§ 44. Аллотропные видоизменения углерода

В свободном состоянии углерод образует два аллотропных видоизменения: алмаз и графит. Оба они имеют атомную кристаллическую решетку, но различаются расположением атомов в ней. Решетка алмаза нами уже рассматривалась. Каждый атом углерода в кристалле алмаза связан ковалентными связями с четырьмя другими, размещенными вокруг него на одинаковых расстояниях (рис. 29). Во всех направлениях в алмазе связи одинаково прочные.

Кристаллы графита слагаются, как стопка бумаги из листов, из атомных пластов, образованных смыкающимися друг с другом (наподобие пчелиных сот) шестиугольниками из углеродных атомов (рис. 30). Связи между соседними пластами слабые, и кристалл легко расщепляется на чешуйки. В графите, в отличие от алмаза, содержатся, как в металлах, слабо связанные электроны. В графите у каждого атома участвуют в образовании ковалентных связей лишь 3 из 4 валентных электронов, образуя с соседними атомами три ковалентные связи, направленные под углом 120° друг к другу. Четвертый электрон остается, как в металлах, свободным. Этим электронам графит и обязан своей электропроводностью. Из-за различного атомного строения алмаз и графит проявляют не только различные, но как бы противоположные физические свойства. Алмаз прозрачен, бесцветен, не проводит электрического тока, это самое твердое из природных веществ. Алмазы применяются для резки стекла, бурения горных пород (рис. 29) и в виде "алмазного инструмента" (резцы, сверла, шлифовальные круги) в машиностроении при резке и шлифовке металлов, обеспечивая высокую производительность и высокое качество труда.

Рис. 30. Строение графита и его применение - смазка, карандаш, втулки, электрод

Графит непрозрачен, серого цвета, с металлическим блеском. Благодаря наличию подвижных электронов, он довольно хорошо проводит электрический ток и теплоту; он скользок на ощупь, как смазочные масла, и представляет собой одно из самых мягких из числа твердых веществ. Даже при слабом трении о бумагу графит расслаивается на тончайшие чешуйки, застревающие между волокнами бумаги и оставляющие на ней серый след, например при писании графитовым карандашом. Отсюда произошло и название графита (в переводе с латинского "пишущий"). Из-за мягкости графит в виде порошка заменяет смазочные масла при высоких, а также слишком низких температурах, устилая своими скользкими чешуйками зазор между осью и втулкой. В этих случаях используют также подшипники со втулками из прессованного графита. Из-за электропроводности графит применяют в качестве материала для электродов, а из-за теплопроводности - в виде теплообменных труб в химической промышленности.

В земной коре свободный углерод встречается в виде графита и отдельных кристаллов алмаза: графит довольно часто, алмаз - чрезвычайно редко. В СССР месторождения природных алмазов разрабатываются в Западной Якутии.

Аллотропные разновидности углерода взаимопревратимы при высоких температурах: при этом при обычных давлениях алмаз превращается в графит, а при очень высоких давлениях - графит в алмаз. Алмазный инструмент из искусственных алмазов нисколько не уступает инструменту, изготовленному из природных алмазов.

Часто нам приходится встречаться с аморфным углеродом в виде сажи и угля. По строению аморфный углерод - это тот же графит, но в состоянии тончайшего измельчения. С образованием аморфных форм углерода мы встречаемся в быту. При недосмотре керосиновые лампы коптят, выделяя углерод в виде сажи, а пища "пригорает", выделяя углерод в виде угля. То же самое происходит при сильном нагревании в пробирке лучинок. Дерево чернеет, превращаясь в уголь. При этом образуются горючие газы, их можно поджечь, поднеся к отверстию пробирки зажженную спичку.

Разложение органических веществ посредством нагревания без доступа воздуха (чтобы предотвратить горение) называется сухой перегонкой.

Посредством сухой перегонки каменный уголь превращается в кокс, а древесина - в древесный уголь.

Практическое применение аморфных форм углерода разнообразно. Одно из применений сажи сейчас перед вашими глазами: типографская краска, которой напечатаны буквы этой книги. Из сажи получают тушь. Добавка сажи к резине при производстве автопокрышек повышает их прочность и увеличивает срок службы. Шинная промышленность - главный потребитель сажи.

Кокс и уголь применяют как высококалорийное горючее и как восстановитель в металлургии при выплавке железа и других металлов из руд. Специальные сорта угля применяются в качестве адсорбентов.