Аллотропные модификации – формы, причины видоизменения

Аллотропные модификации – определение, характеристика и примеры

Общее понятие

Аллотропия проявляется, благодаря разному составу микрочастиц простой материи и координируется вариантом размещения молекул и атомов в кристаллической решетке. Вещество кристаллизуется в нескольких модификациях, при этом два параметра простой ячейки совпадают. Изменение состояния происходит из-за отличия третьего показателя, который учитывает расстояние между сопредельными слоями.

Явление часто обнаруживается в структурах, которые равнозначны гексагональному и кубическому расположению атомов. Соседняя атомная среда представляет эквивалентное окружение, а различия проявляются на удаленных сферах. Энергетические характеристики решеток приблизительно равны, поэтому физические свойства разных состояний одного элемента остаются похожими.

Первые примеры аллотропных модификаций показал шведский минералог и химик Берцелиус середине XIX века для выделения различных форм нахождения элемента. Через 2 десятка лет была принята гипотеза итальянского химика А. Авогадро о многоатомных молекулах и стало видно, что от строения частиц зависит проявление элемента в материи. Например, О3 — озон, а О2 — кислород.

В 1912 году ученые определили, что различия в структуре простых элементов, например, фосфора или углерода, относятся к первопричинам существования двух и более состояний. В настоящее время аллотропией называется видоизменение простых материй, независимо от агрегатного вида. Изменения в твердых состояниях сложных и простых веществ имеет название полиморфизма. Два определения совпадают, если речь идет о простых материалах в твердом виде (железо, сера в кристаллах, фосфор).

Реорганизация веществ

Продолжаются открытия видов простых материалов, способных к аллотропии, несмотря на то, что список образовательных веществ уже превышает 400 материалов. Типы химических связей в элементарных частицах зависят от строения атома, вместе эти характеристики определяют возможность вещества образовывать разные аллотропные формы.

Компоненты, которые могут изменять показатель координационного числа и стадии окисления, образовывают большее количество аллотропных состояний. Важным фактором разнообразия форм является способность элемента к образованию гомоцепных решеток (состоящих из однотипных атомов).

Преобразование простых элементов

Более выраженными являются аллотропные модификации неметаллов, но среди веществ этой группы имеются исключения, например, благородные газы и галогены. Некоторые состояния отличаются температурной стабильностью, другие характеризуются фазовой динамикой. Такие различия объясняются затратами некоторой энергии при изменении кристаллической решетки в результате плавления.

Примеры реорганизации неметаллов:

  1. Водород. Может быть в форме пара- и ортоводорода на молекулярном уровне. В первой макромолекуле отмечаются антипараллельные импульсные моменты электронов, а в частицах второго типа проявляются параллельные ядерные спины.
  2. Углерод. Элемент встречается в виде графена, алмаза, нанотрубок, графита, лонсдейлита и др. Точное количество состояний не поддается учету из-за того, что существует большое многообразие связей атомов друг с другом. Нанотрубки и фуллерены относятся к наиболее многочисленным структурам.
  3. Фосфор. Вещество насчитывает 11 видов аллотропных форм. Черный, белый и красный фосфор относятся к основным модификациям. Первый вид включается в группу инертных и токопроводящих материалов. Белый фосфор отсвечивает в темноте, ядовит и способен к самостоятельному возгоранию. Красный вид не опасен для человека, не воспламеняется и не светится в сумраке.
  4. Кислород. В природе бывает в виде озона с ярко выраженным запахом слабо фиолетового цвета или в форме кислорода, который не пахнет и без видимого колера.
  5. Селен. Представлен в двух видах. Первый — черный селен, второй — серый полимер.
  6. Сера. По количеству аллотропных состояний находится на 2 месте после углерода. Распространенными видами является моноклинная, пластическая и ромбическая сера.

Разные состояния одного компонента обозначаются строчными литерами греческой латиницы для написания в формулах. Низкотемпературные формы отмечаются буквой α, следующие состояния по показателям обозначаются β и дальше по такому принципу.

Модификации полупроводников

К этой группе относятся элементы, располагающиеся в таблице на переходе от металлов к неметаллам. У материалов присутствует кристаллическая ковалентная решетка, чаще они характеризуются проводимостью по типу металлов. Иногда материалы работают как полупроводники.

Читайте также:
Хлорид аммония - формула, свойства, получение и применение

Примеры трансформации неметаллов:

  1. Бор. Существует в природе в кристаллической и аморфной форме, первый тип имеет черный, а второй — бурый колер. Наука знает о более 10 аллотропных состояний бора, которые встречаются в тетрагональном и ромбическом соединении. В некоторых модификациях имеется несколько открытых слоев, образующих бесконечное строение.
  2. Кремний. Свойства кристаллической формы обусловлены алмазоподобной атомной решеткой, выделяется моно- и поликристаллический кремний. В природе встречается в виде песка, кварцита, полевого шпата, силикатов.
  3. Мышьяк. Распространены 3 основные аллотропные формы. Серый полимер относится к классу полуметаллов, желтый мышьяк входит в группу неметаллов, черный вид по структуре напоминает красный фосфор.
  4. Германий. Существует в форме полуметалла с кристаллической решеткой по типу алмаза и в фазе металла с токопроводящими качествами.
  5. Сурьма. Известно 4 модификации материала в форме металлов, из которых наиболее стабильной является серебристо-белое вещество с голубым оттенком. Аморфные аллотропии существуют в виде желтой, взрывчатой и черной сурьмы.
  6. Полоний. Находится в 2 металлических разновидностях. Низкотемпературная форма отличается кубическим строением решетки, высокотемпературный вид имеет ромбическую структуру.

К особенностям относится слабое сочетание зоны проводимости и валентной области. Это обеспечивает электропроводность до того времени, пока температура не снизится до 0ºС. Нагревание способствует увеличению электронных дырок (обладателей тока), но видоизменение идет слабо. Положительные квазичастицы в полуметаллах активно двигаются при малой полезной массе. По этой причине материалы больше других веществ подходят для изготовления фазовых переходов в магнитных полях большой силы, наблюдения квантовых и классических размерных эффектов.

Особенности видоизменения металлов

Металлы образовывают различные состояния при увеличении давления или в случае технологической обработки. Аллотропной модификацией металлов называется возможность материала в твердой форме образовывать различные виды кристаллических решеток. Процесс перехода от одной структуры к другой рассматривается в виде превращения.

Обследование структуры производится способом микроанализа, делается ультразвуковая, магнитная и рентгеновская дефектоскопия.

Микроанализ проводится на основе снятия микрошлифов, которые перед исследованием полируются до блеска. Вывод о структуре делается после рассмотрения срезов под микроскопом после травления. Шлифы показывают границы зерен из-за неодинаковой обработки основного слоя и рельефных выступов. Анализ выявляет форму и размеры частиц, инородные включения.

Рентген дает понятие об атомном строении материала, типе кристаллической структуры, дефектах решеток. Для исследования используется свойство рядов отражать гамма-лучи. При магнитном способе поверхность металла намагничивается и покрывается железным порошком. После размагничивания слой показывает очертания решетки.

Ультразвук применяется для эффективного обнаружения качественного преобразования металла в требуемую аллотропную модификацию. Волновое излучение распространяется внутрь и отражается от элементов решетки.

Примеры аллотропии

При нагревании металлов в процессе превращения поглощается тепло, при этом изменение решеточной конструкции происходит при одной и той же температуре. Аллотропным модификациям подвергаются многие металлы, например, титан, железо, олово и др. Железо при нагревании до +1390ºС характеризуется гранецентрированной решеткой. Повышение температуры до +1540ºС ведет к перестройке до центрировано-кубической структуры.

Аллотропные модификации металлов:

  1. Олово. Изучено 3 состояния металла. Серое олово относится к полупроводникам, находится в виде мелких кристаллов порошка, свойства вещества основываются на алмазоподобном строении решетки. Пластичное белое олово отличается серебристым цветом и имеет устойчивое состояние при температуре до +161ºС. Гамма-олово с ромбической структурой — плотное и хрупкое вещество, существует при нагревании до +232ºС.
  2. Железо. Имеет 4 кристаллические реформации. Феррит отличается объемно-кубической решеткой и не превращается до +768ºС. Второе состояние отличается размерами решетки и температурой плавления (до +917ºС). Третья и четвертая модификации существуют при температуре до +1394 и свыше этого показателя, соответственно.
  3. Лантаноиды. К ним относится диспрозий, самарий, иттербий и церий. Каждый элемент насчитывает по 2−3 аллотропных формы.
  4. Актиноиды: Плутоний может преобразовываться в разный модификации 7 раз, а нептуний, уран, берклий, прометий способны изменять форму по 3 раза. Легкие актиноиды отличаются объемноцентрированной структурой, а тяжелые имеют гранецентрированную решетку.

Определенные свойства твердых элементов зависят не только от строения решетки и дефектов, но и от структуры микрочастиц, их состава, размера и формы. Конструкция кристаллов оказывает влияние на физические характеристики тела и предопределяет пределы деформационной пластики, твердость материала.

Обратимые и непоправимые переходы

В случае изменения температурных показателей и параметров давления твердые материалы переходят из одной структуры в другую без перемены количественного состава элементов. Предпосылками является подвижность частиц решетки и перенос некоторого количества вещества, вызванный дефектами строения твердого состояния.

Читайте также:
Оксид азота - формула, свойства, получение и применение, влияние

Примеры переходов:

  • энантиотропные преобразования (обратимые);
  • монотропные видоизменения (необратимые).

Проводят разработанную методику трехфазной реакции для направленного получения требуемой решеточной структуры. Выбор нагревательного режима и продолжительность повышения температуры ускоряет рост кристаллов до больших зерен, что улучшает качество. Изменение способа обработки направляется иногда на снижение активности катализаторов в результате процесса рекристаллизации.

Энантиотропное видоизменение возникает при нулевой температуре и выбранном давлении. Иногда аллотропное преобразование относится к необратимым и одно из состояний материала является неустойчивым в термическом плане. Эта фаза сохраняется на всем температурном интервале от абсолютного нуля и называется монотропным. При получении серого олова из белого происходит обратимое преобразование, а превращение алмаза в графит становится необратимым.

Отличие этих типов превращений — в технологических особенностях проведения. Энантиотропные переходы модификации А чаще получаются методом постепенного охлаждения сплава. Сначала масса кристаллизуется в виде состояния Б, которое затем видоизменяется в устойчивую фазу к низким температурам.

При монотропном переходе в случае охлаждения сплава образуется только вещество в состоянии А. Требуется особый технологический режим со строгим дозированием понижения температуры и давления для получения модификации Б. Примером служит получение стабильного черного фосфора из белого путем нагревания до + 200ºС и повышения давления до 1,25 ГПа. После помещения полученного образца в нормальные условия обратного преобразования не происходит.

