Углерод

В свободном состоянии углерод образует 3 аллотропные модификации: алмаз, графит и искусственно получаемый карбин.

В кристалле алмаза каждый атом углерода связан прочными ковалентными связями с четырьмя другими, размещенными вокруг него на одинаковых расстояниях.

Все атомы углерода находятся в состоянии sp 3 -гибридизации. Атомная кристаллическая решетка алмаза имеет тетраэдрическое строение.

Алмаз - бесцветное, прозрачное, сильно преломляющее свет вещество. Отличается самой большой твердостью среди всех известных веществ. Алмаз хрупкий, тугоплавкий, плохо проводит тепло и электрический ток. Небольшие расстояния между соседними атомами углерода (0,154 нм) обусловливают довольно большую плотность алмаза (3,5 г/см 3).

В кристаллической решетке графита каждый атом углерода находится в состоянии sp 2 -гибридизации и образует три прочные ковалентные связи с атомами углерода, расположенными в том же слое. В образовании этих связей участвуют по три электрона каждого атома, углерода, а четвертые валентные электроны образуют л-связи и являются относительно свободными (подвижными). Они обусловливают электро- и теплопроводность графита.

Длина ковалентной связи между соседними атомами углерода в одной плоскости равна 0,152 нм, а расстояние между атомами С в различных слоях больше в 2,5 раза, поэтому связи между ними слабые.

Графит - непрозрачное, мягкое, жирное на ощупь вещество серо-черного цвета с металлическим блеском; хорошо проводит тепло и электрический ток. Графит имеет меньшую плотность по сравнению с алмазом, легко расщепляется на тонкие чешуйки.

Разупорядоченная структура мелкокристаллического графита лежит в основе строения различных форм аморфного углерода, важнейшими из которых являются кокс, бурые и каменные угли, сажа, активированный (активный) уголь.

Эту аллотропную модификацию углерода получают каталитическим окислением (дегидрополиконденсацией) ацетилена. Карбин - цепочечный полимер, имеющий две формы:

С=С-С=С-... и...=С=С=С=

Карбин обладает полупроводниковыми свойствами.

При обычной температуре обе модификации углерода (алмаз и графит) химически инертны. Мелкокристаллические формы графита - кокс, сажа, активированный уголь - более реакционноспособны, но, как правило, после их предварительного нагревания до высокой температуры.

1. Взаимодействие с кислородом

С + O 2 = СO 2 + 393,5 кДж (в избытке O 2)

2С + O 2 = 2СО + 221 кДж (при недостатке O 2)

Сжигание угля - один из важнейших источников энергии.

2. Взаимодействие с фтором и серой.

С + 2F 2 = CF 4 тетрафторид углерода

С + 2S = CS 2 сероуглерод

3. Кокс - один из важнейших восстановителей, используемых в промышленности. В металлургии с его помощью получают металлы из оксидов, например:

ЗС + Fe 2 O 3 = 2Fe + ЗСО

С + ZnO = Zn + СО

4. При взаимодействии углерода с оксидами щелочных и щелочноземельных металлов восстановленный металл, соединяясь с углеродом, образует карбид. Например: ЗС + СаО = СаС 2 + СО карбид кальция

5. Кокс применяется также для получения кремния:

2С + SiO 2 = Si + 2СО

6. При избытке кокса образуется карбид кремния (карборунд) SiC.

Получение «водяного газа» (газификация твердого топлива)

Пропусканием водяного пара через раскаленный уголь получают горючую смесь СО и Н 2 , называемую водяным газом:

С + Н 2 О = СО + Н 2

7. Реакции с окисляющими кислотами.

Активированный или древесный уголь при нагревании восстанавливает анионы NO 3 - и SO 4 2- из концентрированных кислот:

С + 4HNO 3 = СO 2 + 4NO 2 + 2Н 2 О

С + 2H 2 SO 4 = СO 2 + 2SO 2 + 2Н 2 О

8. Реакции с расплавленными нитратами щелочных металлов

В расплавах KNO 3 и NaNO 3 измельченный уголь интенсивно сгорает с образованием ослепительного пламени:

5С + 4KNO 3 = 2К 2 СO 3 + ЗСO 2 + 2N 2

1. Образование солеобразных карбидов с активными металлами.

