khimie.ru

Чистый углерод встречается в двух кристаллических модификациях: кубической, кристаллизирующейся в форме алмаза, и гексагональной, кристаллизующейся в форме графита. В то время как алмаз бесцветен, а графит серого цвета, углерод, полученный при термическом разложении его соединений, имеет глубокую черную окраску (например, сажа). Раньше черный углерод считали особой аморфной модификацией. По новейшим исследованиям эта модификация совпадает в основном по своей тонкой структуре с графитом.

Свойства черного углерода в значительной степени зависят от метода получения и могут быть изменены последующей обработкой. При очень сильном прокаливании черный углерод, внешне не изменяясь, становится графитоподобным, т. е. его удельный вес возрастает и одновременно уменьшается теплота сгорания.

Гипотеза о том, что черный углерод по структуре идентичен графиту, была высказана сначала Дебаем и Шеррером, которые утверждали, что черный углерод дает линии рентгеновской интерференции, характерные для графита, хотя и сильно размытые. Сначала эту гипотезу считали несовместимой с тем, что теплота сгорания различных сортов черного углерода значительно превышает теплоту сгорания графита, и с тем, что черному углероду свойственна сильная поверхностная активность, которая у графита проявляется лишь в незначительной степепи. Гофману удалось все же показать, что эти свойства черного углерода обусловлены только чрезвычайно малыми размерами его кристалликов и поэтому чрезвычайно большим развитием их внешней поверхности. Наличием ненасыщенных валентностей атомов С на поверхности объясняется как более высокая по сравнению с графитом энергия черного углерода, так и его большая поверхностная активность (адсорбционная способность и каталитическая активность). Однако поверхностные силы могут проявляться только тогда, когда получение препарата осуществляется при таких условиях, что внешние поверхности лежат свободно. Позтому, помимо малых размеров кристалликов, для поверхностной активности (но не для теплоты сгорания) имеет значение также их расположение. Активность проявляется только в том случае, если кристаллики не склеиваются в плотные агрегаты (как в случае ретортного графита), а образуют рыхлый порошок или структуру, пересоченную чрезвычайно большим числом каналов. Свойства черного углерода с увеличением величины кристаллов _постепенно переходят в свойства обычного графита. Твердость достигает максимума у ретортного графита, так как, с одной стороны, при беспорядочной ориентации кристалликов она растет в зависимости от их величины и, с другой стороны, уменьшается с увеличением степени упорядочения кристалликов. В парообразном состоянии углерод почти весь одноатомен, хотя энергия диссоциации молекулы С₂ (которую определили спектроскопически) составляет 3,6 эВ (83 ккал/моль), т. е. больше, чем, например, для С1₂. Однако при таких температурах, при которых молекула С₂ при нормальной давлении должна была бы диссоциировать лишь незначительно, давление пара углерода еще минимально, а температура, при которой давление пара достигает атмосферного давления, лежит уже так высоко, что при ней термическая энергия достаточна для почти полного расщепления молекул С₂.

Углерод независимо от того, в какой модификации он находится, не имеет ни вкуса, ни запаха, чрезвычайно трудно плавится и улетучиваетея и не растворяется во всех обычных растворителях. Он хорошо растворяется во многих расплавленных металлах, например в железе, кобальте, никеле и в платиновых металлах, и вновь кристаллизуется в форме графита при охлаждении растворов.

При обычной температуре углерод, особенно алмаз и графит, химически крайне инертен. Некоторые сорта черного углерода воспламеняются в атмосфере кислорода уже при сравнительно незначительном нагревании. Со фтором черный углерод реагирует уже при обычной температуре. При высоких температурах углерод соединяется с многочисленными элементами: водородом, серой, кремнием, бором и многими металлами. Соединения углерода с металлами и с другими электроположительными относительно углерода элементами называют карбидами. С азотом углерод непосредственно не соединяется, однако взаимодействие происходит в присутствии водорода с образованием цианистого водорода.