Аллотропия – это. Понятие, причины и примеры аллотропии

Химия изучает свойства и строение простых веществ. В большинстве своем они остаются неизменными в любых ситуациях. Однако есть ряд элементов, способных менять свои свойства в различных своих состояниях. Такое явление называется аллотропией. Знание о поведении элементов, подверженных аллотропии, расширяет понимание устройства мира и поведения в нем веществ и элементов.

Определение

Аллотропия – это возможность элемента трансформироваться в другой. В некоторых случаях даже в два или три. Если переводить название термина с греческого языка, то аллотропия – это “другое свойство”. То есть буквальный перевод раскрывает сущность явления.

Виды аллотропии

Аллотропия, свойственная некоторым веществам, условно делится на два вида – по составу и по строению. В первом случае различно число атомов в молекуле. Во втором – строение кристаллической решетки.

В химии аллотропия – это изменение вещества независимо от того, жидкое оно, твердое или газообразное. Единственное отступление от терминологии появляется в работе с твердыми веществами, их строение сложнее, для их трансформации используется слово “полиморфизм”, в переводе с греческого означающее “многообразный”.

Каким веществам свойственна аллотропия

Не все вещества способны преобразоваться из сложных в простые даже под действием температур или других воздействий. Это может происходить только с теми из них, у которых есть способность к образованию гомоцепных структур или хорошо окисляющихся. Именно поэтому аллотропия веществ свойственна неметаллам. Хотя справедливости ради следует сказать, что есть металлы, способные преобразовываться в простые элементы, но это, скорее, полуметаллы.

Читайте также:
Неметаллы - определение, особенности строения, свойства, получение

Примеры аллотропии

Для понимания процесса существует ряд примеров преобразования вещества, причем оно бывает обратимым и необратимым. То есть вещество может после воздействия на него температуры или давления вернуться к первоначальному состоянию. Но бывает так, что оно остается в видоизмененном состоянии. Например, ромбическая сера – при нагревании ее до температуры 95,5 градуса по Цельсию она преобразуется в моноклинную форму. При снижении температуры до 95,5 градуса наступает обратное преобразование – из моноклинной формы в ромбическую.

Другой пример аллотропии – это изменение белого фосфора в черный. В данном случае для проведения преобразования требуется температура в 200 градусов по Цельсию и давление в 1,25 г Па. При воздействии тех же температур и давления на преобразованный черный фосфор он не сможет вернуться к первоначальному состоянию.

Как уже упоминалось, явление аллотропии свойственно и некоторым металлам. Но из-за сложности их структуры переходы из одного в другое состояние могут чередоваться. Например, в нормальных условиях белое олово является пластичным металлом, но при нагревании его при температуре 173 градуса по Цельсию оно перестраивает свою кристаллическую решетку до очень хрупкого состояния, а при снижении температуры до 13 градусов кристаллическая решетка принимает вид кубической алмазоподобной и делает вещество порошкообразным.

Модификации неметаллов

Самыми яркими и многообразными физическими свойствами аллотропии обладает углерод. Он способен перерождаться в самое большое количество аллотропных форм, причем с различными не только свойствами, но и строением кристаллической решетки. Взять, например, графит и алмаз. Формы одного вещества, но с разными строениями кристаллических решеток – графит чуть плотнее порошка, а алмаз – самое крепкое вещество на земле. И это уже не говоря об углеродных нанотрубках, лонсдейлите, фуллерене, карбине и других формах углерода.

Аллотропия характерна для серы. В нормальных условиях структура вещества моноклинная, а под воздействием температур может преобразоваться в пластическую и следом за этим в ромбовидную.

Фосфор способен изменяться в 11 форм. Причем 3 из них – белый, черный, красный – даже встречаются в природе, остальные можно получить искусственным путем. Отличается одна форма вещества от другой количеством атомов в молекуле. Различными цветами в химии представлен селен. Он также бывает серный, черный и красный.

Очень известная аллотропия – это кислород. Он видоизменяется до озона под действием температуры или электрического тока. Известный пример природного воздействия – молния. Во время разряда электрического поля кислород превращается в озон.

Модификации полуметаллов

Бор – это полуметалл, встречающийся в природе в аморфной и кристаллической форме. Но у него есть еще 10 известных науке форм.

Аморфным и кристаллическим бывает кремний. Сурьма в четырех формах по своей структуре представляется металлом, и в трех она аморфная, аллотропная.

Как и в случае с фосфором или селеном, мышьяк бывает серый или черный, в зависимости от формы – полимер или неметаллическая структура.

Модификации металлов

Самым широким спектром форм среди металлов обладает железо. В первом виде феррита, с характерной объемно-центрированной кубической кристаллической решеткой, железо способно существовать в температурных пределах от 0 до 769 градусов по Цельсию. Имеет свойства ферромагнетиков.

Второй тип феррита существует при температурах в диапазоне 769-917 градусов по Цельсию. Отличается объемно-центрированной кубической кристаллической решеткой. Магнетические свойства проявляет как парамагнетик.

Третий тип железа называется аустенит, характерен гранецентрированной кубической кристаллической решеткой. Способен существовать только при температурах от 917 до 1394 градусов по Цельсию. Магнитных свойств не имеет.

Читайте также:
Фосфор - валентность, степень окисления, характеристика и строение

Четвертый тип железа возникает при температурах свыше 1397 градусов по Цельсию. Магнитных свойств не имеет, характерен объемно-центрированной кубической кристаллической решеткой.

Другой металл, имеющий несколько типов преобразования, – это олово. В аллотропной форме может существовать в виде порошка с кристаллической решеткой, подобной алмазной. Это так называемое серое олово. Есть и более привычная форма металла – белое олово. Оно встречается в виде пластичного метала серебряного цвета. Третья форма характерна тугоплавкостью, так как обладает ромбической кристаллической решеткой, называется она гамма-оловом.