Значительное ослабление неметаллических свойств у углерода выражается в том, что функции его как окислителя проявляются в гораздо меньшей степени, чем восстановительные функции.

2. Только в реакциях с активными металлами атомы углерода переходят в отрицательно заряженные ионы С -4 и (С=С) 2- , образуя солеобразные карбиды:

ЗС + 4Al = Аl 4 С 3 карбид алюминия

2С + Са = СаС 2 карбид кальция

3. Карбиды ионного типа - очень нестойкие соединения, они легко разлагаются под действием кислот и воды, что свидетельствует о неустойчивости отрицательно заряженных анионов углерода:

Аl 4 С 3 + 12Н 2 О = ЗСН 4 + 4Аl(ОН) 3

СаС 2 + 2Н 2 О = С 2 Н 2 + Са(ОН) 2

4. Образование ковалентных соединений с металлами

В расплавах смесей углерода с переходными металлами образуются карбиды преимущественно с ковалентный типом связи. Молекулы их имеют переменный состав, а вещества в целом близки к сплавам. Такие карбиды отличаются высокой устойчивостью, они химически инертны по отношению к воде, кислотам, щелочам и многим другим реагентам.

5. Взаимодействие с водородом

При высоких Т и Р, в присутствии никелевого катализатора, углерод соединяется с водородом:

С + 2Н 2 → СН 4

Реакция очень обратима и не имеет практического значения.

Оксид углерода(II) – СО

(угарный газ , окись углерода , монооксид углерода )

Физические свойства: бесцветный ядовитый газ без вкуса и запаха, горит голубоватым пламенем, легче воздуха, плохо растворим в воде. Концентрация угарного газа в воздухе 12,5-74 % взрывоопасна.

Получение:

1) В промышленности

C + O 2 = CO 2 + 402 кДж

CO 2 + C = 2CO – 175 кДж

В газогенераторах иногда через раскалённый уголь продувают водяной пар:

С + Н 2 О = СО + Н 2 – Q,

смесь СО + Н 2 – называется синтез – газом .

2) В лаборатории - термическим разложением муравьиной или щавелевой кислоты в присутствии H 2 SO 4 (конц.):

HCOOH t˚C, H2SO4 → H 2 O + CO­

H 2 C 2 O 4 t˚C,H2SO4 → CO­ + CO 2 ­ + H 2 O

Химические свойства:

При обычных условиях CO инертен; при нагревании – восстановитель;

CO - несолеобразующий оксид .

1) с кислородом

2C +2 O + O 2 t ˚ C → 2C +4 O 2

2) с оксидами металлов CO + Me x O y = CO 2 + Me

C +2 O + CuO t ˚ C → Сu + C +4 O 2

3) с хлором (на свету)

CO + Cl 2 свет → COCl 2 (фосген – ядовитый газ)

4)* реагирует с расплавами щелочей (под давлением)

CO + NaOH P → HCOONa (формиат натрия)

Влияние угарного газа на живые организмы:

Угарный газ опасен, потому что он лишает возможности кровь нести кислород к жизненно важным органам, таким как сердце и мозг. Угарный газ объединяется с гемоглобином, который переносит кислород к клеткам организма, в следствии чего тот становится непригодным для транспортировки кислорода. В зависимости от вдыхаемого количества, угарный газ ухудшает координацию, обостряет сердечно-сосудистые заболевания и вызывает усталость, головную боль, слабость, Влияние угарного газа на здоровье человека зависит от его концентрации и времени воздействия на организм. Концентрация угарного газа в воздухе более 0,1% приводит к смерти в течение одного часа, а концентрация более 1,2% в течении трех минут.

