АЛОТРОПІЯ. АЛОТРОПНІ МОДИФІКАЦІЇ НЕМЕТАЛІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ

Опанувавши матеріал параграфа, ви зможете:

• пояснювати суть явища алотропії; відмінності властивостей алотропних модифікацій Оксигену, Сульфуру, Карбону та Фосфору за допомогою їхнього кількісного складу або будови;
• досліджувати адсорбційну здатність активованого вугілля та аналогічних лікарських препаратів;
• обґрунтовувати значення алотропних перетворень;
• доводити практичну значущість явища адсорбції;
• висловлювати судження щодо біологічної ролі озону та його застосування.

Алотропія.  Неметалічні елементи можуть утворювати кілька простих речовин, відмінних за складом молекул і будовою.

• Алотропія (від грецьк. allos – інший, tropos – властивість) – явище утворення хімічним елементом двох або більше простих речовин, різних за властивостями та будовою. Прості речовини одного елемента називають алотропними модифікаціями .   

Алотропні модифікації властиві Оксигену, Сульфуру, Карбону та Фосфору. Ознайомимося докладніше з простими речовинами кожного з цих елементів.

Алотропні модифікації Оксигену.  Оксиген утворює дві прості речовини: кисень та озон. Порівняємо їх склад та властивості (табл. 5).

Таблиця 5

Порівняльна характеристика кислорода та озону

Кисень під дією високої температури, електричного розряду або ультрафіолетового випромінювання перетворюється на озон, що відображає рівняння:

Реакція оборотна, тобто озон розкладається до кислорода і атомарного оксигену. Оксиген сполучається в молекулі кислорода. Цей процес відображає рівняння:

або сумарно:

Кисень та озон відрізняються хімічною активністю. Вам уже відомо, що кисень є добрим окисником під час реакцій з металами та деякими неметалами. Однак реакційна здатність озону значно вища завдяки тому, що під час його розпаду утворюється атомарний оксиген. Це зумовлює самозаймання деяких речовин в озоні, знебарвлення барвників, хрупкість каучуків.

Наявність кислорода у повітрі забезпечує всі життєві процеси у живих організмах. Завдяки кислороду відбувається процес дихання. Однак надмірна його кількість в організмі призводить до пришвидшення обмінних процесів, що спричиняє зношування організму. Кисень застосовують для різання та зварювання металів у суміші з етином (ацетиленом) і як окисник палива в ракетних двигунах. У медицині кислородом наповнюють кисневі подушки для хворих, у яких утруднене дихання.

Озон — отруйна речовина, але в малій кількості є добрим антисептиком, тому його застосовують для озонування води й повітря. У суміші з киснем використовують як окисник ракетного палива; для відбілювання тканин.

Озоновий шар захищає Землю від сонячної радіації.

У промисловості кисень добувають зі зрідженого повітря, перегонкою або електролізом води. У лабораторних умовах — розкладом оксигеновмісних речовин, зокрема калій перманганату KMnO4, гідроген пероксиду H2O2, калій хлорату KClO3, натрієвої NaNO3 чи калієвої KNO3 селітр.

Складіть самостійно рівняння реакцій електролізу води й розкладу оксигеновмісних органічних речовин, які ви вивчали в попередніх класах.

Алотропні модифікації Сульфуру. Сульфур — елемент 3 періоду головної підгрупи VI групи. На зовнішньому (третьому) енергетичному рівні його атома міститься 6 електронів. Електронна конфігурація атома — 3s23p4.

Сульфур утворює декілька алотропних модифікацій, зокрема кристалічну та пластичну сірку. Кристалічна сірка має дві форми: ромбічну та моноклінну. Ознайомимося з ними докладніше (табл. 6).

Таблиця 6

Порівняльна характеристика алотропних модифікацій Сульфуру

Сірка набула широкого застосування у різних галузях виробництва. Зокрема в промисловості органічного синтезу — для вулканізації каучуку, у виробництві сірників, отрутохімікатів, які використовують у боротьбі з хворобами та шкідниками рослин (бавовнику, виноградної лози). Її застосовують як антисептик у фармацевтичній промисловості для виробництва мазей (наприклад, сірчаної мазі для лікування захворювань шкіри). У хімічній промисловості — для виробництва сульфатної кислоти та її солей.

Рис. 34. Процес перетворення кристалічної сірки на пластичну

Алотропні модифікації фосфору.  Фосфор - елемент 3 періоду, головної підгрупи V групи. Тому зовнішній (третій) енергетичний рівень його атома має електронну конфігурацію 3s 2 3p 3 .За звичайних умов фосфор є твердою речовиною, пара якої містить молекули Р ​​4 . У природі у вільному стані не трапляється.

Фосфор утворює три алотропні модифікації: білий, червоний та чорний (табл. 7). Як і всі неметали, реагує з кислородом. Білий фосфор — активніший, і вже за температури 50 °С загоряється у повітрі. Менш активний червоний фосфор горить у надлишку кислорода, якщо його підпалити. Рівняння реакції:

4Р + 5О2 = 2Р2О5 . _ 

Таблиця 7

Порівняльна характеристика алотропних модифікацій Фосфору

Продовження табл. 7

Алотропні модифікації Карбону.  Карбон – елемент 2 періоду головної підгрупи IV групи. Тому зовнішній (інший) енергетичний рівень його атома має електронну конфігурацію 2s 2 2p 2 . Завдяки особливій будові атомів Карбону він існує у вигляді кількох алотропних модифікацій — як природних, так і штучно здобутих.

