В природе углерод встречается в виде нескольких простых веществ (аллотропных модификаций): алмаз, графит, аморфный углерод (сажа, уголь, древесный уголь и т.п.) и фуллерены (включая естественно обнаруженные C${}_{60}$ в сажевых частицах и метеоритах). Краткое сравнение свойств и объяснение связи со структурой:
1) Алмаз
- Внешние свойства: прозрачный, бесцветный (редкие примеси дают окраску), блеск алмазный. Твердость по Моосу $\approx 10$. Плотность $\rho \approx 3.51{\text{г/см}}^3$. Электрический изолятор, ширина запрещённой зоны $E_g\approx 5.5\text{эВ}$. Очень высокая теплопроводность.
- Структура и связь: каждый атом $C$ в гибридизации $s{p}^3$ связан четырьмя другими в тетраэдрической решётке (углы $\approx 109.5^{\circ }$), образуя прочную трёхмерную ковалентную сеть; длина связи $C-C\approx 1.54\text{A˚}$. Из-за этой непрерывной сети устойчивость к деформации и высокая жёсткость, отсутствуют свободные электроны → изоляция.
2) Графит
- Внешние свойства: чёрно-серый, металлический блеск по слою, мягкий (по Моосу $\approx 1\text{–}2$), плотность $\rho \approx 2.26{\text{г/см}}^3$. Хорошо проводит электрический ток вдоль плоскостей слоёв, слабо вдоль перпендикуляра. Ан\-изотропная теплопроводность (в плоскости высокая).
- Структура и связь: атомы $C$ в гибридизации $s{p}^2$ образуют плоские шестиугольные слои (углы $\approx 120^{\circ }$), длина связи внутри слоя $\approx 1.42\text{A˚}$. Внутри слоя сильные σ‑связи; π‑электроны делокализованы по слоям → хорошая проводимость в плоскости. Слои связаны слабыми ван‑дер‑Ваальсовыми силами → лёгкое слоение и малое сопротивление сдвигу.
3) Аморфный углерод (сажа, уголь, древесный уголь)
- Внешние свойства: чёрный, матовый, свойства варьируют: от мягких и сильно пористых до твёрдых; электропроводность и плотность зависят от соотношения $s{p}^2/s{p}^3$.
- Структура и связь: беспорядочная смесь фрагментов $s{p}^2$- и $s{p}^3$-связей, отсутствует дальний порядок; поэтому свойства промежуточны и зависят от локальной степени ароматичности и плотности связей.
4) Фуллерены (например C${}_{60}$)
- Внешние свойства: тёмные кристаллы или порошки; молекулярные кристаллы сравнительно мягкие, низкая плённая плотность; полупроводниковые/полумикроскопические свойства (оптический/электронный разрыв $\sim 1.5\text{эВ}$ для C${}_{60}$).
- Структура и связь: отдельные молекулы (сферические или эллипсоидальные) с $s{p}^2$-подобной связью образуют кристаллическую решётку, внутри молекулы – делокализованные π‑системы; между молекулами — слабые ван‑дер‑Ваальсовы взаимодействия → слабая механическая прочность по сравнению с ковалентными сетями.
Обобщающее объяснение зависимости свойств от кристаллической структуры:
- Жёсткость и твердость определяются наличием протяжённой ковалентной сети: трёхмерная сеть $s{p}^3$ (алмаз) → максимальная твердость; двумерные слои с слабыми межслоевыми связями (графит) → мягкость и лёгкое слоение.
- Электропроводность определяется наличием делокализованных электронов: $s{p}^2$-сети с π‑электронами (графит, фуллерены) — проводимость/полупроводниковость; отсутствие делокализации (алмаз) — изолятор.
- Анизотропия свойств (например у графита) связана с направленной природой связей: прочные внутри слоёв, слабые между слоями.
- Молекулярный (фуллерены) или аморфный характер структуры даёт низкую механическую прочность и варьируемые электронные свойства из‑за отсутствия непрерывной ковалентной сети.
Если нужно, могу привести табличное сравнение с точными числовыми значениями по выбранным параметрам.