- •12. Азот и фосфор
- •5.1. Общая характеристика. Нахождение в природе. Получение
- •5.2. Простые вещества
- •5.2.1. Структура и физические свойства
- •5.2.2. Химические свойства
- •5.3. Аммиак и соли аммония
- •5.3.1. Получение аммиака
- •5.3.2. Физические и химические свойства
- •5.3.3. Соли аммония
- •5.4. Оксиды и гидроксиды азота. Соли
- •5.4.1. Получение оксидов и кислот
- •5.4.2. Свойства и применение
- •5.4.3. Нитраты и нитриты
- •5.5. Кислородосодержащие соединения фосфора
- •5.6. Минеральные удобрения
- •14. Общая характеристика. Степени окисления
- •7.3.2. Природные соединения алюминия
- •7.3.3. Физические свойства
- •7.3.4. Химические свойства
- •7.3.5. Оксиды и соли p-элементов
- •7.3.6. Производство алюминия
- •16. Углерод и кремний
- •6.1. Общая характеристика. Нахождение в природе. Получение
- •6.2. Структура и физические свойства простых веществ
- •17. Константа равновесия
- •2.3.2. Сдвиг равновесия
- •19. Строение атома и химическая связь
- •3.1. Электронное строение атома
- •3.1.1. Современная модель атома
- •20. Общая характеристика
- •Получение и свойства s-металлов
- •7.2.4. Сложные вещества s-элементов. Производство соды
- •2.1.1. Термохимия
- •2.1.2. Энтропия. Энергия гиббса
- •2.1.3. Формула гиббса. Разрешенность процессов с позиции термодинамики
- •22. Метан
- •6.5. Кислородосодержащие соединения углерода
- •6.5.1. Общая характеристика и свойства
- •6.6.3. Цемент
- •25. Ионное произведение воды. Водородный показатель. Индикаторы
- •4.2.4. Буферные растворы
- •3.2. Получение простых веществ.
- •3.3. Физические свойства г2
- •27. Кислородосодержащие соединения хлора
- •Взаимодействие г2 с водородом. Получение hCl и ее свойства. Галогеноводородные кислоты
- •32. Соли аммония
- •5.4. Оксиды и гидроксиды азота. Соли
- •5.4.1. Получение оксидов и кислот
- •5.4.2. Свойства и применение
- •2.1. Распространенность водорода
- •2.2. Сходство водорода с другими элементами
- •2.2.1. Сходство с галогенами
- •2.2.2. Сходство со щелочными металлами
- •40. Особенности водорода
- •2.2.2. Кинетическое уравнение
- •2.2.3. Механизм химических реакций
- •2.2.4. Влияние температуры на скорость
- •2.2.5. Катализ
6.2. Структура и физические свойства простых веществ
Особенности углерода. Все простые вещества С образованы атомами углерода в возбужденном состоянии sp3, , а поскольку при этом еще и атомный радиус С достаточно мал, то -связь С–С оказывается максимально прочной .
Кроме того, атомы углерода менее склонны, чем N, давать -перекрывания (из-за большего радиуса С). Поэтому частицы С2, хотя и существуют но, в отличие от N2, не стабильны. Напротив, гораздо более устойчивы гомоядерные полимеры, в которых атомы углерода имеют по четыре -связи. Это и простое вещество алмаз , и многочисленные органические соединения.
Однако, атомы С могут формировать между собой и достаточно эффективные -перекрывания, причем в зависимости от кратности связи (к.с.) между атомами углерода, различают несколько аллотропных форм С: алмаз (к.с.=1), графит (к.с.=1,3), карбин (к.с.=2) и др. Рассмотрим их подробнее.
Карбин. Данное простое вещество углерода имеет, как и пластическая сера, волокнистую структуру, но его волокна не зигзагообразные, а линейные.
Они имеют одинаковую форму – промежуточную между шаром и гантелью. (На рисунках 6«а» и 7 одна из ГО для наглядности нарисована более жирной линией.) Такой процесс смешивания s-орбитали и одной p-орбитали называется sp-гибридизацией.
Поскольку ГО имеют асимметричную форму, то они в большей степени перекрываются с орбиталями других атомов (при формировании -связи с ними, как показано на рисунке 7), и поэтому образуют более прочные ХС.
Подчеркнем, что угол между осями двух -связей при sp-гибридизации равен 180°, т.к. гибридные орбитали из-за отрицательного заряда электронов, находящихся на них, взаимноотталкиваются, т.е. стремятся к максимальной удаленности друг от друга. Как следствие, фрагмент из 3-х атомов получается линейным (рисунок 7). А поскольку в карбине все атомы углерода в цепях, образуя по две -связи, имеют sp-гибридизацию своих орбиталей, то эти цепи тожелинейны. Причем 2pz и 2py-орбитали каждого атома С в карбине участвуют в -перекрывании, давая двойные (или тройные) связи в цепи:()
Графит.
