Исследовательская работа "Аллотропия неметаллов"

ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ

«АНГАРСКИЙ ТЕХНИКУМ СТРОИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»

Исследовательская работа по химии

Аллотропия неметаллов

Работу выполнил: Дзирко Д. С.

Группа ЭПГЗ-41809

Руководитель: Вахитова Е. В.

Преподаватель химии

Ангарск, 2019 г

Содержание

Введение

Из 118 известных на данный момент химических элементов 22 элемента образуют простые вещества, обладающие неметаллическими свойствами. Неметаллических простых веществ намного больше, чем самих неметаллических химических элементов. Причиной тому служит существование явления, называемого аллотропией.

Актуальность: Во многих сферах нашей жизни используется аллотропные модификации неметаллов. Почему же разные формы аллотропных модификаций применяются в разных сферах жизни человека? Есть ли электропроводные модификации атома углерода?

Проблема: От чего зависят свойства аллотропных модификаций углерода?

Объект: Аллотропные модификации углерода и кислорода.

Предмет: Свойства аллотропных модификаций.

Цель: Исследовать аллотропные свойства атома углерода.

Гипотеза: Графит, каменный уголь, активированный уголь как аллотропные модификации углерода имеют различные свойства.

Задачи:

1. Изучить историю и причины аллотропии.
2. Рассмотреть свойства аллотропных модификаций на примере углерода.
3. Выяснить, есть ли электропроводные аллотропные модификации углерода.
4. Выполнить практическую часть

1.Характеристика явления аллотропии

 В переводе с греческого языка "аллотропия" означает "другое свойство". Понятие аллотропии введено в науку Й. Берцелиусом в 1841 году для обозначения разных форм существования элементов; одновременно он предполагал, по-видимому, применить его и к изомерии соединений. После принятия гипотезы А. Авогадро в 1860 году стало понятно, что элементы могут существовать в виде многоатомных молекул, например, О2 — кислород и О3 — озон.

В начале XX века было признано, что различия в кристаллической структуре простых веществ (например, углерода или фосфора) также являются причиной аллотропии. В 1912 году В. Освальд отметил, что аллотропия элементов является просто частным случаем полиморфизма кристаллов, и предложил отказаться от этого термина. Однако по настоящее время эти термины используются параллельно. Аллотропия относится только к простым веществам, независимо от их агрегатного состояния; полиморфизм — только к твёрдому состоянию независимо от того, простое это вещество или сложное. Таким образом, эти термины совпадают для простых твёрдых веществ (кристаллическая сера, фосфор, железо и др.)

В настоящее время известно более 400 разновидностей простых веществ. Способность элемента к образованию аллотропных форм обусловлена строением атома, которое определяет тип химической связи, строение молекул и кристаллов.

Причины аллотропии

Образовывать несколько простых веществ могут не все химические элементы. Способность к аллотропии обусловлена строением атома. Чаще всего она встречается у элементов, имеющих переменное значение степени окисления. К ним относятся полу- и неметаллы, инертные газы и галогены. Аллотропия может быть обусловлена несколькими причинами. К ним относится

• разное количество атомов,
• порядок их соединения в молекулу,
• разновидность кристаллической решётки.

Рассмотрим данные виды аллотропии на конкретных примерах.

Самыми яркими и многообразными физическими свойствами аллотропии обладает углерод. Он способен перерождаться в самое большое количество аллотропных форм, причем с различными не только свойствами, но и строением кристаллической решетки.

2. Характеристика углерода

Углерод (С) – типичный неметалл; в периодической системе находится в 2-м периоде IV группе, главной подгруппе. Порядковый номер 6, Ar = 12,011 а.е.м., заряд ядра +6.

Свободный углерод встречается в виде алмаза и графита. Кроме ископаемого угля, в недрах Земли находятся большие скопления нефти. В земной коре встречаются в огромных количествах соли угольной кислоты, особенно карбонат кальция. В воздухе всегда имеется диоксид углерода. Наконец, растительные и животные организмы состоят из веществ, в образовании которых участие принимает углерод. Таким образом, этот элемент – один из распространенных на Земле, хотя общее его содержание в земной коре составляет всего около 0,1% (масс.).

Углерод — вещество с самым большим числом аллотропических модификаций (более 9 обнаруженных на данный момент).

Аллотропные модификации углерода по своим свойствам наиболее радикально отличаются друг от друга, от мягкого к твёрдому, непрозрачного к прозрачному, абразивного к смазочному, недорогого к дорогому. Эти аллотропы включают аморфные аллотропы углерода (уголь, сажа), нанопена, кристаллические аллотропы — нанотрубка, алмаз, фуллерены, графит.

3. Аллотропные модификации углерода

Алмаз является одним из наиболее известных аллотропов углерода, чья твёрдость и высокая степень рассеивания света делает его полезным в промышленном применении и в ювелирных изделиях. Алмаз — самый твёрдый известный природный минерал, что делает его отличным абразивом и позволяет использовать для шлифовки и полировки. В природной среде нет ни одного известного вещества, способного поцарапать даже мельчайший фрагмент алмаза.