Применение оксида углерода:

Главным образом угарный газ применяют, как горючий газ в смеси с азотом, так называемый генераторный или воздушный газ, или же в смеси с водородом водяной газ. В металлургии для восстановления металлов из их руд. Для получения металлов высокой чистоты при разложении карбонилов.

Оксид углерода (IV) СO2 – углекислый газ

Физические свойства: Углекислый газ, бесцветный, без запаха, растворимость в воде - в 1V H 2 O растворяется 0,9V CO 2 (при нормальных условиях); тяжелее воздуха; t°пл.= -78,5°C (твёрдый CO 2 называется "сухой лёд"); не поддерживает горение.

Строение молекулы:

Углекислый газ имеет следующие электронную и структурную формулы -

3. Сгорание углеродсодержащих веществ:

СН 4 + 2О 2 → 2H 2 O + CO 2 ­

4. При медленном окислении в биохимических процессах (дыхание, гниение, брожение)

Химические свойства:

  • Обозначение - C (Carbon);
  • Период - II;
  • Группа - 14 (IVa);
  • Атомная масса - 12,011;
  • Атомный номер - 6;
  • Радиус атома = 77 пм;
  • Ковалентный радиус = 77 пм;
  • Распределение электронов - 1s 2 2s 2 2p 2 ;
  • t плавления = 3550°C;
  • t кипения = 4827°C;
  • Электроотрицательность (по Полингу/по Алпреду и Рохову) = 2,55/2,50;
  • Степень окисления: +4, +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3, -4;
  • Плотность (н. у.) = 2,25 г/см 3 (графит);
  • Молярный объем = 5,3 см 3 /моль.
Соединения углерода:

Углерод в виде древесного угля известен человеку с незапамятных времен, поэтому, о дате его открытия говорить не имеет смысла. Собственно свое название "углерод" получил в 1787 году, когда была опубликована книга "Метод химической номенклатуры", в которой вместо французского названия «чистый уголь» (charbone pur) появился термин «углерод» (carbone).

Углерод обладает уникальной способностью образовывать полимерные цепочки неограниченной длины, порождая тем самым огромный класс соединений, изучением которых занимается отдельный раздел химии - органическая химия. Органические соединения углерода лежат в основе земной жизни, поэтому, о важности углерода, как химического элемента, говорить не имеет смысла - он основа жизни на Земле.

Сейчас рассмотрим углерод с точки зрения неорганической химии.


Рис. Строение атома углерода .

Электронная конфигурация углерода - 1s 2 2s 2 2p 2 (см. Электронная структура атомов). На внешнем энергетическом уровне у углерода находятся 4 электрона: 2 спаренных на s-подуровне + 2 неспаренных на p-орбиталях. При переходе атома углерода в возбужденное состояние (требует энергетических затрат) один электрон с s-подуровня "покидает" свою пару и переходит на p-подуровень, где имеется одна свободная орбиталь. Т. о., в возбужденном состоянии электронная конфигурация атома углерода приобретает следующий вид: 1s 2 2s 1 2p 3 .


Рис. Переход атома углерода в возбужденное состояние.

Такая "рокировка" существенно расширяет валентные возможности атомов углерода, которые могут принимать степень окисления от +4 (в соединениях с активными неметаллами) до -4 (в соединениях с металлами).

В невозбужденном состоянии атом углерода в соединениях имеет валентность 2, например, CO(II), а в возбужденном - 4: CO 2 (IV).

"Уникальность" атома углерода заключается в том, что на его внешнем энергетическом уровне находятся 4 электрона, поэтому, для завершения уровня (к чему, собственно, стремятся атомы любого химического элемента) он может с одинаковым "успехом", как отдавать, так и присоединять электроны с образованием ковалентных связей (см. Ковалентная связь).

Углерод, как простое вещество

Как простое вещество углерод может находиться в виде нескольких аллотропных модификаций:

  • Алмаз
  • Графит
  • Фуллерен
  • Карбин

Алмаз


Рис. Кристаллическая решетка алмаза.

