Көміртектің аллотроптық түр өзгерістері. Химия, 8 сынып, дидактикалық материал.

ХИМИЯ • АТОМДАР МЕН БАЙЛАНЫСТАР • ХИМИЯЛЫҚ БАЙЛАНЫСТАР

3-бөлім: Көміртектік байланыс

• • Көміртегінің ерекшелігі неде?

Көміртегінің реттік саны 6-ға тең. Оның ядросында 6 протон және 6 электрон бар, электрондардың екеуі бірінші қабатта, төртеуі екінші қабатта орналасқан; электрондық конфигурациясы 2,4.

Көміртегіде 4 сыртқы электрон бар, осы электрондарын өзге атомдарға бөлісу арқылы 4 ковалентті байланыс түзе алады.

Көміртегінің атомдары көміртегінің өзге атомдарымен жай, екі еселі, тіпті үш еселі ковалентті байланыс түзе алады: Бұл оған ұзын, тармақты және

сақиналы көміртегі атомдарының байланысын түзуге мүмкіндік береді. Басқа ешбір элемент молекуланың сонша көп түрін түзе алмайды, сондықтан көміртегі тірі ағзалардың химиясындағы негізгі элемент. Адамдар көміртегі қосылыстарының ішінде ерекше “өмір күші” бар деп ойлап келді. Біз енді бұған сенбейміз, бірақ көміртегі химиясы әлі де органикалық химия деп аталады, бұл тіршілік әлемімен байланысты көрсетеді.

Көміртегіде 6 протон және 6 электрон бар

• Ұсынылатын фильм

– Көміртек: Кіріспе

Қосымша сұрақ

С8. Көміртегінің сыртқы қабатында нақты төрт электрон бар: мұның маңызы неде?

Сыртқы қабаттағы төрт электрон әр көміртегі атомы төрт ковалентті байланыс түзе алатынын көрсетеді. Сондықтан, әрбір көміртегі атомы төрт өзге көміртегі атомына дейін байланыса алады. Басқа элементтердің атомдары бірігіп, ұзын түзу тізбектер, тармақты тізбектер, және сақиналар секілді күрделі құрылымды комбинациялардың шексіз түрлерін түзе алмайды. Бұл көміртегі химиясы периодтық кестедегі барлық элементтердің ішіндегі ең бай екенін көрсетеді, және көміртегінің тірі ағзалар үшін маңыздылығымен тікелей байланысты.

• • Көміртегінің қандай формалары бар?

Көміртегінің формаларына графит, гауһар және бакминстерфуллерен жатады.

Графит:

Графит өте ерекше материал. Ол ең жұмсақ табиғи заттардың бірі, бірақ балқу температурасы өте жоғары. Көміртегіден жасалатын бейметалл, электр тогын жақсы өткізеді, және металл секілді ұстағанда салқын сезіледі.

Графит көміртегі атомдарының қабаттарынан жасалады. Бұл қабаттардағы көміртегі атомдары ара балындағы гексагональ пішіндер сияқты орналасқан. Әр көміртегі атомы көршілес жатқан көміртегінің үш атомымен 120° бұрыш жасап байланысқан. Бұл ковалентті байланыстар көміртегі атомынының сыртындағы төрт электронның үшеуін пайдаланады; төртінші электрон қабаттар арасында еркін қозғалады. Мұндай еркін, орнықсыз электрондар бірігіп, электрондар теңізін түзіп, қабаттар арасында қозғала алады. Сол себепті графит электр тогын металл секілді жақсы өткізеді.

Көміртегі атомдарының қабаттары салыстырмалы түрде әлсіз тартылыс күшіне ие, сондықтан бірінің үстімен бірі сырғи алады. Қарындашпен жазған кезде біз көміртегі атомдарының қабаттарына графиттен сырғып түсуге жол береміз де, жазып жатқан қағаз бетіне жұқтырамыз.

2010 жылы физиктерге графиттің бір атомның өлшеміндей қалыңдықтағы графен деп аталатын қабатын зерттегені үшін Нобель сыйлығы берілді. Оның қасиеттері графиттің өзіне қарағанда әлдеқайда қызық болып шықты. Ол ең мықты, ең берік материал. Ол мөлдір, барлық материалдардың ішіндегі жылуды ең жақсы өткізетіні, және мыс секілді электр тогын жақсы өткізеді.

5

ХИМИЯ • АТОМДАР МЕН БАЙЛАНЫСТАР • ХИМИЯЛЫҚ БАЙЛАНЫСТАР

Алмаз:

Алмаз табиғи материалдардың ең мықтысы; яғни алмазпен кез-келген материалды кесуге болады, бірақ олар арқылы алмасты кесуге болмайды. Оның берік болуының себебі миллиардтаған көміртегі атомдарының әрбірі өзге төрт көміртегі атомдарымен үлкен үш өлшемді торда не шілтерде байланысқан. Бұл ковалентті байланыстарды бұзу үшін энергияның едәуір мөлшері қажет, сондықтан алмасты кесу қиын, және алмастың қайнау температурасы өте жоғары.