Заключение

Все металлы, полуметаллы и неметаллы различных аллотропных типов с характерным строением кристаллических решеток, массой, количеством и зарядом протонов и нейтронов могут встречаться в природе в чистом, натуральном виде или получаются только в лаборатории. В обычных условиях они не сохраняют своей стабильности. Все это говорит о многообразии химических элементов и перспективах открытий новых доселе неизвестных науке форм и типов веществ. Такие исследования ведут к развитию всех отраслей жизнедеятельности человека.

Аллотропия и аллотропные
видоизменения веществ

Тип урока. Изучение нового материала и обобщение полученных знаний.

Цели. Повторить особенности строения атомов металлов и неметаллов; металлическую и ковалентную неполярную связь; положение металлов и неметаллов в периодической системе; на примере конкретных простых веществ изучить и закрепить понятие аллотропии.

Задачи. Закрепить у учащихся представление о простом веществе; развивать дальнейший интерес к изучаемому предмету; включить элементы опережающего обучения как базу для более легкого последующего усвоения знаний о строении и свойствах аллотропных модификаций.

1. Повторение основных признаков простого вещества на примере металлов и неметаллов.

2. Разъяснение представления о разновидностях одного и того же простого вещества, т.е. о понятии аллотропии и аллотропных видоизменениях.

3. Составление опорного конспекта (обобщающей схемы) и закрепление изученного материала.

4. Домашнее задание.

5. Заключительное слово учителя. Оценка работы учащихся за урок.

Повторение (фронтальная беседа)

1) Вспомните, почему металлы легко отдают электроны и превращаются в положительно заряженные ионы?

2) Почему неметаллы легко принимают электроны и превращаются в отрицательно заряженные ионы?

3) Какие вещества называют простыми, а какие сложными?

4) Какие виды химической связи характерны для металлов и неметаллов? Приведите примеры.

Проверка домашнего задания. Учащиеся работают с тетрадью у доски – два человека рассчитывают молекулярную массу для: а) Cl2 и Fе; б) F2 и Al; называют тип химической связи, характерной для данных простых веществ.

Новый материал: разъяснение понятия «аллотропия»

Учитель. Простых веществ существует больше, чем химических элементов, т.к. для некоторых элементов характерно явление аллотропии.

Что же такое аллотропия? Так называют явление образования одним и тем же химическим элементом двух или более простых веществ. А каждое из этих простых веществ называют аллотропным видоизменением, или модификацией.

Аллотропия более характерна для неметаллов, однако это явление встречается и среди металлов. Давайте более подробно остановимся на характеристиках некоторых аллотропных модификаций.

Учитель за 3–4 недели до урока помещает кусочек чистого олова в морозильную камеру.

За 2–3 дня до проведения урока в морозильную камеру помещается второй кусочек олова (эти пробы не должны касаться друг друга).

На уроке учитель демонстрирует вначале первую пробу олова: она покрыта серым, сыпучим, сшелушивающимся веществом – это серое олово. Затем демонстрирует второй образец: блестящий – белое олово. Но стоит этим двум образцам коснуться друг друга, как на втором образце появляются серые пятна.

Учитель. Это явление называют «оловянной чумой». Оно было одной из причин гибели экспедиции Р.Скотта к Южному полюсу, который потерял на оставленных им для возвращения базах все горючее, т. к. оно хранилось в банках, запаянных оловом (схема 1) (см. с. 48).

Читайте также:
Оксид углерода структурная формула и степени окисления, влияние

Аллотропия наблюдается у кислорода, углерода, серы, фосфора и ряда других элементов. Ребята, давайте вспомним химическую формулу кислорода, которым мы дышим (записывает ее на доске). Знаете ли вы, что элемент кислород образует еще одно простое газообразное вещество – озон, химическая формула которого O3?

В чем разница между этими веществами и будут ли они отличаться по свойствам друг от друга (схема 2)?

Составление опорного конспекта

Ученик. Состав этих веществ различен, поэтому по свойствам они должны отличаться.

Учитель. Попробуйте проанализировать понятие «аллотропия» и сделайте вывод.

Ученик. Способность атомов одного химического элемента образовывать несколько простых веществ называется аллотропией, а эти простые вещества – аллотропными видоизменениями, или модификациями.

Учитель. Давайте рассмотрим вопрос относительности деления простых веществ на металлы и неметаллы. Например, белое олово – типичный металл, а серое олово по свойствам ближе к неметаллам.

Раз возможен переход одного простого вещества в другое простое вещество, причем оба имеют в своей основе атомы одного и того же элемента, то делаем вывод, что деление на металлы и неметаллы относительно.

Домашнее задание. Параграфы 13, 14 (аллотропия) по учебнику О.С.Габриеляна «Химия. 8 класс»; выполнить задания из рабочей тетради по химии (с. 36–41).

Учитель подводит итог урока: объявляет оценки, отмечает активных на уроке, акцентирует внимание учащихся, что на следующем уроке будет проведена самостоятельная работа по теме «Простые вещества».

Аллотропия и аллотропные
видоизменения веществ

Тип урока. Изучение нового материала и обобщение полученных знаний.

Цели. Повторить особенности строения атомов металлов и неметаллов; металлическую и ковалентную неполярную связь; положение металлов и неметаллов в периодической системе; на примере конкретных простых веществ изучить и закрепить понятие аллотропии.

Задачи. Закрепить у учащихся представление о простом веществе; развивать дальнейший интерес к изучаемому предмету; включить элементы опережающего обучения как базу для более легкого последующего усвоения знаний о строении и свойствах аллотропных модификаций.

