Простые вещества. Физические свойства.

По содержанию в земной коре (0,14 ат.%) углерод уступает многим элементам. Тем не менее, углерод – главная составная часть животного и растительного мира. Он входит в состав каменного угля, нефти, природных газов, а также многих минералов: мел, мрамор, известняк CaCO₃, магнезит MgCO₃, доломит CaCO₃·MgCO₃, сидерит FeCO₃, малахит (CuOH)₂CO₃ и др. В виде углекислого газа присутствует в воздухе.

Аллотропия углерода. В природе углерод встречается в виде четырех простых веществ различного строения – графит, алмаз (структуры которых представлены на рис.1), карбин и фуллерен.

Рис.1 Кристаллические структуры алмаза (а) и графита (б)

 

Алмаз– бесцветное, прозрачное вещество с плотностью 3,5 г/см³. Он сильно преломляет лучи, не электропроводен, хрупок, плохо проводит тепло, является самым твердым из минералов. За счет sp³-гибридизации каждый атом в алмазе образует четыре равноценные и прочные ковалентные σ-связи с соседними атомами углерода, что объясняет высочайшую твердость и отсутствие электропроводности в обычных условиях.

Графит – мягкое слоистое кристаллическое вещество с гексагональной структурой, серовато-черного цвета, мягкий, жирный на ощупь, с плотностью 2,2 г/см³. Легко царапается ногтем и при трении оставляет черные полосы на бумаге. Хорошо проводит тепло и электрический ток, не пропускает свет, подобно металлам, отражая его своей поверхностью. Атомы углерода в графите находятся в вершинах правильных шестиугольников, расположенных в параллельных слоях. Расстояние между соседними слоями (93,4 Аº) больше, чем расстояние между атомами углерода в плоскости (1,415 Аº), поэтому связь между атомами внутри слоя гораздо прочнее, чем связь между атомами в различных слоях. sp² – гибридное состояние «слоевых» атомов стабилизируется делокализованной π-связью, образованной оставшимися валентными электронами.

Карбин – черный мелкокристаллический порошок с плотностью 1,9 – 2 г/см³, обладает полупроводниковыми свойствами (ΔЕ ≈ 1 эВ). Под действием света его полупроводниковые свойства значительно возрастают. Решетка карбина гексагональная, построена из прямолинейных цепочек (С_n) двух типов, поэтому различают α-карбин (−С ≡ С−С ≡ С−) и β-карбин (=С=С=С=С=).

Фуллерены – эта аллотропная модификация углерода обнаружена в конце ХХ в. Шарообразные С₆₀ или дынеобразные С₇₀ полые молекулы, поверхность которых состоит из пяти- и шестиугольников из атомов углерода.

 

В парах углерод содержит двухатомные молекулы, которые при охлаждении разрушаются и переходят в твердую фазу с алмазоподобной структурой.