Алотропія неметалічних елементів і адсорбція

Уявіть, що з тих самих цеглинок можна збудувати і хатину, і високу вежу. Так само з атомів одного хімічного елемента можуть утворюватися різні прості речовини. Це явище називають алотропією.

Що таке алотропія?

Алотропія — це здатність хімічного елемента існувати у вигляді кількох простих речовин. Кожну таку просту речовину називають алотропною модифікацією (або алотропом). Програма НМТ вимагає знати алотропію чотирьох елементів: Оксигену, Сульфуру, Карбону й Фосфору.

Дві причини алотропії

Алотропні модифікації одного елемента можуть відрізнятися:

• різним числом атомів у молекулі — наприклад, кисень O₂ і озон O₃;

• різною будовою кристала — наприклад, алмаз і графіт (обидва складаються з атомів Карбону, але по-різному впорядкованих у просторі), ромбічна й моноклінна сірка, білий і червоний фосфор.

У першому випадку змінюється склад молекули, у другому — спосіб упакування атомів у кристалічній ґратці.

Фізичні властивості та хімічна тотожність

Алотропні модифікації одного елемента мають різні фізичні властивості: колір, твердість, густину, електропровідність тощо. Однак хімічно вони залишаються тим самим елементом. Якщо спалити будь-яку алотропну модифікацію Карбону (алмаз, графіт, фулерен) у надлишку кисню, утвориться вуглекислий газ CO₂. Якщо спалити будь-яку модифікацію Фосфору (білий чи червоний), утвориться фосфор(V) оксид P₂O₅:

C + O₂ → CO₂ (для алмазу, графіту, фулеренів)

4P + 5O₂ → 2P₂O₅ (для білого й червоного фосфору)

Що не є алотропією?

У тестових завданнях можуть пропонувати пари речовин, які не є алотропами. Запам'ятай чотири випадки-пастки:

Ключове правило: алотропні модифікації — це дві (або більше) прості речовини, утворені атомами одного хімічного елемента. Ізотопи, складні речовини й агрегатні стани до алотропії не належать.

Оксиген утворює дві прості речовини, які різняться складом молекул: кисень O₂ та озон O₃. Сульфур утворює кілька кристалічних модифікацій, найвідоміші з яких — ромбічна й моноклінна сірка, а також пластична сірка.

Кисень O₂ та озон O₃

Кисень O₂ — безбарвний газ без запаху, стійкий за звичайних умов, підтримує горіння й дихання. Озон O₃ — блакитний газ з різким характерним запахом (саме слово «озон» походить від грецького «той, що пахне»). Озон є сильнішим окисником, ніж кисень: він окиснює срібло, знебарвлює барвники, убиває бактерії.

Озон утворюється з кисню під час грозових розрядів:

3O₂ → 2O₃

В атмосфері озон утворює озоновий шар, який захищає Землю від ультрафіолетового випромінювання. Докладніше про озон і його значення — у юніті «Озон, горіння і повільне окиснення».

Ромбічна сірка

Ромбічна сірка — жовті кристали, стійка за звичайних умов. Її молекули мають циклічну будову S₈ — вісім атомів Сульфуру, з'єднаних у кільце. Саме ромбічну сірку найчастіше можна побачити в лабораторії чи в магазині (наприклад, сірка для садівництва).

Моноклінна сірка

Моноклінна сірка — голчасті кристали світло-жовтого кольору. Вона утворюється під час повільного охолодження розплавленої сірки. За кімнатної температури моноклінна сірка поступово переходить у ромбічну — це означає, що ромбічна модифікація є термодинамічно стійкішою за звичайних умов.

Пластична сірка

Пластична сірка — темна гумоподібна маса, яку одержують, виливаючи киплячу сірку в холодну воду. На відміну від кристалічних модифікацій, вона складається з довгих ланцюгів атомів Сульфуру, а не з кілець S₈. Пластична сірка з часом твердне й перетворюється на ромбічну.

Запам'ятай: кисень O₂ та озон O₃ — приклад алотропії через різний склад молекул. Ромбічна, моноклінна й пластична сірка — приклад алотропії через різну будову кристала (або молекули).

