Аллотропия химических элементов
В 1840 году Кристиан Шёнбейн, немецкий химик, работавший в Базеле, исследовал резкий запах, который появлялся при электролизе воды и около работающих электрических машин. Он понял, что запах даёт новое вещество, открыл озон и назвал его от греческого слова «пахнущий».
Список модификаций одного элемента пополнялся и через полтора века. В 1985 году Роберт Кёрл, Гарольд Крото и Ричард Смолли открыли фуллерен C60, молекулу в форме мяча из 60 атомов углерода, и в 1996 году получили за это Нобелевскую премию по химии. В 2004 году Андрей Гейм и Константин Новосёлов получили графен — слой углерода толщиной в один атом, а в 2010 году им дали Нобелевскую премию по физике.
Аллотропия — несколько простых веществ из одного элемента
Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, аллотропных модификаций. Причин две. Различается число атомов в молекуле, как у кислорода O2 и озона O3, или строение кристалла, как у алмаза и графита.
С изотопией это путать нельзя. Изотопы различаются числом нейтронов в ядре атома, а аллотропные модификации собраны из одинаковых атомов, только по-разному.
Озон отличается от кислорода одним атомом в молекуле
Кислород O2 не имеет запаха. Озон O3 пахнет резко, у него голубоватый цвет, и он ядовит. Образуется он из кислорода в электрическом разряде или под ультрафиолетом: 3O2 → 2O3. Степень окисления в обоих веществах ноль, поэтому эта реакция химическая, но не окислительно-восстановительная.
Озон — гораздо более сильный окислитель. Он выделяет иод из раствора иодида калия: O3 + 2KI + H2O → I2 + 2KOH + O2. Обычный кислород в таких условиях почти не реагирует.
Наибольшая концентрация озона в атмосфере — на высоте 20–25 км. Этот озоновый слой поглощает большую часть жёсткого ультрафиолета Солнца, и без него жизнь на суше была бы под угрозой.
Живой урок по этой теме
Химию 11 класса в онлайн-школе «Моя школа LS» проходят на живых уроках в малой группе: учитель связывает строение веществ с задачами, которые встретятся на контрольной и в ЕГЭ.
Углерод даёт больше всего модификаций
В алмазе каждый атом углерода в состоянии sp3 связан с четырьмя соседями, и получается жёсткий трёхмерный каркас. Это самое твёрдое природное вещество. Ток алмаз не проводит.
Графит устроен слоями. Атомы в состоянии sp2 образуют плоские шестиугольные сетки, слои связаны слабо и легко скользят друг по другу, поэтому графит мягкий и оставляет след на бумаге, а подвижные электроны внутри слоёв делают его проводником тока.
Алмаз, графит, карбин, фуллерены C60 и графен — всё это чистый углерод. При сгорании любой из модификаций получается один и тот же углекислый газ CO2, и это лучший довод в пользу того, что разница только в строении.
Модификации переходят друг в друга. При очень высоком давлении и сильном нагревании графит превращается в алмаз, и так получают искусственные алмазы для буровых коронок и шлифовальных кругов.
Задача 1. Сожгли 2,4 г алмаза и 2,4 г графита. Вычисли объёмы углекислого газа (н. у.) в каждом случае и сравни их.
Обе модификации горят одинаково: C + O2 → CO2.
n(C) = 2,4 / 12 = 0,2 моль в каждом образце.
Углекислого газа столько же, 0,2 моль, V = 0,2 · 22,4 = 4,48 л.
Ответ: в обоих случаях 4,48 л CO2, потому что алмаз и графит состоят из одного и того же элемента.
Задача 2. Вычисли молярную массу фуллерена C60 и число молекул в 7,2 г этого вещества.
M(C60) = 60 · 12 = 720 г/моль.
n = 7,2 / 720 = 0,01 моль.
N = n · NA: 0,01 моль умножаем на 6,02 · 1023 моль−1 и получаем 6,02 · 1021 молекул.
Ответ: 720 г/моль, 6,02 · 1021 молекул.
Фосфор и сера тоже существуют в нескольких формах
Белый фосфор P4 светится в темноте и ядовит. На воздухе он может самовоспламеняться, поэтому его хранят под слоем воды. Красный фосфор не светится и гораздо менее ядовит, его наносят на боковые стороны спичечного коробка.
У серы три модификации. Устойчивая при комнатной температуре сера — ромбическая, из циклических молекул S8. При нагревании она переходит в моноклинную. Если серу нагреть почти до кипения и вылить тонкой струйкой в холодную воду, получится тягучая пластическая сера, которая со временем снова становится ромбической.
Бывает аллотропия и у металлов. Белое олово, привычный блестящий металл, на сильном морозе медленно рассыпается в серый порошок другой модификации, серого олова. Это явление прозвали «оловянной чумой»: серые пятна расползаются по изделию, как болезнь, и переходят на соседние оловянные предметы при соприкосновении.
Задача 3. Через озонатор пропустили 9 л кислорода, из них 3 л превратились в озон. Вычисли объёмную долю озона в полученной смеси. Объёмы измерены при одинаковых условиях.
По уравнению 3O2 → 2O3 из 3 объёмов кислорода получается 2 объёма озона, то есть 2 л O3.
Кислорода осталось 9 − 3 = 6 л.
Объём смеси 6 + 2 = 8 л.
Объёмная доля озона 2 / 8 = 0,25, то есть 25 %.
Ответ: 25 %.
Ошибки в теме аллотропии касаются слов
❌ Озон считают сложным веществом, раз формула не O2 → ✅ O3 состоит из атомов одного элемента, это простое вещество.
❌ Переход кислорода в озон называют ОВР → ✅ степени окисления не меняются, у обоих ноль.
❌ Графит относят к металлам, потому что он проводит ток → ✅ углерод остаётся неметаллом в любой модификации.
❌ Аллотропию путают с изотопией → ✅ изотопы различаются ядрами, модификации строением вещества.
Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ. Кислород образует O2 и озон O3, углерод даёт алмаз, графит, фуллерены и графен. Модификации различаются числом атомов в молекуле или строением кристалла.
В одной молекуле O3 три атома, значит, атомов кислорода 0,5 · 3 = 1,5 моль. Умножаем на постоянную Авогадро: 1,5 · 6,02 = 9,03, то есть 9,03 · 1023 атомов.
Изотопы — разновидности атомов одного элемента с разным числом нейтронов в ядре. Аллотропные модификации — разные простые вещества, собранные из одних и тех же атомов. Изотопия касается ядра, аллотропия касается строения вещества.
Оцените урок:
