Химия навсегда. О гороховом супе, опасности утреннего кофе и пробе мистера Марша - Ларс Орстрём

Так что же такое это серое вещество, если не свинец? Это кристаллическая форма углерода под названием графит (см. рисунок 20), которая сильно отличается от другой формы кристаллического углерода – алмаза. Но точно так же, как это делается на алмазных рудниках, работников в Борроудейле при выходе из шахты обыскивали, чтобы найти припрятанные камни, а транспорт с графитом до конечного пункта назначения провожали вооруженные охранники.

Все эти разные формы углерода немного сбивают с толку. Углерод добывают также и в угольной шахте, так что в шведском языке все еще более запутано, потому что слова «углерод» и «уголь» обозначаются одним словом kol[118]. А ведь существуют еще угольные печи, в которых уголь предполагается получать из дров. Но никакой путаницы здесь нет – мы говорим об одном и том же элементе, а не об ошибке определения, когда один элемент принимают за другой, как в случае со «свинцом» в карандашах.

Рисунок 20. Кусок графита из Борроудейла, купленный совершенно легально в Кесвике (Камбрия, Великобритания) в 2012 году. Фото сделано автором.

Итак, давайте начнем с самого драгоценного члена этой семьи – алмаза. В этом веществе каждый атом углерода соединен прочными связями с четырьмя другими атомами. Образуется (если бы мы могли это увидеть) нечто похожее на миниатюрные строительные леса, только перекладины в них соединяются не под прямым углом, а под углом 109,5°, что позволяет этой конструкции бесконечно повторяться во всех направлениях. Поскольку перекладины состоят из прочных одинарных углерод-углеродных связей, структура получается очень крепкой. Кроме того, эти атомы углерода абсолютно лишены воображения: они располагаются совершенно одинаковым образом в пределах всего алмазного кристалла, и именно по этой причине алмаз – это прежде всего кристалл; нам требуется знать лишь положение одного-единственного атома углерода, и тогда мы сможем сказать, где расположены все остальные атомы этого кристалла.

Рисунок 21. Слева: атом углерода, соединенный с четырьмя другими атомами и образующий то, что мы называем тетраэдром. Справа: множество углеродных тетраэдров, соединяющихся друг с другом и образующих алмазную структуру. Алмаз – это бесконечная решетка из атомов углерода, очень похожая на одну большую молекулу; структура воспроизводится и вдоль пунктирных линий.

К тому же жесткой дисциплине подчинены и электроны: на каждую углерод-углеродную связь полагается по паре электронов, а сбежать им не дает заклятие притяжения, наложенное на них положительно заряженными ядрами углерода. Это означает, что алмаз не должен проводить электрический ток; он действительно проявляет свойства электроизоляционного материала, и притом весьма хорошего. (Как ни удивительно, при этом он отлично проводит тепло, как мы убедились в главе 8.) Электроны держатся так крепко, что их нельзя сдвинуть и при помощи видимого света – то есть тем способом, при помощи которого вещества обычно приобретают цвет (поэтому идеальный алмаз совершенно прозрачен).

Следующим по ценности в этом списке идет графит, в котором атомы углерода расположены совершенно иначе; это мы и называем явлением полиморфизма. Полиморфные модификации – это такие вещества, которые имеют одинаковый химический состав, но разное пространственное расположение атомов. В особых случаях, когда простое вещество существует в разных формах, такие формы называют аллотропами или аллотропными модификациями. В графите, в отличие от трехмерной алмазной решетки, атомы углерода формируют слои в виде пчелиных сот толщиной один атом, в которых каждый атом углерода образует связи только с тремя своими соседями. Наиболее запоминающаяся черта этой структуры – абсолютно симметричные шестиугольники, образованные шестью атомами углерода в замкнутом контуре.

Если вы бухгалтер, то, наверное, сразу обратили внимание, что теперь у нас больше электронов, чем нужно для того, чтобы вставить по паре электронов между каждым атомом углерода, образуя таким образом химические связи в шестиугольных слоях. Каждый атом углерода в алмазе делился четырьмя электронами, по одному на каждую связь. То же упражнение, проделанное с графитом, оставляет нам один избыточный электрон на каждый атом углерода, после того как три других распределились по трем связям с соседними атомами.

Так что же делать с этими избыточными электронами?.. Было бы естественно подумать, что их можно использовать для того, чтобы связать вместе слои и образовать трехмерное вещество, которое мы можем взять в руки в виде реального куска графита, но дело обстоит иначе. Между слоями графита нет ничего, напоминающего химические связи. Вместо этого близкое расположение атомов углерода внутри слоев создает пространство сверху и снизу этих слоев, где избыточные электроны свободно перемещаются, внося свой вклад в образование связей в шестиугольниках. Это не те двойные связи, которые мы видели в главе 5; их называют делокализованными двойными связями, поскольку мы не можем точно указать, между какими именно атомами углерода находятся дополнительные электроны. Наличие таких освобожденных электронов приводит к возникновению электропроводности, и графит в самом деле отлично проводит электричество – при условии, что мы остаемся в рамках одного слоя.

Рисунок 22. Небольшая часть слоя графита и расположенные друг над другом слои в кусочке кристаллического графита, похожего на тот, что добывали в шахтах Борроудейла.

Дополнительные связи также улучшают прочность слоев – но эти дополнительные электроны с большой неохотой помогают удерживать два слоя вместе: расстояние между слоями больше чем в два раза превышает расстояние между атомами углерода в слоях.

Еще одно важное свойство: теперь электроны можно перемещать при помощи видимого света, хотя моих коллег, возможно, огорчает такая терминология и они предпочли бы, чтобы я сказал, что электроны «возбуждаются». Поскольку электроны постоянно движутся или ведут себя скорее как волна с некоторой плотностью (представьте расплывчатое облако, окружающее ядра в атомах), то, возможно, лучше сказать, что они переключают передачу. Химики часто используют термин «скачок», описывая возбужденные электроны, особенно когда графически изображают это на бумаге в виде диаграмм. Для большинства веществ, способных поглощать видимый свет, существует лишь одна либо несколько избранных передач, каждое переключение между которыми требует собственного цвета, или длины световой волны. Эти цвета, условно говоря, поглощаются веществом и стираются из полного спектра белого света, а мы видим лишь оставшиеся цвета.