Углерод его аллотропные модификации

Понятие об аллотропии

Аллотропия — возможность существования химических элементов в виде двух или более кристаллических фаз. В понятие аллотропия включают также существование некристаллических фаз, таких, как кислород и озон, орто- и параводород.

Каждая аллотропная модификация вещества стабильна лишь в своей области температур и давлений, но и в метастабильном, неустойчивом состоянии она может существовать достаточно долго. Полиморфизм олова является здесь хорошим примером. Белое олово может переохлаждаться ниже температуры перехода, равной 13,2°С, и существовать в виде белого металла достаточно долго. Однако его состояние при температуре менее 13,2°С неустойчиво, поэтому сотрясение, механическое повреждение, внесение стабильной затравки вызывает резкий скачкообразный переход, получивший название «оловянной чумы». Переход из b- в a-модификацию происходит с изменением типа связи от металлической к ковалентной и сопровождается резким изменением объема. Это объясняется разницей в 4 раза между коэффициентом линейного теплового расширения серого и белого олова. Белое олово, имея меньший показатель, переходит в серое и рассыпается в порошок.

Углерод существует в двух четко различающихся кристаллических аллотропных формах: в виде алмаза и графита. Раньше полагали, что так называемые аморфные формы углерода, древесный уголь и сажа, — тоже его аллотропные модификации, но оказалось, что они имеют такое же кристаллическое строение, что и графит. Полиморфное превращение кристаллов углерода — пример монотропного (необратимого) перехода. При температурах выше 1000 °С алмаз легко и быстро переходит в графит. В противоположность этому превратить графит в алмаз удается лишь при температурах более 3000 °С и давлениях до 100 МПа, т.е. при условиях термодинамической устойчивости алмаза. Белая его форма может превращаться в красную почти при любой температуре.
Прежде чем приступить к рассказу о свойствах веществ, хотелось бы пояснить несколько терминов, которыми я буду в последствии оперировать.
Метастабильность — состояние неустойчивого равновесия физической системы, в котором система может находиться длительное время.
Сингония — форма элементарной ячейки кристалла.
Дефект структуры — нарушение идеальной периодичности кристаллической решётки.
Метаморфизм — процесс твердофазного минерального и структурного изменения горных пород под воздействием температуры и давления в присутствии флюида (вещества с параметрами выше критических).
Импактный метаморфизм — процесс преобразования структуры и минерального состава горных пород в результате падения крупных метеоритов на поверхность Земли.

Алмаз - минерал, кубическая аллотропная форма углерода. При нормальных условиях метастабилен и может существовать неограниченно долго, превращаясь в стабильный в этих условиях графит только при нагревании.
Физико-механические свойства
Главные отличительные черты алмаза — высочайшая среди минералов твёрдость, наиболее высокая теплопроводность среди всех твёрдых тел 900—2300 Вт/(м·К), большие показатели преломления и дисперсии. Алмаз является диэлектриком. У алмаза очень низкий коэффициент трения по металлу на воздухе — всего 0,1, что связано с образованием на поверхности кристалла тонких плёнок адсорбированного газа, играющих роль своеобразной смазки. Когда такие плёнки не образуются, коэффициент трения возрастает и достигает 0,5—0,55. Высокая твёрдость обусловливает исключительную износостойкость алмаза на истирание. Для алмаза также характерны самый высокий (по сравнению с другими известными материалами) модуль упругости и самый низкий коэффициент сжатия. Энергия кристалла составляет 105 Дж/г-ат, энергия связи 700 Дж/г-ат — менее 1 % от энергии кристалла.
Температура плавления алмаза составляет 3700—4000 °C. На воздухе алмаз сгорает при 850—1000 °C, а в струе чистого кислорода горит слабо-голубым пламенем

Монооксид углерода(II) СО образуется при окислении любой модификации углерода в условиях недостатка кислорода. Реакция экзотермична, выделяется 111,6 кДж/моль. Кокс при температуре белого каления реагирует с водой: C + H2O = CO + H2; образующаяся газовая смесь называется «водяной газ» и является газообразным топливом. СO образуется также при неполном сгорании нефтепродуктов, в заметных количествах содержится в автомобильных выхлопах, получается при термической диссоциации муравьиной кислоты:
Степень окисления углерода в СО равна +2, а поскольку углерод более устойчив в степени окисления +4, то СО легко окисляется кислородом до CO2: CO + O2 ® CO2, эта реакция сильно экзотермична (283 кДж/моль). СО применяют в промышленности в смеси с H2 и другими горючими газами в качестве топлива или газообразного восстановителя. При нагревании до 500° C CO в заметной степени образует С и CO2, но при 1000° C равновесие устанавливается при малых концентрациях СO2. CO реагирует с хлором, образуя фосген – COCl2, аналогично протекают реакции с другими галогенами, в реакции с серой получается сульфид карбонила COS, с металлами (M) СO образует карбонилы различного состава M(CO)x, являющиеся комплексными соединениями. Карбонил железа образуется при взаимодействии гемоглобина крови с CO, препятствуя реакции гемоглобина с кислородом, так как карбонил железа – более прочное соединение. В результате блокируется функция гемоглобина как переносчика кислорода к клеткам, которые при этом погибают (и в первую очередь поражаются клетки мозга). (Отсюда еще одно название СО – «угарный газ»). Уже 1% (об.) СO в воздухе опасен для человека, если он находится в такой атмосфере более 10 мин. Некоторые физические свойства СО приведены в таблице.
Диоксид углерода, или оксид углерода(IV) CO2 образуется при сгорании элементного углерода в избытке кислорода c выделением тепла (395 кДж/моль). CO2 (тривиальное название – «углекислый газ») образуется также при полном окислении СО, нефтепродуктов, бензина, масел и др. органических соединений. При растворении карбонатов в воде в результате гидролиза также выделяется СО2:
Такой реакцией часто пользуются в лабораторной практике для получения CO2. Этот газ можно получить и при прокаливании бикарбонатов металлов:
при газофазном взаимодействии перегретого пара с СО:
при сжигании углеводородов и их кислородпроизводных, например:
Аналогично окисляются пищевые продукты в живом организме с выделением тепловой и других видов энергии. При этом окисление протекает в мягких условиях через промежуточные стадии, но конечные продукты те же – СO2 и H2O, как, например, при разложении сахаров под действием ферментов, в частности при ферментации глюкозы:
Многотоннажное производство углекислого газа и оксидов металлов осуществляется в промышленности термическим разложением карбонатов:
CaO в больших количествах используется в технологии производства цемента. Термическая стабильность карбонатов и затраты теплоты на их разложение по этой схеме возрастают в ряду CaCO3 < SrCO3 < BaCO3. Углекислый газ – химически неактивное соединение, однако в некоторых случаях он может поддерживать процесс горения, например, магний горит в среде СО2. Материалы, горящие при низких температурах – дерево, нефтепродукты, бумага и др., – не горят в среде СО2.