Кристаллические решетки и физические свойства

Углерод – неметалл с атомной кристаллической решеткой. Существует в виде нескольких полиморфных модификаций:

– Графит – аллотропная модификация углерода, наиболее устойчивая при обычных условиях. Кристаллическая решетка графита гексагональная, состоит из параллельных слоев, образованных правильными шестиугольниками из атомов углерода. Внутри слоя связи между атомами ковалентные, образованы sp²-гибридными орбиталями. Взаимодействие между слоями осуществляется ван-дер-ваальсовыми силами.

Графит – жирное на ощупь вещество черного или серо-черного цвета с металлическим блеском, имеет малую плотность (2, 265 г/см³), электропроводен, обладает высокой теплопроводностью. Это самое тугоплавкое из простых веществ (температура плавления 4492°С при давлении 10 МПа, при атмосферном давлении возгоняется при»3700°С).

Строение кристаллической решетки графита обусловливает высокую анизотропию свойств его монокристаллов (см. учебное пособие «Строение вещества. Периодический закон»).

К аморфным разновидностям графита относят кокс, сажу, древесный уголь. При высоких давлениях и нагревании графит переходит в алмаз.

– Алмаз. Кристаллическая решетка кубическая гранецентрированная (sp³-гибридизация атомных орбиталей). Кристаллы обычно имеют форму октаэдра, ромбододекаэдра, куба и тетраэдра. Алмаз – бесцветное вещество с большей, чем у графита, плотностью (3, 515 г/см³), неэлектропроводен. Температура плавления более 3500°С. Алмаз – самый твердый минерал, выступающий в роли эталона максимальной твердости (10 баллов по шкале Мооса), и наименее сжимаемое из всех известных веществ, хрупок. Менее стабилен, чем графит.

– Карбин – полимерное вещество с гексагональной решеткой (sр-гибридизация атомных орбиталей), наиболее стабильная форма углерода. Существует в форме двух линейных структур: a-карбина (полиина) –Сº С–Сº С– и b-карбина (поликумулена) =С=С=С=С=. Карбин встречается в природе в виде минерала чаоита (белые прожилки и вкрапления в графите) и получен искусственно – в виде мелкокристаллического порошка черного цвета. Карбин обладает полупроводниковыми свойствами и способностью значительно увеличивать свою электрическую проводимость под действием света. Фотопроводимость карбина сохраняется при температуре 500°С.

– Фуллерены – одна из форм существования в природе углерода. Фуллерены (бакиболы, футболены) обнаружены в 80-х гг. ХХ в. Фуллерены обычно представляют собой шарообразные молекулы С₆₀ или молекулы С₇₀, по форме близкие к дынеобразному мячу для регби. Поверхность молекул фуллеренов состоит из 5- и 6-угольников, образованных атомами углерода (в молекуле С₆₀ 20 6-угольников, в молекуле С₇₀ – 30), внутри молекулы полые. Известны фуллерены, молекулы которых имеют более сложную форму (например, форму полых трубок – тубулены) и состоят из нескольких сотен атомов углерода. Название фуллеренам дано по имени американского архитектора и инженера Ричарда Бакминстера Фуллера, который разработал конструкцию куполообразной крыши, составленной из 5- и 6-угольников, наподобие футбольного мяча; иногда фуллерены называют также бакминстерфуллеренами или просто бакиболами.

При растворении С₆₀ в бензоле образуется малиновый раствор, после испарения которого в вакууме получают желтые кристаллы С₆₀. Кристаллическая решетка С₆₀ кубическая гранецентрированная. По пластичности кристаллы С₆₀ близки к графиту.

В фуллеренах все связи между атомами С насыщены за счет их взаимодействия друг с другом, поэтому фуллерены – единственная стабильная «чистая» форма углерода, т. к. в алмазе, графите и других формах атомы углерода, расположенные на поверхности, насыщают свои связи, направленные наружу, за счет взаимодействия с атомами водорода, кислорода и др.

В настоящее время ведутся исследования по изучению свойств и возможностей практического применения фуллеренов. В 1994 г. международная промышленная корпорация «Мицубиси» сообщила о применении фуллеренов в качестве основы для производства аккумуляторных батарей, способных запасать пятикратное количество водорода в сравнении с обычными металлогидридными никелевыми батареями. Их предполагают использовать для питания персональных компьютеров. Но главное – с фуллеренами связаны большие возможности в создании новых материалов и технологий.

Так, фуллерены применяют для изготовления антирадаров, они выдерживают температуру более 3000°С. Активно ведутся работы по использованию соединений включения высших фуллеренов (например, фуллеридов металлов) для достижения высокотемпературной сверхпроводимости. Так, фуллериды типа К₃С₆₀ переходят в сверхпроводящее состояние при 18 К, температура перехода в сверхпроводящее состояние фуллеридов рубидия и цезия может достигать 43 К, а у производных высших фуллеренов (например С₈₄) – и выше (до 100 К).

В 1996 г. ученым, открывшим фуллерены, – Г. Крото (Великобритания), Р. Керлу и Р. Смоли (США) – была присуждена Нобелевская премия по химии. Это говорит о значимости фуллеренов и их роли в науке и практическом применении.

Кремний – неметалл с атомной кристаллической решеткой (кубическая типа алмаза), серебристо-серый с металлическим блеском. Плотность кристаллической модификации – 2, 33 г/см³, у аморфной – 2, 0. Температура плавления 1420°С, температура кипения – около 3300°С. Полупроводник.

Кристаллическая решетка германия атомная кубическая типа алмаза. Это вещество светло-серого цвета с металлическим блеском, плотность 5, 323 г/см³, температура плавления 936, температура кипения 2850°С. Хрупкий.

Олово – металл с металлической решеткой. Существует в виде 2-х полиморфных модификаций: ниже 14°С устойчиво a-олово – серое олово с алмазоподобной структурой, полупроводник, твердое и хрупкое, плотность 5, 846 г/см³; выше 14°С – b-олово – белое олово, обычная металлическая серебристо-белая модификация с тетрагональной решеткой, мягкий металл, плотность 7, 295 г/см³, температура плавления 231, 9°С, температура кипения 2620°С, относительная электропроводность (Нg – 1) 7, 2.

Свинец – металл с кубической гранецентрированной решеткой, синевато-серый, мягкий, легкоплавкий (температура плавления 327, 4°С), температура кипения 1745°С, плотность 11, 336 г/см³, относительная электропроводность 4, 0.