Алмаз - бесцветное, прозрачное вещество, чрезвычайно сильно преломляющее лучи света. Он кристаллизуется в кубической гранецентрированной атомной кристаллической решетке. При этом одна половина атомов располагается в вершинах и центрах граней одного куба, а другая - в вершинах и центрах граней другого, смещенного относительно в первом в направлении его пространственной диагонали. Приложение 2 (рис. а).

Из всех простых веществ алмаз имеет максимальное число атомов, приходящихся на единицу объема, атомы углерода "упакованы" в алмазе очень плотно. С этим, а также с большой прочностью связи в углеродных тетраэдрах связано тем, что по твердости алмаз превосходит все известные вещества. Поэтому его широко применяют в промышленности; почти 80 % добываемых алмазов используются для технических целей. Его используют для обработки различных твердых материалов и для бурения горных пород. Будучи весьма твердым, алмаз в то же время очень хрупок. Получающийся при измельчении алмаза порошок служит для шлифовки драгоценных камней и самим алмазов. Должным образом, отшлифованные прозрачные алмазы называются бриллиантами.

Графит— минерал из класса самородных элементов, одна из аллотропных модификаций углерода. Представляет собой темно серые кристаллы со слабым металлическим блеском. Он имеет слоистую атомную кристаллическую решетку. Каждый атом углерода образует три ковалентные связи с соседними атомами. В результате возникает плоская сетка, которая состоит из правильных шестиугольников, в вершинах которых находятся ядра атомов углерода.

Соседние слои атомов углерода в кристалле графита находятся на довольно большом расстоянии друг от друга, это указывает на малую прочность связи между атомами углерода, расположенными в разных слоях. Соседние слои связаны между собой в основном силами Ван-дер-Ваальса, но частично связь имеет металлический характер, т.е. обусловлена «обобществлением» электронов всеми атомами кристалла. Этим объясняется сравнительно высокая электрическая проводимость и теплопроводность графита не только в направлении слоев, но и в перпендикулярном к ним направлении. (Приложение 2 рис. б).

Хорошо проводит электрический ток. Обладает низкой твёрдостью. Относительно мягкий. После воздействия высоких температур становится немного более твёрдым и очень хрупким. Плотность 2,08—2,23 г/см³. Цвет тёмно-серый, блеск металлический. Неплавкий, устойчив при нагревании в отсутствие воздуха. Жирный (скользкий) на ощупь. Природный графит содержит 10—12 % примесей глин и окислов железа. При трении расслаивается на отдельные чешуйки (это свойство используется в карандашах).

Реагирует при высокой температуре с кислородом, сгорая до углекислого газа. В неокисляющих кислотах не растворяется.

Графит используется очень широко. Можно сказать, что нет ни одной отрасли, где бы он в той или иной степени ни применялся. Необходим графит главным образом в металлургической промышленности для изготовления огнеупорных тиглей, в электропромышленности — в производстве электродов и дуговых углей, в производстве карандашей, черных красок, черной копировальной бумаги, типографской краски или же китайской туши. Используется также как смазочное вещество (в тех случаях, когда вследствие высокого нагрева нельзя применять масла) и в паровых котлах в качестве антинакипного средства. В последнее время применяется для изготовления графитовых блоков «атомных котлов» и изготовления космической техники. Из графита получают искусственный алмаз. Графитовая жидкость применяется при объемном прессовании деталей автомобилей. Штампы, обволакиваемые этим веществом, обеспечивают высокую чистоту поверхности стальных заготовок, что исключает их последующую обтирку на шлифовальных станках.

Активированный уголь представляет собой пористое вещество черного цвета, получаемое из различных природных источников (древесный уголь, каменноугольный кокс, нефтяной кокс). Содержит огромное количество пор и поэтому имеет очень большую удельную поверхность на единицу массы, вследствие чего обладает высокой адсорбционной способностью. Это вещество, не обладающее ни запахом, ни вкусом, не растворяется в воде и в большинстве известных растворителей.  Активированные угли – это мельчайшие кристаллы, состоящие из соединенных между собой плоских шестигранников, образованных атомами углерода. Эти шестигранники образуют слои, беспорядочно сдвинутые относительно друг друга. Таким образом, образуются микропоры, которые и обеспечивают задерживание в угле самых разных молекул других веществ. Типичная для графита решетка нарушена в активированном угле – слои хаотично сдвинуты и имеют разное направление. Активированные угли содержат аморфный углерод. Этот состав определяет пористую структуру активированного угля, и его адсорбционные свойства. (Приложение 2.)

Обычный активированный уголь является довольно реакционноспособным соединением. Если смотреть на активированный уголь как на химический продукт – это форма углерода, которая почти не содержит примесей.