Свойства алмаза :


Рис. Тетраэдр алмаза.

Исключительная твердость алмаза объясняется строением его кристаллической решетки, которая имеет форму тетраэдра - в центре тетраэдра находится атом углерода, который связан равноценно прочными связями с четырьмя соседними атомами, образующими вершины тетраэдра (см. рисунок выше). Такая "конструкция" в свою очередь связана с соседними тетраэдрами.

Графит


Рис. Кристаллическая решетка графита.

Свойства графита:

  • мягкое кристаллическое вещество серого цвета слоистой структуры;
  • обладает металлическим блеском;
  • хорошо проводит электричество.

В графите атомы углерода образуют правильные шестиугольники, лежащие в одной плоскости, организованные в бесконечные слои.

В графите химические связи между соседними атомами углерода образованы за счет трех валентных электронов каждого атома (изображены синим цветом на рисунке ниже), при этом четвертый электрон (изображен красным цветом) каждого атома углерода, расположенный на p-орбитали, лежащей перпендикулярно плоскости слоя графита, не участвует в образовании ковалентных связей в плоскости слоя. Его "предназначение" заключается в другом - взаимодействуя со своим "собратом", лежащим в соседнем слое, он обеспечивает связь между слоями графита, а высокая подвижность p-электронов обусловливает хорошую электропроводность графита.


Рис. Распределение орбиталей атома углерода в графите.

Фуллерен


Рис. Кристаллическая решетка фуллерена.

Свойства фуллерена:

  • молекула фуллерена представляет собой совокупность атомов углерода, замкнутых в полые сферы типа футбольного мяча;
  • это мелкокристаллическое вещество желто-оранжевого цвета;
  • температура плавления = 500-600°C;
  • полупроводник;
  • входит в состав минерала шунгита.

Карбин

Свойства карбина:

  • инертное вещество черного цвета;
  • состоит из полимерных линейных молекул, в которых атомы связаны чередующимися одинарными и тройными связями;
  • полупроводник.

Химические свойства углерода

При нормальных условиях углерод является инертным веществом, но при нагревании может реагировать с разнообразными простыми и сложными веществами.

Выше уже было сказано, что на внешнем энергетическом уровне углерода находится 4 электрона (ни туда, ни сюда), поэтому углерод может, как отдавать электроны, так и принимать их, проявляя в одних соединениях восстановительные свойства, а в других - окислительные.

Углерод является восстановителем в реакциях с кислородом и другими элементами, имеющими более высокую электроотрицательность (см. таблицу электроотрицательности элементов):

  • при нагревании на воздухе горит (при избытке кислорода с образованием углекислого газа; при его недостатке - оксида углерода(II)):
    C + O 2 = CO 2 ;
    2C + O 2 = 2CO.
  • реагирует при высоких температурах с парами серы, легко взаимодействует с хлором, фтором:
    C + 2S = CS 2
    C + 2Cl 2 = CCl 4
    2F 2 + C = CF 4
  • при нагревании восстанавливает из оксидов многие металлы и неметаллы:
    C 0 + Cu +2 O = Cu 0 + C +2 O;
    C 0 +C +4 O 2 = 2C +2 O
  • при температуре 1000°C реагирует с водой (процесс газификации), с образованием водяного газа:
    C + H 2 O = CO + H 2 ;

Углерод проявляет окислительные свойства в реакциях с металлами и водородом:

  • реагирует с металлами с образованием карбидов:
    Ca + 2C = CaC 2
  • взаимодействуя с водородом, углерод образует метан:
    C + 2H 2 = CH 4

Углерод получают термическим разложением его соединений или пиролизом метана (при высокой температуре):
CH 4 = C + 2H 2 .

