Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Лашевська

§ 17. Фізичні властивості та алотропія Карбону, Сульфуру, Фосфору

Після опрацювання параграфа ви зможете:

  • характеризувати фізичні властивості простих речовин Карбону, Сульфуру, Фосфору та встановлювати залежність їхніх властивостей від будови;
  • пояснювати відмінності властивостей алотропних модифікацій Сульфуру, Карбону, Фосфору їхнім кількісним складом та будовою;
  • наводити приклади алотропних модифікацій Сульфуру, Карбону, Фосфору;
  • обґрунтовувати застосування неметалів їхніми фізичними властивостями та значення алотропних перетворень.

Чи утворюють алотропні модифікації інші неметалічні елементи, наприклад Карбон, Сульфур, Фосфор тощо? Явище алотропії досить поширене поміж неметалічних елементів. Воно може бути зумовлене не лише відмінністю в кількісному складі, а й особливостями взаємного розташування атомів і молекул у кристалах. Хоча у вузлах кристалічних ґраток алмазу й графіту містяться атоми того самого хімічного елемента Карбону, ці прості речовини мають різну будову кристалічних ґраток та різні властивості (див. § 8). Окрім алмазу й графіту, відомі й інші алотропні модифікації Карбону (рис. 17.1).

Рис. 17.1. Відкриття фулеренів складу С60 и С70 (1985) визнано одним з найдивовижніших і найважливіших наукових відкриттів минулого століття. За нього Р. Керла, Р. Смоллі та Г. Крото у 1996 р. удостоєно Нобелівської премії з хімії. 1. Кристали бакмінстерфулерену. 2. Моделі молекул фулерену С60 та фулерену С70. 3. Модель карбонової нанотрубки. 4. Паперова модель-оригамі фулерену С70

Чи мають алотропні модифікації Карбону практичне значення? Застосування будь-якої речовини зумовлене комплексом її властивостей. Певні уявлення щодо того, як людина використовує алмаз і графіт, ви маєте з повсякденного життя. Утім алмази не лише матеріал, з якого виготовляють коштовні діаманти для оздоблення ювелірних виробів. Сучасні технології потребують великих монокристалів синтетичних алмазів, елітних алмазних шліфувальних порошків і мікропорошків. Алмазні інструменти для високопродуктивного оброблення металів і каменю, буріння, видобування вугілля та геологічної розвідки, полірувальні пасти для високоточної оптики, суперпрецизійні верстати алмазного мікроточіння та полірування - цей перелік майже безмежний. Новітні розробки в цій галузі здійснюють і впроваджують у виробництво в одному з найбільших науково-технічних матеріалознавчих центрів Європи - Інституті надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України.

За практичним значенням алмазу не поступається графіт. Висока електропровідність (поясніть її причину) зумовила його широке використання в електротехніці. Термічна стійкість зробила графіт незамінним на виробництві, пов’язаному з високотемпературними процесами. Здатність графіту розшаровуватися (поясніть, чим вона зумовлена) використовують для виготовлення олівців та різноманітних мастильних матеріалів.

Практичне значення інших алотропних модифікацій Карбону вичерпно характеризують словосполучення - матеріали нового покоління, матеріали майбутнього. Докладніше про них ви зможете дізнатися з таблиці 3 (див. Додаток).

Цікаво і пізнавально

Пошуки вдалих рецептів створення самозбирних мініатюрних об’єктів з атомів - важливий напрям прикладної фізики та біотехнології. Джунга Кім (Jungah Кіm) з південнокорейського Інституту фундаментальних наук в Пхохані спеціалізується на вирощуванні кристалів з фулерену1. Унаслідок змішування фулеренів різних видів її дослідницькій групі вдалося виростити кристали, схожі на квітку клематиса, розміром усього кілька мікронів (рис. 17.2).

1 Kim, J. et al. Unique Crystallization of Fullerenes: Fullerene Flowers. Sci. Rep. 6, 32205; doi: 10.1038/srep32205 (2016).

Рис. 17.2. Фулеренові квіточки. Ягідки - попереду...

Чи здатні алмаз і графіт взаємоперетворюватися, як, наприклад, кисень та озон? Саме з графіту за високих температур і тиску добувають синтетичні алмази. У вакуумі або інертній атмосфері вже за 1400 °С починається графітизація алмазу, яка пришвидшується зі зростанням температури.

