плавлення металів. Змішаний з мастилом графіт є чудовим мастильним засобом, оскільки його лусочки, заповнюючи нерівності матеріалу, створюють гладку поверхню, що полегшує ков­зання. Графіт застосовують також як уповільнювач нейтронів у ядер­них реакторах.

Крім природного у промисловості застосовують штучний графіт. Його добувають в основному з кращих сортів кам'яного вугілля. Пере­творення відбувається при температурах близько 3000° C в електрич­них печах без доступу повітря.

Графіт термодинамічно стійкий у широкому інтервалі температур і тисків, зокрема за звичайних умов. У зв'язку з цим при розрахун­ках термодинамічних величин як стандартний стан карбону беруть графіт. Алмаз термодинамічно стійкий лише при високих тисках (вище за 109 Па). Але швидкість перетворення алмазу в графіт стає помітною лише при температурах вище 1000° С; при 1750° C перетворення алмазу в графіт відбувається швидко.