Плотность углерода
Плотность углерода и другие его физические свойства
Углерод существует в природе в свободном состоянии в виде двух аллотропных видоизменений – алмаза, кристаллизующегося в кубической и гексагональной (лонсдейлит) системе, и графита, принадлежащего к гексагональной системе.
Алмаз – бесцветное, прозрачное вещество, чрезвычайно сильно преломляющее лучи света. Одна половина атомов углерода в алмазе располагается в вершинах и центрах граней одного куба, а другая – в вершинах и центрах граней другого куба, смещенного относительно первого в направлении его пространственной диагонали. Из всех простых веществ алмаз имеет максимальное число атомов, приходящихся на единицу объема.
Важнейшие характеристики углерода приведены в таблице ниже:
Таблица 1. Физические свойства и плотность углерода.
|
Характеристика |
Алмаз |
Графит |
|
Плотность, г/см3 |
3,47 – 3,55 |
2,09 – 2,23 |
|
Теплопроводность, Вт/(м×К) |
900 – 2300 |
100 – 354,7 |
|
Твердость |
10 |
1-2 |
|
Температура плавления, oС |
3700 – 4000 |
Около 4000 |
Графит представляет собой темно-серые кристаллы со слабым металлическим блеском. Он имеет слоистую решетку – плоская сетка, составленная из правильных шестиугольников, в вершинах которых находятся ядра атомов углерода.
Такие формы углерода, как древесный уголь, кокс или сажа имеют неупорядоченную структуру. Также есть аллотропные модификации, полученные синтетическим путем – это карбин и поликумулен – разновидности углерода, построенные из линейных цепных полимеров типа -C = C- или = C = C =.
Известны также аллотропные модификации углерода, имеющие следующие названия: графен, фуллерен, нанотрубки, нановолокна, астрален, стеклоуглерож, колоссальные нанотрубки; аморфный углерод, углеродные нанопочки и углеродная нанопена.
Распространенность углерода в природе
Углерод не принадлежит к самым распространенных элементам в природе – из общего числа атомов земной коры на его долю приходится лишь 0,14% (масс.). Тем не менее значение углерода исключительно велико, так как его соединения являются основой всех живых организмов.
Формы нахождения углерода в природе многообразны. Кроме тканей живых организмов и продуктов их разрушения (каменный уголь, нефть и т.д.), он входит в состав многих минералов, имеющих большей своей частью формулу MeCO3, где Ме – двухвалентный металл. Наиболее распространенным из таких минералов является кальцит (CaCO3), образующий иногда громадные скопления на отдельных участках земной поверхности. Атмосфера содержит углерод в виде углекислого газа (CO2), который в растворенном состоянии также находится во всех природных водах.
Краткое описание химических свойств и плотность углерода
В обычных условиях углерод весьма инертен. Напротив, при достаточно высоких температурах он становится химически активным по отношению к большинству металлов и многим металлоидам. «Аморфный» углерод значительно более реакционноспособен, чем обе основные формы этого элемента (алмаз и графит).
При нагревании «аморфного» углерода на воздухе он энергично взаимодействует с кислородом, причем по реакции
C + O2 = CO2 + 94 ккал
Образуется двуокись углерода (углекислый газ). Алмаз и графит сгорают лишь в чистом кислороде и при достаточно высоких температурах (100-800oС).
Примеры решения задач
| Задание | Рассчитайте относительные плотности по водороду, кислороду и воздуху газа этилена C2H4. |
| Решение | Для того, чтобы вычислить относительную плотность одного газа по другому, надо относительную молекулярную массу первого газа разделить на относительную молекулярную массу второго газа.
DO2(C2H4) = Mr(C2H4) / Mr(O2); DO2(C2H4) = 28 / 32 = 0,875. Mr(C2H4) = 2 ×Ar(C) + 4 ×Ar(H) = 2 × 12 + 4 × 1 = 24 + 4 = 28. Mr(O2) = 2 ×Ar(O) = 2 × 16 = 32. DH2(C2H4) = Mr(C2H4) / Mr(H2); DH2(C2H4) = 28 / 2 = 14. Mr(H2) = 2 ×Ar(H) = 2 × 1 = 2. |
| Ответ | Относительные плотности этилена по кислороду и водороду равны 0,875 и 14 соответственно. |
| Задание | Определите относительную плотность по воздуху газа ацетилена C2H2. |
| Решение | Для того, чтобы вычислить относительную плотность одного газа по другому, надо относительную молекулярную массу первого газа разделить на относительную молекулярную массу второго газа.
Относительную молекулярную массу воздуха принимают равной 29 (с учетом содержания в воздухе азота, кислорода и других газов). Следует отметить, что понятие «относительная молекулярная масса воздуха» употребляется условно, так как воздух – это смесь газов. Dair(C2H2) = Mr(C2H2) / Mr(air); Dair(C2H2) = 26 / 29 = 0,8965. Mr(C2H2) = 2 ×Ar(C) + 2 ×Ar(H) = 2 × 12 + 2 × 1 = 24 + 2 = 26. |
| Ответ | Относительная плотность по воздуху газа ацетилена равна 0,8965. |
