Охарактеризуйте аллотропные видоизменения серы и углерода.

Аллотропия — это способность одного и того же химического элемента существовать в виде нескольких простых веществ, отличающихся строением и свойствами. У серы и углерода аллотропия выражена очень ярко.

Аллотропные видоизменения серы

Сера существует в нескольких аллотропных формах. Они отличаются строением кристаллической решётки, внешним видом, плотностью, температурой устойчивости и физическими свойствами. Основные формы серы — ромбическая, моноклинная и пластическая.

1. Ромбическая сера

Ромбическая сера — наиболее устойчивая форма серы при обычных условиях.

Она имеет жёлтый цвет, состоит из молекул S₈, в которых восемь атомов серы соединены в кольцо. Кристаллы ромбической серы имеют форму октаэдров или похожих на них многогранников.

Основные свойства ромбической серы:

жёлтое кристаллическое вещество;
хрупкая;
плохо проводит тепло и электричество;
не растворяется в воде;
хорошо растворяется в сероуглероде;
устойчива при температуре ниже примерно 95,6 °C.

Именно ромбическая сера чаще всего встречается в природе и является обычной формой серы при комнатной температуре.

2. Моноклинная сера

Моноклинная сера образуется при охлаждении расплавленной серы. Её кристаллы имеют игольчатую форму и также состоят из молекул S₈, но расположение этих молекул в кристалле другое.

Основные свойства моноклинной серы:

жёлтое кристаллическое вещество;
кристаллы вытянутые, игольчатые;
менее устойчива при обычных условиях;
устойчива в интервале температур примерно от 95,6 °C до 119 °C;
при комнатной температуре постепенно превращается в ромбическую серу.

Таким образом, отличие моноклинной серы от ромбической связано главным образом не с составом молекул, а с различным расположением молекул S₈ в кристаллической решётке.

3. Пластическая сера

Пластическая сера получается, если расплавленную серу быстро вылить в холодную воду. При этом образуется тёмно-жёлтая или буроватая эластичная масса, похожая на резину.

Пластическая сера отличается от ромбической и моноклинной тем, что имеет не кристаллическое, а аморфное строение. В ней атомы серы соединены в длинные цепи.

Основные свойства пластической серы:

аморфное вещество;
тёмно-жёлтая или буроватая;
эластичная;
нерастворима в сероуглероде;
неустойчива;
со временем превращается в ромбическую серу.

Итак, для серы характерны переходы одной аллотропной формы в другую. При обычной температуре наиболее устойчива ромбическая сера.

Аллотропные видоизменения углерода

Углерод имеет несколько аллотропных форм. Наиболее известные из них — алмаз, графит, карбин, фуллерены, графен. Различие между ними связано с тем, как атомы углерода соединяются друг с другом и какую пространственную структуру образуют.

1. Алмаз

Алмаз — одна из самых известных аллотропных форм углерода. В алмазе каждый атом углерода соединён прочными ковалентными связями с четырьмя соседними атомами. В результате образуется очень прочная трёхмерная кристаллическая решётка.

Основные свойства алмаза:

бесцветное или слегка окрашенное прозрачное вещество;
чрезвычайно твёрдый;
плохо проводит электрический ток;
хорошо проводит тепло;
имеет высокую температуру плавления;
химически довольно устойчив;
используется для изготовления режущих инструментов, буров, абразивов, а также в ювелирном деле.

Твёрдость алмаза объясняется тем, что все атомы углерода в его кристалле связаны между собой очень прочными ковалентными связями.

2. Графит

Графит — другая широко распространённая аллотропная форма углерода. В графите атомы углерода образуют плоские слои. Внутри каждого слоя атомы соединены прочными ковалентными связями, а между слоями действуют слабые силы.

Основные свойства графита:

тёмно-серое или чёрное вещество с металлическим блеском;
мягкий;
оставляет след на бумаге;
хорошо проводит электрический ток и тепло;
легко расслаивается;
устойчив при высоких температурах;
используется в карандашах, электродах, смазочных материалах, огнеупорных изделиях.

Мягкость графита объясняется тем, что его слои легко сдвигаются относительно друг друга. Электропроводность графита связана с наличием подвижных электронов в слоях углеродных атомов.

3. Карбин

Карбин — аллотропная форма углерода, в которой атомы соединены в длинные линейные цепи. Связи между атомами могут чередоваться как одинарные и тройные или быть двойными.

Основные свойства карбина:

твёрдое вещество;
имеет цепочечное строение;
обладает высокой прочностью;
менее распространён, чем алмаз и графит;
представляет интерес для материаловедения.

Карбин можно рассматривать как форму углерода с одномерной структурой.

4. Фуллерены

Фуллерены — молекулярные формы углерода, в которых атомы углерода соединены в замкнутые сферические или близкие к сферическим структуры. Самый известный фуллерен — C₆₀, молекула которого напоминает футбольный мяч.

Основные свойства фуллеренов:

состоят из отдельных молекул;
имеют полую шарообразную или эллипсоидную форму;
обычно представляют собой тёмные кристаллические вещества;
растворимы в некоторых органических растворителях;
применяются и изучаются в нанотехнологиях, медицине, электронике и химии материалов.

Фуллерены отличаются от алмаза и графита тем, что имеют молекулярное строение, а не бесконечную кристаллическую сетку.

5. Графен

Графен — это одноатомный слой углерода, в котором атомы расположены в виде шестиугольной сетки. По сути, графен можно представить как один отдельный слой графита.

Основные свойства графена:

очень тонкий материал, толщиной в один атом;
чрезвычайно прочный;
хорошо проводит электрический ток;
хорошо проводит тепло;
гибкий;
перспективен для электроники, сенсоров, аккумуляторов и новых композиционных материалов.

Графен обладает уникальными свойствами благодаря своей двумерной структуре.

Сравнение аллотропных форм углерода

Алмаз и графит особенно хорошо показывают, как сильно свойства вещества зависят от строения. Оба состоят только из атомов углерода, но алмаз — прозрачный и очень твёрдый, а графит — чёрный, мягкий и электропроводный.

Причина различий заключается в строении:

в алмазе атомы углерода образуют прочную трёхмерную решётку;
в графите атомы расположены слоями;
в фуллеренах атомы образуют замкнутые молекулы;
в графене атомы образуют один плоский слой;
в карбине атомы соединены в цепи.

Вывод

Сера и углерод имеют несколько аллотропных видоизменений, отличающихся строением и свойствами. У серы основными формами являются ромбическая, моноклинная и пластическая сера. Они отличаются кристаллическим строением и устойчивостью при разных температурах. Углерод образует более разнообразные аллотропные формы: алмаз, графит, карбин, фуллерены и графен. Различия между ними связаны с разным расположением атомов углерода и типом химических связей, поэтому свойства этих веществ резко отличаются друг от друга.