Применение углерода

Соединения углерода нашли самое широкое применение в народном хозяйстве, перечислить все их не представляется возможным, укажем только некоторые:

  • графит применяется для изготовления грифелей карандашей, электродов, плавильных тиглей, как замедлитель нейтронов в ядерных реакторах, как смазочный материал;
  • алмазы применяются в ювелирном деле, в качестве режущего инструмента, в буровом оборудовании, как абразивный материал;
  • в качестве восстановителя углерод используют для получения некоторых металлов и неметаллов (железа, кремния);
  • углерод составляет основную массу активированного угля, который нашел широчайшее применение, как в быту (например, в качестве адсорбента для очистки воздуха и растворов), так и в медицине (таблетки активированного угля) и в промышленности (в качестве носителя для каталитических добавок, катализатора полимеризации и проч.).

Оксид углерода (IV), угольная кислота и их соли

Комплексная цель модуля: знать способы получения оксида и гидроксида углерода (IV); описывать их физические свойства; знать характеристику кислотно-основных свойств; давать характеристику окислительно-восстановительных свойств.

Все элементы подгруппы углерода образуют оксиды с общей формулой ЭО 2 . СО 2 и SiО 2 проявляют кислотные свойства, GeО 2 , SnО 2 , PbО 2 проявляют амфотерные свойства с преобладанием кислотных, причем в подгруппе сверху вниз кислотные свойства ослабевают.

Степень окисления (+4) для углерода и кремния очень стабильна, поэтому окислительные свойства соединения проявляют с большим трудом. В подгруппе германия окислительные свойства соединений (+4) усиливаются, в связи с дестабилизацией высшей степени окисления.

Оксид углерода (IV), угольная кислота и их соли

Диоксид углерода СО 2 (углекислый газ) - при обычных условиях это газ без цвета и запаха, слегка кисловатого вкуса, тяжелее воздуха примерно в 1,5 раза, растворим в воде, достаточно легко сжижается - при комнатной температуре его модно превратить в жидкость под давлением около 60 10 5 Па. При охлаждении до?56,2єС жидкий диоксид углерода затвердевает и превращается в снегообразную массу.

Во всех агрегатных состояниях состоит из неполярных линейных молекул. Химическое строение СО 2 определяется sp-гибридизацией центрального атома углерода и образованием дополнительных р р-р -связей: О = С = О

Некоторая часть растворенного в воле СО 2 взаимодействует с ней сообразованием угольной кислоты

СО 2 + Н 2 О - СО 2 Н 2 О - Н 2 СО 3 .

Углекислый газ очень легко поглощается растворами щелочей с образованием карбонатов и гидрокарбонатов:

СО 2 + 2NaOH = Na 2 CO 3 + H 2 O;

СО 2 + NaOH = NaHCO 3 .

Молекулы СО 2 очень устойчивы термически, распад начинается только при температуре 2000єС. Поэтому диоксид углерода не горит и не поддерживает горения обычного топлива. Но в его атмосфере горят некоторые простые вещества, атомы которых проявляют большое сродство к кислороду, например, магний при нагревании загорается в атмосфере СО 2 .

Угольная кислота и ее соли

Угольная кислота H 2 CO 3 - соединение непрочное, существует только в водных растворах. Большая часть растворенного в воде углекислого газа находится в виде гидратированных молекул CO 2 , меньшая - образует угольную кислоту.

Водные растворы, находящиеся в равновесии с CO 2 атмосферы, являются кислыми: = 0,04 М и рН? 4.

Угольная кислота - двухосновная, относится к слабым электролитам, диссоциирует ступенчато (К 1 = 4, 4 10 ?7 ; К 2 = 4, 8 10 ?11). При растворении CO 2 в воде устанавливается следующее динамическое равновесие:

H 2 O + CO 2 - CO 2 H 2 O - H 2 CO 3 - H + + HCO 3 ?

При нагревании водного раствора углекислого газа растворимость газа понижается, CO 2 выделяется из раствора, и равновесие смещается влево.