У курсі хімії 8 класу ви вивчили кристалічну будову та фізичні властивості однієї з алотропних модифікацій Карбону — алмазу. Алмаз та графіт — це природні модифікації Карбону, кристалічні структури яких різко відрізняються. Крім них, відомі карбін і фулурен. Пригадаємо деякі властивості алмазу та графіту.

Алмаз (від грецьк. adamas — твердий) — природна модифікація з атомними кристалічними ґратками, найтвердіший серед інших речовин. Це безбарвні прозорі кристали, які не змочуються водою. Дуже тугоплавкий, з температурою плавлення 4000 °С. Не проводить електричного струму, але добре проводить тепло. Якщо діяти на алмаз рентгенівським чи ультрафіолетовим промінням, то він світиться блакитним або жовтим світлом. Характерною властивістю алмазу є здатність добре заломлювати світло, розкладаючи його на цілий спектр кольорів. Завдяки цьому алмази застосовують у ювелірній справі. Алмази не розчиняються ні в кислотах, ні в інших сильних розчинниках.

Графіт (від грецьк. grafo — пишу) — речовина сірого або чорного кольору, з металічним блиском, непрозора, жирна на дотик. Належить до тугоплавких сполук, з температурою плавлення 3800 °С. Порівнюючи з алмазом, графіт м'який, добре проводить електричний струм і теплоту.

Алмаз і графіт можуть взаємоперетворюватися. За нагрівання алмазу до температури понад 1000 °С без доступу повітря він перетворюється на графіт. За вищих температур (1200-1600 °С) і наявності каталізатора графіт перетворюється на алмаз. Цю властивість узято за основу виготовлення штучних алмазів.

З іншими алотропними модифікаціями Карбону ознайомимося за табл. 8.

Таблиця 8

Алотропні модифікації Карбону

Розалінд Елсі Франклін  (1920-1958) - британська вчена-біофізик і кристалограф. Створила підґрунтя для висунення гіпотези про структуру підвійної спіралі молекули ДНК, що у 1953 р. задекларували американські вчені Дж. Ватсон та Ф. Крік.

Керуючись бажанням зробити свій внесок у перемогу в Другій світовій війні, із серпня 1942 р. працювала в Британській дослідницькій асоціації з використання вугілля і вивчала його пористу структуру. Її робота сприяла зародженню ідеї про високоміцне углецеве, або графітове, волокно — штучне волокно, що складається з вуглецю і має графітову структуру, тобто атоми Карбону розташовані в тонкі довгі графітові волокна. Ця ідея була основою її докторської дисертації «Фізична хімія твердих органічних колоїдів на прикладі вугілля та пов'язаних з ним матеріалів».

ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

• 1. Поясніть суть явища алотропії на прикладах.
• 2. Охарактеризуйте алотропні модифікації: а) оксигену; б) Сульфур; в) фосфору; г) Карбону.
• 3. Складіть рівняння реакцій: а) сірки з магнієм, алюмінієм, водородом, кислородом; б) кислорода з міддю, водородом; в) фосфору з кислородом, сіркою, кальцієм; г) вуглецю з водородом, кислородом, ферум(ІІ) оксидом, хром(ІІІ) оксидом. Розгляньте реакції як окисно-відновні.
• 4. Позначте прості речовини, що є алотропними модифікаціями одного елемента.

А  сірка, сульфур(IV) оксид

Б  бор, бор оксид

В  алмаз, фулерен

Г  карбон, карбон(IV) оксид

• 5. Вкажіть модифікацію Карбону, твердішу за сталь.

А  фулерен

Б  алмаз

У  графен

Г  графіт

• 6. Вкажіть просте речовину, що світиться у темряві.

А  пластична сірка

Б  червоний фосфор

В  алмаз

Г  білий фосфор

• 7. Позначте окисник і відновник у реакції, що відбувається за схемою:

ZnO + C → Zn + CO 2 ↑.

А  відновник С +2

Б  окислювач Zn 0

В  окисник Zn +2

Г  відновник С 0

• 8. Під час згоряння вуглецю в атмосфері кислорода утворився карбон(IV) оксид об'ємом 112 л (н. у.). Обчисліть масу вуглецю й прореагували об'єм кислорода.
• 9. У лабораторії провели експеримент на відновні властивості водороду. Через порошок купрум(ІІ) оксиду масою 1,6 г пропустили водород у надлишку. Обчисліть обсяг водороду (н. у.), що витратився, і масу та кількість речовини міді, що утворилася.
• 10. Цинк оксид масою 32,4 г повністю відновили вуглецем. Обчисліть масу цинку та об'єм карбон(IV) оксиду (н. у.), що утворилися. Якому кількості речовини відповідає такий обсяг?