Бакминстерфуллерен:

Бакминстрфуллерен көміртегінің үшінші құрылыс формасы, немесе аллотропиясы, ол 1985 жылы ашылды. Оның құрамында 60 көміртегі атомынан тұратын сфералық көміртегі C60 молекулалары бар. Көміртегі атомдары гексагональ және пентагональ пішінде орналасқан, нақтырақ айтқанда, доп пішінінде орналасқан. Бұл жаңалық көміртегіге ұқсас молекулалардың C60, ашылуына алып келді, олар флуорен деп аталады, олардың медицинада және компьютерлік құрылғыларда минуттарды жасауда

маңызы зор.

Қосымша сұрақтар

Алмаз – көміртегіден жасалатын бағалы тас

• Ұсынылатын фильмдер
• Көміртек: Кіріспе
• Көміртек: Синтетикалық алмаз
• Көміртек: Бакминстерфуллерен

С9. Графит қайда қолданылады? Графит қарындаш жасауда (қорғасын емес, көміртегіден жасалады) қолданылады; көміртегі атомдарының қабаттары қағазға жұғады. Графиттің өте жоғары балқу температурасы оны тигель деп аталатын,

күміс пен алтын сияқты балқыған металдарға төтеп бере алатын ыдыстар жасауда қолдануға мүмкіндік береді. Оның өте

жақсы жылу өткізгіштігі ғарыш кемесінің беткі бөлігінде пайдалы, себебі ол ғарыш кемесі атмосфераға қайта енген кезде іште өндірілген жылуды сыртқа шығарады.

Полимер бөлшектеріне талшық ретінде бекінген көміртегі күйіндегі графит өте берік және тығыздығы аз болады, оны теннис ракеткаларын, балық аулайтын қармақ, көліктер, велосипедтер мен ұшақтарды жасауда қолданады. Қорытындылай келгенде, графит берік әрі жеңіл материал қажет жерлердің бәрінде қолданылады.

C10. Алмас, зергерлік бұйымдар жасаудан басқа, қайда қолданылады?

Алмастың 80%-ынан зергерлік бұйымдар жасалмайды, себебі олардың сапасы төмен. Олар басқа жерлерде де кең қолданысқа ие, мысалы бұрғылар

мен тілімтас материалдарын жасауда пайдаланылады, себебі алмас өте берік болғандықтан, ол тау жыныстары мен болатты да кесе алады.

ДИАГРАММА 04:

C11. Бакминстрфуллереннің қандай пайдасы бар?

Бакминстрфуллереннің, және онымен байланысты фуллерен молекулаларының ұсынылған қолданыстары көп болды.Мысалы, қатерлі ісік ауруының дәрілерін жеткізу мен өте кішкентай наносымдарды жасау, бірақ бұл өнертабыстар коммерциалық түрде өздерін дәлелдеп шықпады. Бірақ, бұл әлде де өте жаңа материал және оның нағыз қолданыстары болашақта табылады деп күтілуде.

6

ХИМИЯ • АТОМДАР МЕН БАЙЛАНЫСТАР • ХИМИЯЛЫҚ БАЙЛАНЫСТАР

• • Нанотехнология деген не, ол қауіпсіз бе?

Нанотехнология деген, аты айтып тұрғандай, затты атомдық не молекулалық өлшемде, яғни 1 нанометрде пайдалану. Нанотехнология өзінің бастапқы даму кезеңінде, біз заттарды атомға атомды қосып жасауды және өлшемдері дәлме-дәл ұқсас, бірақ қасиеттері мүлдем өзгеше материалдарды жасауды үйреніп келеміз. Мысалы, күміс нанобөлшектері бактерияларды өлтіреді, сондықтан біздің табанымыздағы жағымсыз иісті тудыратын бактерияларды өлтіру үшін шұлықтарда қолданылып келеді. Титан диоксидінің нанобөлшектері кейбір Күннен қорғайтын құралдарда пайдаланылады. Оның өзге де қолданыстары көп, мысалы медицинада, ауыл шаруашылығында, және, мүмкін, болашақта тіпті нанороботтар деп аталатын молекулалық машиналарды жасауда да қолдана аламыз.

Нанотехнологияның күрделі бөлігінің моделі

• Ұсынылатын фильмдер
• Нанотехнология дегеніміз не?
• Нанотехнология: Қауіпті емес пе?

Күміс нонобөлшектері бар шұлықтар суға батырылғанда, ол бөлшектерді суға шығаратыны анықталды. Яғни, теория жұзінде, олар ас қорыту жүйесіне және одан да үлкен ортаға түсіп кетуі мүмкін. Нанобөлшектердің кішкентай болатыны сонша, олар денеге салыстырмалы түрде оңай еніп кетіп, жасуша мембраналарына өте алады. Сондықтан бұл жаңа технологиялардың қауіпсіздігі туралы үрей бар, оларды пайдалану туралы нұсқаулық пен бізге әсері зерттеліп жатыр. Бұл материалдардың ұзақ мерзімдік кері әсері барын айту әлі ерте.

Қосымша сұрақ

С12. Неліктен күміс секілді материал өте кішкентай нанобөлшек формасында болғанда, қасиеттерін өзгертеді?

Нанобөлшектердің өлшемі өте кішкентай, яғни күміс тостаған секілді күмістің қатты бөлшегіне қарағанда, оларда бактериямен әрекеттесуге әлдеқайда үлкен аумақ бар. Олар химиялық реакция жылдамдығын күрт арттыратын катализатор секілді жұмыс атқарады. Бұл күміс нанобөлшектерінің термен қоректеніп, жағымсыз иіс шығаратын бактерияларды өлтіруде қолданылуын түсіндіреді.

7