Цікаво і пізнавально

Виявлено, що перетворення алмазу на графіт унаслідок опромінення м’яким рентгенівським випромінюванням відбувається щонайменше вдесятеро швидше за термічний процес. Про це повідомила міжнародна група, що виконувала фізичні дослідження під керівництвом Франца Тавелла (SLAC, США), Свена Толеїкіса (DESY, Німеччина) та Беати Заї (Інститут ядерної фізики, Краків) у журналі High Energy Density Physics. https://www.desy.de/news/news_search/index_eng.html?openDirectAnchor=1317&two_ columns=1

Алотропія Сульфуру також зумовлена відмінностями в складі та будові утворених цим елементом простих речовин, здатних до взаємоперетворення. Кристалічна сірка - крихка речовина жовтого кольору, не розчиняється у воді. Сірка важча за воду, тому її кристали опускаються на дно посудини. Однак уміщений у посудину з водою порошок сірки спливає на поверхню. Це відбувається тому, що цей неметал водою не змочується. Сірка - діелектрик і від тертя сильно електризується та набуває від’ємного заряду.

Сірка складається із циклічних молекул S8, що мають форму корони. Кристалічна сірка плавиться за температури 113 °С. З розплаву під час повільного охолодження утворюються кристали іншої форми: ромбічна сірка перетворюється на моноклінну (рис. 17.3). Унаслідок відмінностей у просторовому розташуванні молекул сірки у кристалах ці алотропні модифікації відрізняються густиною, кольором тощо.

Рис. 17.3. 1. Молекула сірки за звичайних умов має циклічну будову: А - вигляд згори, Б - вигляд збоку. Ромбічна сірка (2) за нагрівання перетворюється на моноклінну сірку (3)

Спостерігати за плавленням сірки (рис. 17.4) не лише цікаво, а й пізнавально.

Рис. 17.4. Плавлення сірки супроводжується зміною будови її молекул і, як наслідок, - змінами кольору, в’язкості розплаву тощо

Унаслідок підвищення температури руйнуються слабкі міжмолекулярні зв’язки в кристалах і вивільняються циклічні молекули S8, які набувають певної рухливості. В’язкість цього розплаву менша за в’язкість води. За температури 195 °С в’язкість розплаву сірки зростає чи не в 10 000 разів, тому він не виливається з пробірки. Унаслідок руйнування циклів S8 утворюються відкриті структури, кінцеві атоми яких сполучаються між собою в полімерні ланцюги, що містять мільйони атомів Сульфуру. З подальшим підвищенням температури полімерні ланцюги руйнуються, стають коротшими, тож в’язкість розплаву зменшується. Якщо його температуру різко знизити, виливши в посудину з холодною водою (рис. 17.5), дістанемо пластичну сірку, яка за механічними властивостями нагадує гуму чи пластилін: її форму легко можна змінити.

Рис. 17.5. Утворення пластичної сірки (1) та її структура (2)

Пластична сірка, так само як й інші алотропні модифікації Сульфуру, згодом перетворюється на ромбічну сірку, найстійкішу з-поміж них. Докладніше про властивості ромбічної та моноклінної сірки ви зможете дізнатися з таблиці 4 Додатка.

Чи не кожному з тих, хто користується сірниками, відома одна з алотропних модифікацій Фосфору - червоний фосфор. Він - складник намазки сірникової коробки. Проте назву «Фосфор», що походить від грецького φωσφοροξ та означає «світлоносний», хімічний елемент дістав завдяки іншій алотропній модифікації - білому фосфору. Цю речовину 1869 року відкрив гамбурзький алхімік-аматор Бранд (рис. 17.6).

Рис. 17.6. Алхімік, який у пошуках філософського каменю відкрив фосфор. Джозеф Райт (Райт з Дербі), 1771 рік

Згодом тривалим нагріванням у закритій посудині білого фосфору добули червоний фосфор. Пізніше добули ще кілька алотропних модифікацій Фосфору (про них ви можете дізнатися з таблиці 1 Додатка). Відмінності в будові двох найважливіших алотропних модифікацій Фосфору легко зрозуміти з рисунка (17.7).