Основные области применения активированного угля:

• очистка воздуха и газов в промышленности;
• очистка растворов в промышленности;
• адсорбция паров бензина, выделяемых машинами;
• очистка воздуха в помещениях, где находится много людей (например, аэропорты);
• противогазовая защита людей от вредных веществ (противогазы);
• производство защитных тканей (они содержат мелкодисперсный активированный уголь и защищают человека от токсичных газов);
• использование в качестве катализатора в некоторых технологических процессах;
• обогащение металлов (например, золота);
• использование в качестве фильтра в некоторых сигаретах;
• конечно же – применение в медицине, он эффективен для снижения воздействия некоторых ядов и при передозировке другими вредными веществами.

Каменный уголь - твёрдое горючее полезное ископаемое. Образовался уголь в каменноугольный период. Древние растения (папоротники), из которых состоит каменный уголь, скапливались в больших торфяных или пресноводных болотах в течение многих тысяч лет. Имеет атомную кристаллическую решётку.

Каменный уголь используется как технологическое, энерготехнологическое и энергетическое сырьё, при производстве кокса и полукокса в связи с получением из них большого количества химических продуктов (нафталин, фенол, пеки так далее), на основе которых получают удобрения, пластмассы, синтетические волокна, лаки, краски и так далее. Ископаемый уголь используется как непосредственно для сжигания, так и для переработки в более ценные виды топлива - кокс, жидкое горючее, газообразное топливо.

4. Электропроводные аллотропные модификации углерода

Графены -  аллотропная модификация углерода представляет собой монослой графита. Толщина такого слоя - один атом. Графен - тонкое и прочное вещество с высокими показателями электропроводности. В настоящее время он широко используется в микроэлектронике и автомобилестроении.

Стеклоуглерод. Это вещество в конце 20 века в Манчестере получил нидерландский химик Бернард Редферн. Стеклоуглерод - это аллотропная модификация углерода, сочетающая электропроводность графита и твердость стекла. В условиях вакуума он не разрушается даже при температуре в несколько тысяч градусов. А вот на воздухе плавится уже при 500 °С. Еще одна характерная черта - устойчивость к коррозии при действии щелочей и кислот. Применяют Стеклоуглерод для изготовления электродов и тиглей.

Фуллерены - молекулярное соединение, принадлежащее классу аллотропных форм углерода и представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода.

Кристаллические фуллерены и пленки представляют собой полупроводники. Аккумуляторы и электрические батареи, в которых используются добавки фуллеренов. Основой этих аккумуляторов являются литиевые катоды. Фуллерены также могут быть использованы в качестве добавок для получения искусственных алмазов методом высокого давления. 

Практическая часть

Цель: Изучить свойства аллотропных модификаций углерода – каменный уголь, графит и активированный уголь.

Для изучения свойств аллотропных модификаций я взял графит (простой карандаш), активированный уголь и каменный уголь. Проверялись следующие свойства: агрегатное состояние, цвет, структура, цвет черты оставленной на поверхности бумаги, растворимость в воде и соляной кислоте (НСl).

Результат исследования:

Приложение 3.

Вывод: в результате исследования, я выяснил, что все три аллотропных модификаций имеют твёрдое агрегатное состояние, имеют окраску от серого до чёрного. У каменного угля и графита плотная структура, а вот активированный уголь имеет пористую структуру. Все три разновидности углерода не взаимодействую с водой, а соляной кислотой реагирует только активированный уголь. В результате исследования гипотеза подтвердилась. Аллотропные модификации углерода (графит, каменный уголь и активированный уголь) имеют различия. Отличия в свойствах заключаются в том, что аллотропные модификации углерода имеют разное строение атомной кристаллической решётки.

Заключение

В результате исследования было выяснено, что в природе существует огромное множество аллотропных модификаций химических элементов не только среди неметаллов, но и как оказалось и среди металлов тоже существуют аллотропные формы, например, у железа модификация в виде феррита.

Жизнь человека наполнена аллотропными модификациями. На каждом шагу мы сталкиваемся с изменёнными атомами, будь то простой карандаш или полупроводники из техники, которая нас окружает.

Я также выяснил, что аллотропные модификации зависят от строения кристаллической решётки. Именно она делает свойства аллотропных модификаций углерода разнообразными и позволяет их применять в самых различных областях.

Гипотеза, выдвинутая в начале работы, подтвердилась. Отличия в свойствах заключаются в том, что аллотропные модификации углерода имеют разное строение атомной кристаллической решётки.

Литература

1. Тупикин, Е. И. Химия. В 2 ч. Часть 1. Общая и неорганическая химия : учебник для прикладного бакалавриата / Е. И. Тупикин. — 2-е изд., испр. и доп. — М. : Издательство Юрайт, 2019. — 385 с. — (Серия : Бакалавр. Прикладной курс).
2. Эддисон У. Аллотропия химических элементов. М., 1966.
3. Глинка Н.Л. Общая химия. Учебное пособие для вузов. - М.: Химия 1988.
4. https://works.doklad.ru/view/OpsEv7e9joA.html
5. https://www.chem21.info/info/7489/
6. http://diplomlib.ru/work/130847

Приложение 1

Приложение 2.

Приложение 3.