Графіт і алмаз

Графіт ми знаємо з олівців, алмази - з прикрас, а вугілля - з гриля.

Графіт, алмаз і вугілля за зовнішнім враженням дуже різні, і їх застосовують у дуже різних промислових і побутових галузях.

Проте в хімічних реакціях виявляється, що це лише різні модифікації одного й того самого елемента і що всі вони походять від повсюдного вуглецю.

Крім того, тут подано поширення й властивості оксидів Карбону та карбонатної кислоти й пояснено взаємозв'язки на прикладі кальцій карбонату й жорсткості води.

Дослід 2: Горіння графіту й алмазу

• Вугільний електрод добре прожарюють у полум'ї пальника і для охолодження кладуть в ексикатор (із силікагелем як осушувачем).
• Перед початком досліду прожарене вугілля зачищають наждачним папером, щоб видалити забруднення. Після цього відламують шматок завбільшки приблизно 1 см і розтовкують у ступці на менші шматочки. Кілька таких уламків кладуть між жмутками кварцової скловати в широку трубку для спалювання (рис. до досліду 2) з кварцового скла й зважують наповнену так трубку. Масу записують.
• Потім трубку закріплюють на штативі згідно з рисунком до досліду 2 і через два триходові крани з'єднують із промивною трубкою і двома газометрами. Промивну трубку приблизно на третину наповнюють 25%-м калійним лугом (із 12,5 г калій гідроксиду і 37,5 г води) і оснащують насадкою за Штутцером (захист від бризок).

Схема досліду

Дослід 2: Горіння графіту й алмазу

• Через Т-подібний з'єднувач і гумову трубку один газометр наповнюють 1000 мл кисню (триходовий кран у положенні c), потім підвідний шланг щільно закривають затискачем для шланга, а триходовий кран після цього повертають у положення a.
• Шматочки графіту нагрівають пальником якомога сильніше. Потім кисень кілька разів повільно переганяють туди-сюди між газометрами (положення триходових кранів a і a´). Коли слабко розжарені шматочки графіту при пропусканні газу вже не спалахують, пальник гасять і дають трубці для спалювання охолонути.
• Триходові крани повертають у положення b і b´, і газ у газометрах кілька разів повільно проганяють крізь калійний луг, доки об'єм не залишиться сталим. Кінцевий об'єм записують. Охололу трубку для спалювання зважують і цю масу теж записують. Потім її замінюють на вузьку трубку для спалювання (d = 3 мм), у якій між жмутками кварцової скловати (на відстані приблизно 2 см) лежать два-три уламки алмазу, і повторюють дослід зі спалюванням.

Спостереження

Дослід 1: Графіт і алмаз: властивості
Графітовий порошок на дотик жирний. Великий і вказівний пальці легко ковзають один по одному. Відбитки пальців вдається зробити краще видимими. Значно твердіший алмаз без проблем дряпає скло. Графіт проводить електричний струм.

Частина досліду 2: Горіння графіту й алмазу
Вугільні, тобто графітові, електроди можна розжарити в полум'ї пальника. Вони не згоряють. Об'єм газу в газометрі під час горіння лишається практично незмінним. З однієї об'ємної частки витраченого кисню утворюється одна об'ємна частка іншого газу, який адсорбується калійним лугом. За кількістю CO2, адсорбованою так у калійному лузі, можна обчислити еквівалентну кількість наявного в ньому Карбону. Вона відповідає згорілій масі графіту чи алмазу, що можна показати порівнянням із результатом зважувань трубок для спалювання.

Опрацювання результатів (1/3)

Дослід 1: Графіт і алмаз: властивості
Алмаз і графіт - це дві модифікації Карбону. Вони різняться своєю кристалічною структурою. У графіті атоми Карбону сполучені між собою в правильні шестикутники, які лежать шарами один над одним. Оскільки атом Карбону сполучений із трьома іншими, на кожен атом лишається один «вільний» електрон. Ці електрони можуть утворювати додаткові зв'язки в шаруватій ґратці. Завдяки цьому електрони набувають певної рухливості, яка відповідає також за колір і електропровідність.
Між шарами діють лише слабкі міжмолекулярні сили. Звідси випливає легка розщеплюваність (м'якість) уздовж площин (жирний, лускатий характер, застосування в олівцях і як стійке за високих температур мастило). Алмаз, натомість, має правильну тривимірну ґратку з атомів Карбону. Цей тип ґратки, у якому кожен атом Карбону ковалентно сполучений із чотирма іншими, надзвичайно стійкий. Алмаз - найтвердіша з усіх відомих речовин. Оскільки «вільних» електронів теж немає, алмаз - абсолютний непровідник і безбарвний.

Опрацювання результатів (2/3)

Дослід 2: Горіння графіту й алмазу
Графіт і алмаз - це дві модифікації чистого Карбону. Алмази метастабільні, проте швидкість їх перетворення на графіт дуже мала. Лише вище за 1500 °C перетворення алмазу на графіт відбувається самочинно.

Структури цих двох модифікацій (див. вище) дуже різні, що виявляється в їхніх цілком відмінних фізичних властивостях (вигляд, твердість тощо). Хімічні властивості, натомість, як і слід було очікувати, доволі подібні. За нормальних умов обидві доволі інертні.

Опрацювання результатів (3/3)

Дослід 2: Горіння графіту й алмазу

Із графіту завдяки його добрій стійкості до жару й перепадів температури, а також добрій теплопровідності виготовляють графітові тиглі (плавлення металів та ін.).

Проте за вищих температур і графіт, і алмаз піддаються дії окисників. Графіт вище за 750 °C, а алмаз вище за 850 °C повільно згоряють на повітрі до вуглекислого газу. У чистому кисні алмаз згоряє з яскравим спалахуванням.

Крім модифікацій графіту й алмазу, у Карбону відомі ще й інші форми (активоване вугілля, сажа). Однак вони не є справжніми модифікаціями, бо складаються з невпорядкованого каркаса атомів Карбону з ділянками крихітних кристалів графіту.