1. Повторение основных признаков простого вещества на примере металлов и неметаллов.

2. Разъяснение представления о разновидностях одного и того же простого вещества, т.е. о понятии аллотропии и аллотропных видоизменениях.

3. Составление опорного конспекта (обобщающей схемы) и закрепление изученного материала.

4. Домашнее задание.

5. Заключительное слово учителя. Оценка работы учащихся за урок.

Повторение (фронтальная беседа)

1) Вспомните, почему металлы легко отдают электроны и превращаются в положительно заряженные ионы?

2) Почему неметаллы легко принимают электроны и превращаются в отрицательно заряженные ионы?

3) Какие вещества называют простыми, а какие сложными?

4) Какие виды химической связи характерны для металлов и неметаллов? Приведите примеры.

Проверка домашнего задания. Учащиеся работают с тетрадью у доски – два человека рассчитывают молекулярную массу для: а) Cl2 и Fе; б) F2 и Al; называют тип химической связи, характерной для данных простых веществ.

Новый материал: разъяснение понятия «аллотропия»

Учитель. Простых веществ существует больше, чем химических элементов, т.к. для некоторых элементов характерно явление аллотропии.

Что же такое аллотропия? Так называют явление образования одним и тем же химическим элементом двух или более простых веществ. А каждое из этих простых веществ называют аллотропным видоизменением, или модификацией.

Аллотропия более характерна для неметаллов, однако это явление встречается и среди металлов. Давайте более подробно остановимся на характеристиках некоторых аллотропных модификаций.

Учитель за 3–4 недели до урока помещает кусочек чистого олова в морозильную камеру.

Читайте также:
Соединения железа - свойства, валентность железа в реакциях

За 2–3 дня до проведения урока в морозильную камеру помещается второй кусочек олова (эти пробы не должны касаться друг друга).

На уроке учитель демонстрирует вначале первую пробу олова: она покрыта серым, сыпучим, сшелушивающимся веществом – это серое олово. Затем демонстрирует второй образец: блестящий – белое олово. Но стоит этим двум образцам коснуться друг друга, как на втором образце появляются серые пятна.

Учитель. Это явление называют «оловянной чумой». Оно было одной из причин гибели экспедиции Р.Скотта к Южному полюсу, который потерял на оставленных им для возвращения базах все горючее, т. к. оно хранилось в банках, запаянных оловом (схема 1) (см. с. 48).

Аллотропия наблюдается у кислорода, углерода, серы, фосфора и ряда других элементов. Ребята, давайте вспомним химическую формулу кислорода, которым мы дышим (записывает ее на доске). Знаете ли вы, что элемент кислород образует еще одно простое газообразное вещество – озон, химическая формула которого O3?

В чем разница между этими веществами и будут ли они отличаться по свойствам друг от друга (схема 2)?

Составление опорного конспекта

Ученик. Состав этих веществ различен, поэтому по свойствам они должны отличаться.

Учитель. Попробуйте проанализировать понятие «аллотропия» и сделайте вывод.

Ученик. Способность атомов одного химического элемента образовывать несколько простых веществ называется аллотропией, а эти простые вещества – аллотропными видоизменениями, или модификациями.

Учитель. Давайте рассмотрим вопрос относительности деления простых веществ на металлы и неметаллы. Например, белое олово – типичный металл, а серое олово по свойствам ближе к неметаллам.

Раз возможен переход одного простого вещества в другое простое вещество, причем оба имеют в своей основе атомы одного и того же элемента, то делаем вывод, что деление на металлы и неметаллы относительно.

Домашнее задание. Параграфы 13, 14 (аллотропия) по учебнику О.С.Габриеляна «Химия. 8 класс»; выполнить задания из рабочей тетради по химии (с. 36–41).

Учитель подводит итог урока: объявляет оценки, отмечает активных на уроке, акцентирует внимание учащихся, что на следующем уроке будет проведена самостоятельная работа по теме «Простые вещества».

Аллотропные модификации химических элементов кислорода, серы. Фосфора, углерода. Их применение в медицине.

Элемент кислород образует две аллотропные модификации: кислород О2 и озон О3. (аллотропия – это способность атома одного элемента образовывать несколько простых веществ.). озон более сильный окислитель, чем кислород. Применяется для дезинфекции питьевой воды, при отбеливании тканей и минеральных масел. В атмосфере Земли озоновый слой (на высоте 25 – 30 км) защищает живой мир от космического УФ-излучения. Слой разрушается под воздействием оксидов азота.

Сера образует несколько аллотропных модификаций. Наиболее распространенной является ромбическая сера, состоящая из коронообразных восьмиатомных молекул и образующая ромбоэдральные кристаллы. Она представляет собой твёрдое вещество жёлтого цвета, нерастворимое в воде, в воде не смачиваемое (плавает на поверхности), что используется при её добыче. Ромбическая сера плохо проводит тепло и электричество. Нерастворима в воде, но растворяется в органических растворителях. Лучшим её растворителем является сероуглерод(CS2).

Также существуют ещё две аллотропные модификации серы: моноклинная и пластическая. Моноклинная представляет собой тёмно-жёлтые иглы, а пластическая-коричневую резиноподобную (аморфную) массу, которая образуется, если расплавленную серу вылить в холодную воду. Структура пластической серы представляет собой длинные полимерные цепи, длина которых зависит от условий получения вещества.

При комнатной (или близкой к комнатной) температуре эти модификации превращаются в ромбическую.

