Прості речовини Карбону. Адсорбція

РОЗДІЛ 2 НЕМЕТАЛІЧНІ ЕЛЕМЕНТИ ТА ЇХ СПОЛУКИ

ХІМІЧНІ ЕЛЕМЕНТИ IVA ГРУПИ

§ 44. Прості речовини Карбону. Адсорбція

Усвідомлення змісту цього параграфа дає змогу:

Характеризувати і порівнювати алотропні видозміни Карбону та вуглецеві матеріали, їх застосування;

Пояснювати суть адсорбції, оцінювати її практичне значення.

Алотропія Карбону. Карбон – єдиний елемент IVA групи періодичної системи, що трапляється у природі у вигляді кількох простих речовин – алотропів, загальна хімічна назва яких – вуглець, а власні назви

– алмаз, графіт, карбін, фулерен тощо. Ці прості речовини є різними формами існування одного і того самого хімічного елемента Карбону, що різняться між собою структурою кристалів.

Алмаз (від грец. adamas – непохитний, твердий) – кристалічна тугоплавка речовина (tпл = 4000 °С за тиску 100 атм), крихка, але найтвердіша серед природних речовин (мал. 70, а). За шкалою твердості алмаз оцінюється найвищим балом – 10, у 1000 разів твердіший за кварц SiO2. Практично не проводить електричний струм, тобто є діелектриком.

Кристали переважно безбарвні, прозорі. Шліфовані та огранені кристали алмазу – діаманти – це коштовні ювелірні прикраси (мал. 70, б).

 Прості речовини Карбону. Адсорбція

Мал. 70. Алмаз: а – кристал; б – діамант; в – кристалічна гратка; г – штучні кристали

Унікальні властивості алмазу зумовлені його будовою. Він має атомну кристалічну гратку, в якій атоми Карбону розміщені на однаковій відстані один від одного у вершинах тетраедра і сполучені між собою міцними ковалентними зв’язками (мал. 70, в).

У природі алмази трапляються рідко. У вигляді гігантських “трубок” вони містяться в деяких вулканічних породах. Найбільші родовища алмазів у Південній Африці, Південній Америці (Бразилія) та Росії. Щорічний світовий видобуток їх становить близько 300 кг. Останнім часом алмази почали добувати штучно з графіту за дуже високих температур і тисків. Як правило, утворюються дрібні кристали масою до 0,2 г (мал. 70, г). Їх застосовують для виготовлення різального інструменту, як опору для підшипників, а також у вимірювальних приладах.

Завдяки своїй надзвичайній твердості алмази широко застосовуються в бурильних установках, для обробки твердих металів та їх сплавів, у ювелірній справі.

Алмази відомі з давнини. Їх масу ще за часів Римської імперії вимірювали каратами (1 карат = 0,2 г). Карат – це точна маса насіння ріжкового дерева, що росте в Аравійській пустелі. Маса його насінин завжди постійна, тому ювеліри застосовували їх як міру для визначення маси дорогоцінного каміння.

Найбільший і найвідоміший серед алмазів – алмаз “Куллінан”, який знайшли у 1905 р. у Південній Африці. До огранювання його маса була 3106 каратів, тобто 621,2 г. Під час обробки алмаз розкололи і виготовили 105 діамантів. Найбільший серед них назвали “Зірка Африки”. Він має форму краплі, 74 грані й масу 530 каратів. Нині зберігається в лондонському Тауері (мал. 71).

Графіт – це кристалічна тугоплавка речовина (tпл = 3800 °С), жирна на дотик, сірого або чорного кольору з металічним блиском(мал. 72, а). На противагу алмазу графіт м’який: за твердістю поступається навіть паперу. На відміну від більшості неметалів графіт є провідником електричного струму.

 Прості речовини Карбону. Адсорбція

Мал. 71. “Зірка Африки” у скіпетрі англійських королів

 Прості речовини Карбону. Адсорбція

Мал. 72. Графіт (а) і його кристалічна гратка (б)

За великого збільшення можна побачити, що графіт складається з окремих лусочок. Якщо провести графітовим олівцем по паперу, то частина лусочок залишається на ньому, утворюючи слід. Тому слово “графіт” і походить від грец. графо – пишу. На відміну від алмазу графіт має шарувату структуру атомної гратки: атоми Карбону розміщуються шарами, відстань між якими значно більша, ніж між атомами в одному шарі (мал. 72, б). Електрони, що зв’язують шари, утворюють єдину електронну хмару, як це відбувається в металах. Саме цим пояснюються електропровідність графіту, його металічний блиск.

Якісний склад графіту й алмазу однаковий: при спалюванні обох речовин утворюється тільки вуглекислий газ СО2. За стандартних умов найбільш стійкою формою вуглецю є графіт. За певних умов алмаз перетворюється на графіт, а графіт – на алмаз.

Графіт трапляється у природі частіше, ніж алмаз. У великих кількостях його добувають штучно – нагріванням коксу або антрациту в спеціальних електричних печах за температури майже 3000 °С і підвищеного тиску без доступу повітря. Штучний графіт має високу чистоту і м’якість.

Графіт застосовується для виготовлення електродів, грифелів для олівців, у подрібненому стані його добавляють до складу фарб, у суміші з мінеральною олією використовують як мастило для машин. Завдяки високій жаротривкості з нього виготовляють тиглі, ливарні форми, а здатність графіту сповільнювати і поглинати нейтрони застосовується в атомних реакторах.

Карбін за своїми властивостями подібний до графіту й іноді трапляється в ньому у вигляді прожилків. На відміну від алмазу і графіту карбін складається з довгих ланцюгів атомів Карбону, сполучених між собою подвійними (=С=С=С=С=) або одинарними і потрійними зв’язками (-С=С-С=С-С=С-). Це чорний дрібнокристалічний порошок, напівпровідник. Під дією світла його електропровідність зростає, тому карбін застосовують у фотоелементах.