В графите все
атомы углерода образуют по 3
-связи
с тремя соседними С, используя s-, px-
и pz-орбитали
(рис. 6«б»). А значит, имеем sp2-гибридизацию,
при которой углы между осями связей
равны по 120°. Таким образом фрагмент из
4-х атомов представляет собой плоский
треугольник
(см. рисунок 8 – обведенное пунктиром).
Треугольные фрагменты, объединяясь
между собой, дают плоский
слой,
составленный из шестиугольников
(рисунок 8),
в которых углы как раз по 120°.
Итак, решетка графита построена из слоев. Они связаны между собой с помощью ММС. А четвертая орбиталь (py-) каждого атома С графита участвует в общем -перекрывании со всеми атомами своего слоя. Этообщее -перекрывание обеспечивает pу-электронам почти такую же подвижность, как в металлах. Вследствие чего графит имеет серый, как многие М, цвет и проводит ток (но только вдоль слоев, а не перпендикулярно к ним).
В целом решетка графита прочная, благодаря чему он термостоек (т.пл. 3800°С), поэтому из него делают огнеупорные изделия, например, тигли. Но поскольку ММС между слоями значительно слабее, чем ХС в слое, то возможно довольно легкое отслаивание графита. В частности, при надавливании им на бумагу, на ней остается его серый след. Поэтому графит (его название в переводе с немецкого означает «пишущий») используют для изготовления карандашей, а также в технике в качестве твердой смазки между трущимися деталями.
Отметим, что многие простые соединения С (кокс, сажа, основное вещество угля и т.п.) являются мелкокристаллическими разновидностями графита.
Сравнительно недавно получены новые простые вещества C: трубчатый углерод (его молекулы имеют вид трубок), фуллерены (состоящие, например, из «шаров» С60 или С70) и др. И все они построены, как и графит, из треугольников, но не плоских, ибо в них атомы С имеют лишь приблизительно sp2-гибридизацию орбиталей.
Алмаз. Самая прекрасная форма углерода – алмаз (прозрачное вещество, сильно преломляющее световые лучи). В нем все 4 орбитали С (s- и три p-) каждого атома углерода участвуют в -перекрываниях счетырьмя соседними атомами С. А значит, имеем sp3-гибридизацию (рисунок 6«в»), при которой углы между связями , а 5 атомов углерода, связанных указанным образом, образуюттетраэдр, т.е. объемную форму.
Как результат того, что каждый атом С в алмазе (кроме поверхностных) имеет по четыре -связи, тетраэдры оказываются соединенными между собойтолько химическими связями, и значит, имеем стабильную координационную решетку. А поскольку -связи С–Смаксимально прочные (прочнее, напомним, лишь в молекуле Н2), то, как следствие, алмаз – самое твердое вещество из известных на Земле (само его название на арабском означает «твердейший»).
Благодаря столь высокой твердости, применение алмазов в промышленности в 2-3 раза увеличивает мощность оборудования, а также срок его службы. Используют алмазы для резки стекла, шлифования твердых материалов, бурения горных пород и др. Причем почти половина применяемых образцов получены искусственно из графита.
Один из способов синтеза алмаза – действие на сильно нагретый графит сверхвысокого давления, которое сближает слои графита настолько, что между ними формируются -связи (перекрыванием py-орбиталей).
При этом sp2-гибридизация переходит в sp3-, а значит, слоистая решетка сменяется координационной (как следствие, исчезают проводимость и «пачкающие» свойства), т.е. образуется алмаз. По твердости он как настоящий, но внешне не привлекателен (из-за примеси графита). Так что для украшений годятся лишь природные алмазы. Самый крупный из них весит 600 г.
Концентрированные серная и азотная кислоты при нагревании окисляют углерод до углекислого газа:
C + 2 H2SO4 (t )® CO2 + 2 SO2 + H2O,
C + 4HNO3 (t )® 3CO2 + 4NO2 + 2H2O.
к кислотам кремний более устойчив: на него действует только смесь концентрированных HNO3 и HF:
.
Эти кислоты как бы объединяют свои «усилия»: HNO3 окисляет Si до Si4+, точнее до SiO2, а HF растворяет SiO2, образуя фторокремниевую кислоту H2SiF6. И только при таком двойном действии кислот кремний реагирует с ними. Поэтому добавки его к металлам (в частности, к железу) повышают их кислотостойкость.