Карбон і Фосфор — ще два елементи, чия алотропія пов'язана з різною будовою кристалічної ґратки (або молекули). Розгляньмо найважливіші модифікації.

Алмаз

Алмаз має атомну кристалічну ґратку: кожен атом Карбону сполучений з чотирма іншими ковалентними зв'язками, утворюючи тетраедричну структуру. Це найтвердіша природна речовина. Алмаз прозорий, не проводить електричний струм. Застосування: ріжучий і буровий інструмент, шліфувальні матеріали, ювелірні діаманти.

Графіт

Графіт має шарувату будову: у межах шару кожен атом Карбону зв'язаний з трьома сусідами, а шари утримуються між собою слабкими силами. Графіт — сіро-чорна речовина з металічним блиском, м'яка, жирна на дотик, проводить електричний струм. Застосування: електроди, стрижні олівців, мастило для механізмів.

Фулерени

Фулерени — молекули, що складаються з 60 або 70 атомів Карбону (C₆₀, C₇₀) і мають форму порожнистої сфери. C₆₀ нагадує футбольний м'яч. На відміну від алмазу й графіту, фулерени мають молекулярну будову. Відкриття фулеренів (1985 р.) принесло науковцям Нобелівську премію.

Білий фосфор

Білий фосфор складається з молекул P₄. Це м'яка воскоподібна речовина, дуже отруйна. Він світиться в темряві (хемілюмінесценція) і самозаймається на повітрі, тому його зберігають під водою. Застосовується у військовій справі (запалювальні суміші) та для добування ортофосфатної кислоти.

Червоний фосфор

Червоний фосфор має полімерну будову — це червоно-бурий порошок. На відміну від білого, він неотруйний, не світиться в темряві й не самозаймається на повітрі. Червоний фосфор входить до намазки сірникової коробки: під час тертя він займається й підпалює сірник.

Порівняння: алмаз — найтвердіший, прозорий, не проводить струму; графіт — м'який, чорний, проводить струм; фулерени — молекулярні сфери. Білий фосфор — отруйний, світиться, самозаймається; червоний — безпечний порошок.

Адсорбція — це явище, яке широко використовують у медицині, промисловості та побуті. Розгляньмо його суть і найвідоміший адсорбент — активоване вугілля.

Що таке адсорбція?

Адсорбція — це поглинання газів, парів або розчинених речовин поверхнею твердого тіла (адсорбенту). Речовина, яка поглинається, називається адсорбатом. Важливо не плутати адсорбцію з абсорбцією: абсорбція — це поглинання всім об'ємом речовини (наприклад, розчинення вуглекислого газу у воді).

Чим більша площа поверхні адсорбенту, тим краще він поглинає. Тому ефективні адсорбенти — це пористі речовини з величезною внутрішньою поверхнею.

Активоване вугілля

Активоване вугілля — це пористий вуглець, який одержують з деревини, кам'яного вугілля або кокосової шкаралупи шляхом нагрівання без доступу повітря (карбонізація) та подальшої активації водяною парою чи киснем. У результаті утворюється величезна кількість мікропор, і площа поверхні 1 грама активованого вугілля може сягати 500–1500 м².

Завдяки цьому активоване вугілля добре поглинає гази, пари, барвники та інші речовини.

Досліди, що демонструють адсорбцію

• Розчин чорнила або лакмусу, профільтрований крізь шар активованого вугілля, знебарвлюється — барвники залишаються на поверхні вугілля.

• Бурий газ NO₂ (нітроген(IV) оксид) у колбі з активованим вугіллям зникає — газ поглинається порами.

• Якщо потім нагріти вугілля, поглинені речовини виділяються (десорбція), і адсорбент можна використати знову.

Застосування активованого вугілля

• Вугільний протигаз — запропонував український хімік М. Д. Зелінський 1915 року. Шар активованого вугілля поглинає отруйні гази, пропускаючи чисте повітря.

• Таблетки активованого вугілля при отруєннях — адсорбують токсини в шлунково-кишковому тракті.

• Побутові фільтри для води — очищають воду від хлору, органічних домішок і неприємного запаху.