 Прості речовини Карбону. Адсорбція

 Прості речовини Карбону. Адсорбція

Мал. 73. Фулерен С60 (а); біосфера Б. Фуллера у Монреалі, Канада (б)

Фулерени – це тверді кристалічні речовини, молекули яких мають форму сфери або еліпсоїда і побудовані з п’яти – або шестикутників Карбону (мал. 73, а). Вони нагадують сферичні конструкції відомого американського архітектора ХХ ст. Б. Фуллера, ім’ям якого названі (мал. 73, б). Утворюються фулерени з графіту, якщо між графітовими електродами пропустити електричну дугу. Сажа, добута таким чином, містить до 44 % фулеренів, в основному С60 і С70 Дослідження показали, що перспективним є застосування фулеренів як надпровідників, у лазерних установках, нанотехнології, для добування штучних алмазів.

Вуглецеві матеріали. Адсорбція. До вуглецевих матеріалів належать кокс, деревне вугілля, технічний вуглець (сажа) та ін. Вони не є самостійними алотропними видозмінами Карбону, бо кристалічна структура їх така сама, як графіту, але кристали розміщені безладно. У природі не трапляються. Їх одержують штучно з природних сполук Карбону.

Сажа утворюється при неповному згорянні органічних сполук. Це чорний, жирний на дотик порошок. Сажу використовують під час виготовлення гуми, саме тому гума чорного кольору. Вміст сажі підвищує міцність гумових виробів і подовжує термін їх використання. Сажа входить до складу друкарської фарби, копіювального паперу. Про небезпечність сажі йшлось у § 44.

Кокс виготовляють з кам’яного або бурого вугілля на коксохімічних підприємствах. У коксових печах при термічній обробці без доступу повітря вугілля перетворюється на кокс – чорну масу вуглецю. Його застосовують у металургії як паливо і для відновлення металів з руд.

Деревне вугілля є продуктом нагрівання без доступу повітря деревини. Цей процес називають сухою перегонкою деревини.

 Прості речовини Карбону. Адсорбція

Мал. 74. Адсорбція барвника

 Прості речовини Карбону. Адсорбція

Мал. 75. Протигаз

 Прості речовини Карбону. Адсорбція

М. Д. Зелінський (1861 – 1953)

Деревне вугілля – тверда пориста маса, що має структуру вихідної деревини. При обробці водяною парою пори і канали вугілля очищуються від сажі та золи, завдяки чому значно зростає його поверхня – до 400 м2 на 1 г. Таке вугілля називають активованим. В очищені таким чином пори і канали деревного вугілля можуть потрапляти й утримуватися в них молекули газів, розчинених речовин, причому чим більша молярна маса речовини, тим більше її поглинається. Явище поглинання однієї речовини поверхнею іншої речовини називається адсорбцією. Речовина, яка здатна адсорбувати на своїй поверхні інші речовини, називається адсорбентом.

Використання деревного й активованого вугілля засновано на їх здатності до адсорбції (мал. 74). Через це активоване вугілля широко застосовують у харчовій промисловості для очищення спирту від сивушних масел, цукрового сиропу – від забарвлених речовин, у протигазах.

Перший протигаз винайшов 1915 р. російський учений М. Д. Зелінський. Він складається з гумової маски і коробки з активованим вугіллям (мал. 75). Повітря, яким дихає людина, проходить крізь шар активованого вугілля, яке очищує його від отруйних домішок. За таким принципом працюють побутові очищувачі води.

Таблетки активованого вугілля застосовують при отруєннях. Однак варто знати, що тривале їх використання призводить до збіднення організму на вітаміни, білки, жири.

Коротко про головне

Неметалічний елемент Карбон утворює кілька простих речовин, існуючих у природі, що є його алотропними видозмінами (алмаз, графіт, карбін, фулерен), а також вуглецеві матеріали (сажа, кокс, деревне вугілля), які одержують штучно з природних сполук Карбону.

Алмаз має атомну кристалічну гратку тетраедричної форми; тугоплавкий, найтвердіший серед природних речовин, діелектрик. Застосовується в різальних і шліфувальних інструментах, для виготовлення ювелірних виробів.

Графіт має атомну кристалічну гратку шаруватої форми; тугоплавкий, електропровідний, м’який. Застосується як матеріал для виготовлення електродів, грифелів для олівців, фарб, мастил, в атомній енергетиці.

Карбін – тверда речовина, що складається з довгих ланцюгів атомів Карбону, сполучених подвійними або одинарними і потрійними зв’язками. Напівпровідник. Застосовується у фотоелементах.

Фулерен – це тверда речовина з атомною кристалічною граткою сферичної або еліпсоїдної форми; виявляє надпровідні властивості. Перспективним є використання в нанотехнології.

Вуглецеві матеріали мають кристалічну гратку графіту неупорядкованої будови. Деревне та добуте з нього активоване вугілля здатні до адсорбції, тобто поглинання своєю поверхнею інших речовин. Це знаходить застосування в харчовій промисловості, медицині. Сажа використовується у виробництві гуми, друкарської фарби, копіювального паперу, а кокс – у металургії.

Для допитливих. Придбайте в аптеці таблетки активованого вугілля і виконайте з ними досліди. Приготуйте розчини, додавши до води кілька крапель йодної настойки або “зеленки”, якими обробляють рани, або метиленового синього (“синьки”) для підсинювання білизни. Помістіть у розчин таблетку активованого вугілля. Деякий час струшуйте розчин. Як змінюється колір розчину? Нагрійте розчин до кипіння. Поясніть, що спостерігаєте.




Прості речовини Карбону. Адсорбція