Свойства первых двух модификаций приведены в таблице:

модификация плотность (кг/м3) tплавл 0 С
ромбическая 2070 112,8
моноклинная 1960 119

Фосфор образует несколько аллотропных видоизменений – модификаций. Явление аллотропных модификаций у фосфора вызвано образованием различных кристаллических форм. Белый фосфор (Р4) имеет молекулярную кристаллическую решетку, красный и черный – атомную. Различие в строении кристаллической решетки обуславливает и различие в их физических и химических свойствах. Белый фосфор – сильный яд, даже в малых дозах действует смертельно. В твердом состоянии получается при быстром охлаждении паров фосфора. В чистом виде совершенно бесцветен, прозрачен, по внешнему виду похож на воск: на холоде хрупок, при температуре выше 15 °C – мягкий, легко режется ножом; в воде нерастворим, но хорошо растворяется в сероуглероде – СS2 и в органических растворителях; легко плавится, летуч. Прочность связи в молекуле невелика, чем обусловлена высокая химическая активность. Белый фосфор быстро окисляется на воздухе, при этом светится в темноте – превращение химической энергии в световую; самовоспламеняется на воздухе, при слабом нагревании, незначительном трении. С кислородом реагирует без поджигания, даже под водой, образуя сначала Р2О3, затем P2O5:

Читайте также:
Аминокислоты ⚗️ общая формула, строение, химические и физические свойства

При длительном нагревании белый фосфор превращается в красный. Белый фосфор применяется для изготовления боеприпасов артиллерийских снарядов, авиабомб, предназначенных для образования дымовых завес. Широкого применения не имеет.

Красный фосфор – порошок красно-бурого цвета, неядовит, нелетуч, нерастворим в воде и во многих органических растворителях и сероуглероде; не воспламеняется на воздухе и не светится в темноте. Только при нагревании до 260 °C воспламеняется. При сильном нагревании, без доступа воздуха, не плавясь (минуя жидкое состояние) испаряется – сублимируется. При охлаждении превращается в белый фосфор. Идет на изготовление спичек: красный фосфор в смеси с сульфидом сурьмы, железным суриком, с примесью кварца и клея наносят на поверхность спичечной коробки. Головка спичек состоит в основном из бертолетовой соли, молотого стекла, серы и клея. При трении головки о намазку коробки красный фосфор воспламеняется, поджигает состав головки, а от него загорается дерево. Также красный фосфор применяется в приготовлении фармацевтических препаратов.

Черный фосфор получается при сильном нагревании и при высоком давлении белого фосфора. Черный фосфор тяжелее других модификаций. Применяется очень редко – как полупроводник в составе фосфата галлия и индия в металлургии.

Углерод (лат. carboneuia) известен с глубокой древности. В земной коре его содержится примерно 0,35% по массе. В природе углерод встречается в свободном и связанном состоянии, главным образом в виде карбонатов (мел, известняк, мрамор), в каменных и бурых углях, торфе. Углерод входит в состав нефти, природного газа, воздуха, растений, организмов человека и животных. Его соединения составляют основу живой природы – флоры и фауны.
Атом углерода имеет 6 электронов, 2 на внутреннем слое (1s2), а 4 (2s22р2) – на внешнем. С наиболее активными металлами углерод проявляет степень окисления -4. Углерод способен соединяться между собой с образованием прочных длинных цепей.
В отличие от кислорода и азота углерод при обычных условиях не образует молекул, у него атомная кристаллическая решетка. Существуют четыре аллотропных модификации углерода: алмаз, графит, карбин и букибол.
Кристаллическая решетка алмаза состоит из атомов углерода, соединенных между собой очень прочными s-связями. В кристалле алмаза все связи эквивалентны и атомы образуют трехмерный каркас из сочлененных тетраэдров. Алмаз – самое твердое вещество, найденное в природе.
Графит представляет собой темно-серое с металлическим блеском, мягкое, жирное на ощупь вещество. Хорошо проводит электрический ток. В графите атомы углерода расположены в параллельных слоях, образуя гексагональную сетку. Внутри слоя атомы связаны гораздо сильнее, чем один слой с другим, поэтому свойства графита сильно различаются по разным направлениям.
Карбин – получен искусственным путем. Существует два вида карбина: поликумулен =С=С=С=С= и полиин -C=C-C=C-C=C-.
Букибол – получен в 1985г., имеет сферическую форму (как футбольный мяч), состоит из 60 или 70 атомов углерода.
Углерод в виде сажи, кокса, древесного угля, костных углей широко используется в металлургии, синтезе органических веществ, как топливо, в быту.

Читайте также:
Полимеры классификация, виды и свойства, структура и строение, способы получения и применения, реакции, примеры высокомолекулярных соединений

Уроккласс)

«Аллотропия. »* § 11

Цели урока: уметь объяснять различие между понятиями «простое вещество» и «химический элемент»; уметь объяснять явление аллотропии; уметь приводить примеры аллотропных модификаций и объяснять причины и условия аллотропизации веществ.

(до урока) в вытяжном шкафу в металлическом штативе закрепить пробирку,

подставить под нее спиртовку, приготовить спички, стакан с водой, пинцет и

фильтровальную бумагу ; (на уроке) взять образец кристаллической серы со стола

учащегося и поместив в пробирку расплавить его, а затем влить тонкой струйкой в

стакан с водой, достать пинцетом и промокнув на бумаге продемонстрировать

(до урока) на столы учащихся поставить коллекции с образцами аллотропных

видоизменений серы (кристаллическая и пластическая) и углерода (уголь и

графит); слайд со схемой соединения атомов в кристаллической и пластической

сере, фильм о кристаллических решетках графита и алмаза, а также модели

этих кристаллических решеток.