Рис. 17.7. 1. Білий фосфор Р4 - молекулярна речовина. 2. Червоний фосфор (Р4)n - полімерна сполука складної будови

Тож не дивно, що як фізіологічна дія, так і фізичні властивості та хімічна активність білого та червоного фосфору істотно різняться. Білий фосфор - дуже отруйний, червоний - малотоксичний. Зовні білий фосфор схожий на парафін, м’який, його легко деформувати, розрізати ножем. Плавиться ця речовина за температури 44,2 °С, розчиняється в багатьох органічних розчинниках, наприклад сірковуглеці.

Натомість червоний фосфор розчиняється лише в розплавлених свинці та бісмуті. За нагрівання він не плавиться, а зазнає сублімації, під час якої перетворюється на білий фосфор. Якщо сублімація відбувається в інертній атмосфері, на стінках посудини осідає білий фосфор. Із часом білий фосфор дуже повільно перетворюється на червоний.

Цікаво і пізнавально

Фосфорний некроз щелепи у XIX столітті був професійним захворюванням персоналу сірникових фабрик, де використовували білий фосфор. 2 липня 1888 року після звільнення однієї з працівниць на Лондонській сірниковій фабриці почався страйк робітниць, який супроводжувався демонстрацією. Працівницю було звільнено за відмову написати спростування до статті відомої журналістки, борця за права жінок Анні Безант про жахливі умови праці і фосфорний некроз зокрема. Ця подія ввійшла у світову історію й культуру настільки, що в 1960-х роках слідами тих подій поставлено мюзикл «Дівчата-Сірничниці» (The Matchgirls).

Хімічна активність білого фосфору істотно вища порівняно із червоним. Тому білий фосфор зберігають під шаром води, щоб ізолювати від повітря та запобігти окисненню. Саме повільним окисненням, унаслідок якого виділяється світлова енергія, зумовлений ефект холодного світіння (люмінісценції) білого фосфору. Докладніше про хімічні властивості фосфору та інших неметалів ітиметься в наступному параграфі.

https://www.youtube.com/watch?v=vep-rJHgwOs

https://www.youtube.com/watch?v=vyy6TCxz8Nc

https://www.youtube.com/watch?v=LjAiHZWDf4s

https://www.youtube.com/watch?v=NdOyFPv7TkY

ПРО ГОЛОВНЕ

• Алмаз і графіт - алотропні модифікації Карбону.

• Фулерени та нанотрубки - матеріали нового покоління.

• Ромбічна, моноклінна S8 і пластична Sn сірка - алотропні модифікації Сульфуру.

• Білий Р4 і червоний (Р4)n фосфор є алотропними модифікаціями Фосфору.

• Знання про фізичні властивості неметалів потрібні як для ефективного використання традиційних матеріалів і технологій, так і для створення новітніх.

Перевірте себе

  • 1. Перетворіть розповідні речення рубрики ПРО ГОЛОВНЕ на питальні. Чи можете ви відповісти на ці запитання без допомоги підручника?

Застосуйте свої знання й уміння

  • 2. Поясніть вислів відомого хіміка Ю. В. Ходакова. «Якщо зважити на природу сил, які має подолати гранильник алмазів, його професію можна було б віднести до хімічних».
  • 3. Доповніть пораду домашньому умільцю: «Щоб виготовити пластилін, у розплавлений віск добавляють розплав каніфолі та трохи пігменту. У цю рідку суміш уливають розплавлену сірку, яка, так само як і каніфоль, надає пластиліну ...».
  • 4. Відомий спосіб завантажування сірки насипом у напіввагони. Його недоліком є утворення пилу під час завантаження, що погіршує умови праці й шкодить довкіллю. З огляду на фізичні властивості сірки запропонуйте безпечніший спосіб її завантажування.
  • 5. Ірина та Вадим посперечалися. Вадим стверджував, що алхімік Брандт одержав фосфор, випаривши залишок від перегонки сечі масою близько тонни, яку він зібрав у солдатських казармах. Ірина вважала його твердження недолугим жартом. Наведіть аргументи на підтримку твердження Вадима.
  • 6. Якщо в темній кімнаті сірником не дуже сильно, так, щоб він не загорівся, чиркнути по сірниковій коробці, то деякий час на тертці коробки, складником намазки якої є червоний фосфор, буде видно білий світний слід. Поясніть це явище.
  • 7. Сірковуглець - леткий розчинник, що легко випаровується. Спрогнозуйте, що відбудеться, якщо просочити розчином білого фосфору в сірковуглеці аркуш паперу й залишити його на повітрі.

Творча майстерня

  • 8. Складіть сенкан «Алотропія».