Соли угольной кислоты

Будучи двухосновной, угольная кислота образует два ряда солей: средние соли (карбонаты) и кислые (гидрокарбонаты). Большинство солей угольной кислоты бесцветны. Из карбонатов растворимы в воде лишь соли щелочных металлов и аммония.

В воде карбонаты подвергаются гидролизу, и поэтому их растворы имеют щелочную реакцию:

Na 2 CO 3 + H 2 O - NaHCO 3 + NaOH.

Дальнейший гидролиз с образованием угольной кислоты в обычных условиях практически не идет.

Растворение в воде гидрокарбонатов также сопровождается гидролизом, но в значительно меньшей степени, и среда создается слабощелочная (рН? 8).

Карбонат аммония (NH 4) 2 CO 3 отличается большой летучестью при повышенной и даже обычной температуре, особенно в присутствии паров воды, которые вызывают сильный гидролиз

Сильные кислоты и даже слабая уксусная кислота вытесняют из карбонатов угольную кислоту:

K 2 CO 3 + H 2 SO 4 = K 2 SO 4 + H 2 O + CO 2 ^.

В отличие от большинства карбонатов, все гидрокарбонаты в воде растворимы. Они менее устойчивы, чем карбонаты тех же металлов и при нагревании легко разлагаются, превращаясь в соответствующие карбонаты:

2KHCO 3 = K 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 ^;

Ca(HCO 3) 2 = CaCO 3 + H 2 O + CO 2 ^.

Сильными кислотами гидрокарбонаты разлагаются, как и карбонаты:

KHCO 3 + H 2 SO 4 = KHSO 4 + H 2 O + CO 2

Из солей угольной кислоты наибольшее значение имеют: карбонат натрия (сода), карбонат калия (поташ), карбонат кальция (мел, мрамор, известняк), гидрокарбонат натрия (питьевая сода) и основной карбонат меди (CuOH) 2 CO 3 (малахит).

Основные соли угольной кислоты в воде практически нерастворимы и при нагревании легко разлагаются:

(CuOH) 2 CO 3 = 2CuO + CO 2 + H 2 O.

Вообще термическая устойчивость карбонатов зависит от поляризационных свойств ионов, входящих в состав карбоната. Чем больше поляризующее действие оказывает катион на карбонат-ион, тем ниже температура разложения соли. Если катион способен легко деформироваться, то карбонат-ион сам также будет оказывать поляризующее действие на катион, что приведет к резкому снижению температуры разложения соли.

Карбонаты натрия и калия плавятся без разложения, а большинство остальных карбонатов при нагревании разлагаются на оксид металла и углекислый газ.

(IV ) (СО 2 , диоксид углерода, углекислый газ) представляет собой бесцветный газ без вкуса и запаха, который тяжелее воздуха и растворим в воде .

В обычных условиях твердый диоксид углерода переходит сразу в газообразное состояние, минуя состояние жидкости.

При большом количестве оксид углерода люди начинают задыхаться. Концентрация более 3% приводит к учащенному дыханию, а свыше 10 % наблюдается потеря сознания и смерть.

Химические свойства оксида углерода.

Оксид углерода - это ангидрид угольной кислоты Н 2 СО 3 .

Если пропускать оксид углерода через гидроксид кальция (известковая вода), то наблюдается выпадение осадка белого цвета:

Ca (OH ) 2 + CO 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O,

Если углекислый газ взят в избытке, то наблюдается образование гидрокарбонатов, которые растворяются в воде:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca(HCO 3) 2 ,

Которые потом распадаются при нагревании:

2KNCO 3 = K 2 CO 3 + H 2 O + CO 2

Применение оксида углерода.

Используют диоксид углерода в различных областях промышленности. В химическом производстве - как хладагент.

В пищевой промышленности используют его как консервант Е290. Хоть ему и присвоили «условно безопасный», на самом деле это не так. Медики доказали, что частое употребление в пищу Е290 приводит к накоплению токсичного ядовитого соединения. Поэтому надо внимательнее читать этикетки на продуктах.