Постановка проблемы и актуализация знаний

Сформулируйте основные положения атомно-молекулярного учения.

Какие вещества называют «простыми»?

Что означает понятие «химический элемент»?

Чем различаются два этих определения? Разве в них говорится не об одном и том же?

Чем отличаются друг от друга химические элементы и простые вещества?

Все вещества состоят из молекул. Вещество делимо не до бесконечности, а лишь до его молекул. Молекулы состоят из атомов (химически неделимых частиц). Молекулы и атомы находятся в непрерывном движении. Атомы одного химического элемента одинаковы, но отличаются от атомов любого другого химического элемента. При физических явлениях молекулы сохраняются, а при химических – разрушаются. Атомы при химических реакциях, в отличие от молекул, сохраняются. При химических реакциях новые вещества образуются из тех же самых атомов, из которых состояли исходные вещества.

Простые вещества – это вещества, состоящие из атомов одного вида.

Химический элемент – это совокупность атомов одного вида.

Если существуют два разных определения, значит, есть какие-то отличия.

(учащиеся затрудняются дать ответ)

Поиск решения

(работа с учебником)

Попробуем разобраться в этом вопросе с помощью учебника (стр.42 1 – 3 абзацы + определение).

Посмотрите, на доске записаны формулы молекул: Н2 и Н2О. Скажите (опираясь на прочитанный текст), в каком из случаев мы говорим о водороде как о простом веществе, а в каком как о химическом элементе?

1-ая подтема (на доске) в план открытия нового знания

Запишем формулировку первой подтемы.

(читают текст)

Как о простом веществе идет речь в случае записи молекулы водорода, т. к. химической связью соединены атомы одного вида.

Как о химическом элементе – в случае записи молекулы воды, т. к. химической связью атомы водорода соединены с атомом другого вида (кислорода).

Отличие понятий «простое вещество» и «химический элемент».

Постановка проблемы и актуализация знаний

Будут ли образцы простых веществ отличаться друг от друга, если в их составе один и тот же вид атомов?

демонстрация коллекции

Найдите в коллекции желтый камушек и коричневый бесформенный комочек, сравните их.

Как вы думаете, одинаков ли состав этих образцов простых веществ?

Но оба эти образца состоят из одного и того же вида атомов – атомов серы.

Сравните между собой образцы угля и графита.

Но они состоят из одного и того же химического элемента – углерода.

Из углерода состоит и алмаз, «родственник» этих простых веществ (огранённый алмаз называется бриллиантом).

Читайте также:
Фосфат кальция - формула, свойства, вред и его польза

Какой напрашивается вывод?

Каковы причины образования нескольких простых веществ одним и тем же химическим элементом?

Конечно, не будут!

Они совершенно не похожи, следовательно, их состав различен.

Один и тот же химический элемент может образовывать несколько простых веществ.

(ответить не могут, недостаточно знаний)

Поиск решения

демонстрация фильма

Кристаллическая решетка – это пространственное расположение атомов в молекуле.

демонстрация моделей решеток

На демонстрационном столе модели кристаллических решеток алмаза и графита. В узлах этих решеток находятся атомы одного и того же химического элемента: углерода.

Почему различаются свойства простых веществ графита, алмаза и угля?

Уровень max : фуллерены, карбины, углеродные нанотрубки.

Напишите молекулярные формулы молекул кислорода и озона.

Что общего в этих молекулах простых веществ? В чем их различие?

Попробуйте теперь ответить на поставленный ранее вопрос: каковы причины образования нескольких простых веществ одним и тем же химическим элементом?

Явление существования одного и того же химического элемента в виде нескольких простых веществ называется аллотропией.

А простые вещества, состоящие из одного и того же вида атомов и обладающие разными свойствами, называются аллотропными модификациями.

2-ая подтема (на доске) в план открытия нового знания

Сформулируйте вторую подтему.

(записывают определение в тетрадь).

Потому, что различен порядок соединения атомов в их кристаллических решетках.

Они состоят из атомов одного и того же химического элемента, различаются числом атомов в молекуле.

– порядок соединения атомов в кристалле;

– различное количество атомов в

(записывают определение в тетрадь)

(записывают определение в тетрадь)

Аллотропия, аллотропные модификации.

Постановка проблемы с актуализацией знаний

Можно ли из одной аллотропной модификации элемента получить другую его модификацию?

Тогда припомните: дождь, гроза, удары грома, электрические разряды молний. А после грозы дышится легко, чувствуется запах свежести. Знакомая картина?

Запишем уравнение реакции.

Почему через некоторое время запах свежести пропадает?

Совместив эти реакции в одну, получим запись обратимой реакции, реакции взаимного превращения.

Можем ли сделать заключение, что аллотропные видоизменения могут превращаться друг в друга?

Почему только «иногда»?

Кристаллическая сера превращается в пластическую (и наоборот). А так же алмаз можно получить из графита (и обратно).

Каковы условия взаимных превращений аллотропных видоизменений друг в друга?

Нет! Это совершенно разные вещества!

Да! Запах свежести – это образовался озон.

3 О2 → 2 О3 (над стрелкой поставить символ «молния» )

Молекулы озона неустойчивы и распадаются на молекулы кислорода.

Но как сера желтая (кристаллическая) может превратится в коричневую (пластическую)? Или как превратить графит из карандаша в алмаз?

При создании специальных условий?

Наверное, для каждого аллотропного видоизменения свои условия.

Поиск решения

Попробуем осуществить превращение серы: кристаллическую серу превратим в пластическую.