• Очищення цукрового сиропу від барвників у харчовій промисловості.

• Фільтри кухонних витяжок — поглинають запахи під час приготування їжі.

Запам'ятай: адсорбція — це поверхневе явище, а не хімічна реакція. Активоване вугілля не вступає в хімічну реакцію з поглинутими речовинами, а лише утримує їх на своїй поверхні.

Розгляньмо типові завдання НМТ на тему алотропії й адсорбції. Кожен приклад супроводжується покроковим розв'язанням.

Приклад 1. Пара алотропних модифікацій

Завдання: Яка пара речовин є алотропними модифікаціями одного елемента?

• А) ¹²C і ¹⁴C

• Б) CO і CO₂

• В) білий і червоний фосфор

• Г) вода й лід

Розв'язання: Алотропні модифікації — це різні прості речовини одного хімічного елемента. Перевіряємо кожну пару:

• ¹²C і ¹⁴C — ізотопи (різновиди атомів Карбону з різною кількістю нейтронів), а не прості речовини. Не алотропи.

• CO і CO₂ — різні складні речовини (оксиди Карбону). Не алотропи.

• Білий і червоний фосфор — дві прості речовини, утворені атомами Фосфору. Це алотропні модифікації.

• Вода й лід — агрегатні стани однієї речовини (H₂O). Не алотропи.

Відповідь: В) білий і червоний фосфор.

Чому інші варіанти неправильні: А — ізотопи, а не прості речовини; Б — складні речовини, а не прості; Г — агрегатні стани, а не різні прості речовини.

Приклад 2. Алотропна модифікація — властивість

Завдання: Установіть відповідність між алотропною модифікацією (1–3) та її властивістю (А–Д).

1 графіт, 2 алмаз, 3 білий фосфор.

А найтвердіша природна речовина, не проводить струму; Б м'який, проводить електричний струм; В світиться в темряві й самозаймається на повітрі; Г блакитний газ з різким запахом; Д жовті кристали, стійкі за звичайних умов.

Розв'язання: Згадуємо властивості кожної модифікації.

• Графіт (1) — м'який, сіро-чорний, проводить струм. Підходить Б.

• Алмаз (2) — найтвердіша природна речовина, прозорий, не проводить струму. Підходить А.

• Білий фосфор (3) — світиться в темряві, самозаймається на повітрі. Підходить В.

Відповідь: 1 — Б, 2 — А, 3 — В.

Г (блакитний газ) — це озон O₃, а Д (жовті кристали) — ромбічна сірка. Ці варіанти зайві.

Приклад 3. Дія вугільного протигаза

Завдання: На якому явищі ґрунтується дія вугільного протигаза?

• А) розчинення отруйних газів у воді

• Б) хімічна реакція вугілля з газами з утворенням CO₂

• В) адсорбція отруйних речовин поверхнею вугілля

• Г) нейтралізація газів лугом

Розв'язання: Вугільний протигаз, винайдений М. Д. Зелінським, містить шар активованого вугілля. Отруйні гази поглинаються величезною поверхнею пор вугілля — це адсорбція. Вугілля не вступає з газами в хімічну реакцію (не утворює CO₂), не розчиняє їх у воді й не нейтралізує лугом.

Відповідь: В) адсорбція отруйних речовин поверхнею вугілля.

Приклад 4. Горіння алмазу

Завдання: Яка речовина утвориться, якщо алмаз спалити в надлишку кисню?

• А) CO

• Б) CO₂

• В) C₆₀

• Г) алмаз не горить

Розв'язання: Алмаз — алотропна модифікація Карбону. Усі модифікації Карбону (алмаз, графіт, фулерени) згоряють у надлишку кисню з утворенням вуглекислого газу CO₂: C + O₂ → CO₂. CO утворюється при неповному згорянні. C₆₀ — це фулерен, а не продукт горіння. Алмаз горить, хоча для цього потрібна висока температура.

Відповідь: Б) CO₂.

Під час вивчення теми учні часто припускаються однакових помилок через нерозуміння суті алотропії та адсорбції. Ось найпоширеніші пастки.

• Вважати алотропами ізотопи (¹²C і ¹³C). Ізотопи — це різновиди атомів одного елемента з різною кількістю нейтронів, а не різні прості речовини. Алотропія стосується саме простих речовин, а не атомів.

• Вважати алотропами CO і CO₂ чи H₂O і H₂O₂. Це різні складні речовини (сполуки), утворені тими самими елементами. Алотропія — явище лише серед простих речовин.

• Вважати, що алотропні модифікації мають однакові фізичні властивості. Навпаки: алмаз і графіт різняться твердістю, кольором, електропровідністю. Алотропи можуть бути зовсім несхожими.

• Плутати адсорбцію (поглинання поверхнею) з абсорбцією (поглинання всім об'ємом) чи з хімічною реакцією. Адсорбція — фізичне явище, а не хімічне перетворення.

• Приписувати червоному фосфору властивості білого: отруйність, світіння в темряві, самозаймання на повітрі. Червоний фосфор неотруйний, не світиться й не самозаймається.

• Вважати озон сполукою Оксигену з іншим елементом або ізотопом Оксигену. Озон O₃ — це проста речовина, алотропна модифікація Оксигену, а не сполука.

Тема «Алотропія неметалічних елементів і адсорбція» входить до розділу 2.1.1 програми НМТ з хімії. Розгляньмо, у яких завданнях вона може з'явитися.

Що перевіряє програма

Програма НМТ (тема 2.1.1) вимагає пояснювати алотропію Оксигену, Сульфуру, Карбону й Фосфору та адсорбцію на прикладі активованого вугілля, наводити приклади алотропних модифікацій.

Формати завдань

• Вибір однієї відповіді з чотирьох (№ 1–18, 1 бал) — наприклад, «Яка пара речовин є алотропними модифікаціями одного елемента?» або «На якому явищі ґрунтується дія вугільного протигаза?».

• Логічні пари 1–3 → А–Д (№ 19–20, 0–3 бали, по 1 балу за пару) — «модифікація → властивість чи застосування». Дві букви зайві.

У демоваріанті НМТ 2026 року завдання 1 (вибір однієї відповіді, 1 бал; тема 1.1) вимагає вибрати формулу складної речовини з триатомною молекулою. Озон O₃ там — пастка: його молекула теж триатомна, але це проста речовина (як і O₂, P₄, S₈, молекули яких також багатоатомні).

Стратегія виконання

Якщо в завданні просять знайти пару алотропних модифікацій, дій за алгоритмом:

1. Відкинь ізотопи (¹²C, ¹³C, ¹⁴C) — це різновиди атомів, а не прості речовини.

2. Відкинь складні речовини (CO, CO₂, H₂O, H₂O₂) — алотропія стосується лише простих речовин.

3. Відкинь агрегатні стани однієї речовини (лід, вода, пара) — це не різні речовини.

4. Серед решти шукай дві прості речовини, утворені атомами одного елемента.

Пам'ятай: алотропні модифікації одного елемента згоряють з утворенням того самого оксиду. Це може стати додатковою підказкою в завданні.

Тут зібрано відповіді на найпоширеніші запитання, які виникають під час вивчення алотропії й адсорбції.

• Алотропія — здатність елемента утворювати кілька простих речовин — алотропних модифікацій.

• Причини алотропії: різний склад молекул (O₂ і O₃) або різна будова кристала (алмаз і графіт; ромбічна й моноклінна сірка; білий і червоний фосфор).

• Алотропні модифікації різняться фізичними властивостями, але згоряють з утворенням того самого оксиду (CO₂ для Карбону, P₂O₅ для Фосфору).

• Не є алотропією: ізотопи (¹²C і ¹⁴C), різні сполуки (CO і CO₂, H₂O і H₂O₂), агрегатні стани однієї речовини (лід і вода).

• Адсорбція — поглинання речовин поверхнею твердого тіла (адсорбенту); не плутати з абсорбцією (поглинання всім об'ємом).

• Активоване вугілля — пористий вуглець з величезною площею поверхні; застосування: протигаз (М. Д. Зелінський, 1915), медицина при отруєннях, фільтри для води й повітря, очищення цукрового сиропу.