эксперимент

Причина видоизменения серы видна на схеме слайда. Объясните её.

Немного полежав, пластическая сера снова постепенно превращается в кристаллическую.

Вообще существуют три модификации серы: ромбическая, моноклинная (кристаллы в виде клинышков-иголок) и пластическая. Наиболее устойчивая модификация: ромбическая сера, поэтому обе другие постепенно в обычных условиях превращаются в нее.

Выясним, посмотрев фильм.

Итак, каковы условия взаимных превращений видоизменений углерода?

3-тья подтема (на доске) в план открытия нового знания

Как звучит формулировка третей подтемы?

Сформулируйте тему урока?

При расплавлении произошло изменение порядка соединения атомов в образце серы.

А можно превратить пластическую серу снова в кристаллическую?

А как осуществляются взаимные превращения алмаза и графита?

(просмотр фильма)

Превращения графита в алмаз достигается приложением очень высокого давления (11 – 12 ГПа) и температуры свыше 2000оС. При нагревании алмаза свыше 1000оС без приложения повышенного давления начинается превращение его в графит, при 1750оС превращение идет быстрее.

Читайте также:
Оксид азота - формула, свойства, получение и применение, влияние

Условия взаимных превращений аллотропных видоизменений друг в друга (условия аллотропизации веществ).

Аллотропия, аллотропные видоизменения.

Самостоятельное применение знаний

Рассчитайте число молекул озона образующихся при электрическом разряде из 5 моль кислорода.

Обобщение темы.

Химический элемент – это вид атомов, а простое вещество – это форма существования химических элементов в свободном виде.

Нет, число простых веществ больше.

Потому что один и тот же химический элемент может образовывать несколько простых веществ.

– порядок соединения атомов в кристалле;

– различное количество атомов в

Взаимные превращения возможны, для каждого случая свои технические условия.

Домашнее задание: § 11 (стр.42 – 44 ), вопросы после параграфа (№ 1 – 3 устно,

№ 4 – письменно); сообщении о аллотропизации олова («Оловянная

Аллотропные модификации углерода

Средняя оценка: 3.9

Всего получено оценок: 194.

Средняя оценка: 3.9

Всего получено оценок: 194.

Соединения, образованные атомами углерода, но отличающиеся строением и свойствами, называются аллотропными модификациями углерода. Основными модификациями углерода являются графит, алмаз, карбин.

Классификация

Возможность присоединять четыре атома делает углерод активным элементом. Помимо присоединения атомов других элементов углерод может образовывать различные модификации, отличающиеся структурой и свойствами.

Рис. 1. Строение атома углерода.

Выделяют два вида углерода в зависимости от образования модификаций:

  • кристаллический – входит в состав твёрдых веществ;
  • аморфный – образует мягкие вещества.

Кристаллические формы углерода:

  • алмаз;
  • лонсдейлит;
  • наноалмаз;
  • графит;
  • графен;
  • карбин;
  • фуллерены;
  • фуллерит;
  • углеродное волокно;
  • углеродные нановолокна;
  • углеродные нанотрубки.

В соответствии с геометрическим строением кристаллической решётки выделяют три типа аллотропных модификаций:

  • тетраэдрическая (sp 3 -гибридизация) – один атом углерода, находящийся в центре, связан с атомами в узлах тетраэдра;
  • тригональная (sp 2 -гибридизация) – атомы углерода образуют шестиугольники, связанные друг с другом послойно;
  • линейная (sp-гибридизация) – атомы углерода образуют цепочки, связанные одинарными, двойными, тройными связями.

Рис. 2. Строение кристаллических решёток углерода.

Аморфный углерод образует следующие модификации:

  • активированный уголь;
  • древесный уголь;
  • ископаемый уголь;
  • кокс каменноугольный;
  • стеклоуглерод;
  • углеродная нанопена;
  • техуглерод;
  • сажа.

Лонсдейлит является гексагональной модификацией алмаза. Наноалмазы, фуллерены, нанотрубки, нанографиты объединены в семейство наноуглеродных кластеров. Они образованы вложенными друг в друга углеродными сферами.

Основные модификации

Наиболее изучены твёрдые формы углерода – алмаз, графит и карбин. Особенности строения и свойства аллотропных модификаций углерода представлены в таблице.

Модификация

Строение решётки

Свойства

Применение

Относительно мягкий жирный минерал, обладающий электропроводностью. Имеет серый цвет, металлический блеск. Плотность – 2,23 г/см 3 . Не плавится. Реагирует со щелочными металлами, солями, кислородом

Смазка в прокатном производстве. За счёт отслоения тригональной решётки используется в качестве стержня карандаша

Мелкокристаллический порошок с небольшой плотностью. Полупроводник

Используется в фотоэлементах

Прозрачный минерал, обладающий наибольшей твёрдостью. Обладает теплопроводностью, является полупроводником. Имеет большой показатель преломления. Плавится при температуре 3700°C

Драгоценный камень, абразив. Из алмаза изготавливают свёрла, ножи, резцы

При сильном нагревании графит переходит в алмаз, а алмаз – в графит.

Что мы узнали?

Углерод имеет множество аллотропных модификаций. Основные из них – графит, алмаз, карбин. Они отличаются друг от друга физическими, химическими свойствами, строением кристаллической решётки. Наиболее твёрдая модификация – алмаз – используется для изготовления промышленных инструментов. Графит – мягкий минерал – применяется в прокатной промышленности. Благодаря строению способен отслаиваться, оставляя след, поэтому используется в качестве карандашного стержня. Карбин – порошок, который используется в фотоэлементах.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: