Јаглерод

Во слободна состојба, јаглеродот формира 3 алотропни модификации: дијамант, графит и вештачки произведен карбин.

Во дијамантски кристал, секој јаглероден атом е поврзан со силни ковалентни врски со четири други поставени околу него на еднакви растојанија.

Сите јаглеродни атоми се во состојба на sp 3 хибридизација. Атомската кристална решетка од дијамант има тетраедрална структура.

Дијамантот е безбојна, проѕирна супстанција со силно прекршување. Има најголема цврстина меѓу сите познати супстанции. Дијамантот е кршлив, огноотпорен, слабо ја спроведува топлината и електрична енергија. Малите растојанија помеѓу соседните јаглеродни атоми (0,154 nm) ја одредуваат прилично високата густина на дијамантот (3,5 g/cm3).

Во кристалната решетка од графит, секој јаглероден атом е во состојба на хибридизација sp 2 и формира три силни ковалентни врски со јаглеродни атоми лоцирани во истиот слој. Три електрони од секој јаглероден атом учествуваат во формирањето на овие врски, а четвртите валентни електрони формираат n-врски и се релативно слободни (подвижни). Тие ја одредуваат електричната и топлинската спроводливост на графитот.

Должината на ковалентната врска помеѓу соседните јаглеродни атоми во иста рамнина е 0,152 nm, а растојанието помеѓу атомите C во различни слоеви е 2,5 пати поголемо, така што врските меѓу нив се слаби.

Графитот е непроѕирна, мека, мрсна на допир супстанција со сиво-црна боја со метален сјај; добро спроведува топлина и електрична енергија. Графитот има помала густина во споредба со дијамантот и лесно се дели на тенки снегулки.

Нарушената структура на фино-кристалниот графит лежи во основата на структурата различни формиаморфен јаглерод, од кои најважни се кокс, кафеав и црн јаглен, саѓи, активен (активен) јаглерод.

Оваа алотропна модификација на јаглеродот се добива со каталитичка оксидација (дехидрополикондензација) на ацетилен. Carbyne е полимер со синџир кој доаѓа во две форми:

С=С-С=С-... и...=С=С=С=

Карбинот има полупроводнички својства.

При обични температури, двете модификации на јаглеродот (дијамант и графит) се хемиски инертни. Фино-кристалните форми на графит - кокс, саѓи, активен јаглен - се пореактивни, но, по правило, откако претходно ќе се загреат на висока температура.

1. Интеракција со кислород

C + O 2 = CO 2 + 393,5 kJ (во вишок O 2)

2C + O 2 = 2CO + 221 kJ (со недостаток на O 2)

Согорувањето на јагленот е еден од најважните извори на енергија.

2. Интеракција со флуор и сулфур.

C + 2F 2 = CF 4 јаглерод тетрафлуорид

C + 2S = CS 2 јаглерод дисулфид

3. Кока-колата е едно од најважните редуцирачки агенси кои се користат во индустријата. Во металургијата, се користи за добивање метали од оксиди, на пример:

ZS + Fe 2 O 3 = 2Fe + ZSO

C + ZnO = Zn + CO

4. Кога јаглеродот е во интеракција со оксидите на алкалните и земноалкалните метали, редуцираниот метал се комбинира со јаглеродот и формира карбид. На пример: 3S + CaO = CaC 2 + CO калциум карбид

5. Коксот се користи и за производство на силициум:

2C + SiO 2 = Si + 2СО

6. Ако има вишок на кокс, се формира силициум карбид (карборунд) SiC.

Производство на „воден гас“ (гасификација на цврсто гориво)

Со поминување на водена пареа низ врел јаглен, се добива запалива смеса од CO и H 2, наречена воден гас:

C + H 2 O = CO + H 2

7. Реакции со оксидирачки киселини.

Активниот јаглерод или јаглен, кога се загреваат, ги намалуваат анјоните NO 3 - и SO 4 2- од концентрирани киселини:

C + 4HNO 3 = CO 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

C + 2H 2 SO 4 = CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O

8. Реакции со стопени нитрати алкални метали

При топење на KNO 3 и NaNO 3, кршен јаглен интензивно гори со формирање на блескав пламен:

5C + 4KNO 3 = 2K 2 CO 3 + ZCO 2 + 2N 2

1. Формирање на карбиди слични на сол со активни метали.

Значително слабеење на неметалните својства на јаглеродот се изразува во фактот што неговите функции како оксидирачки агенс се манифестираат во многу помала мера од неговите редукциони функции.

2. Само при реакции со активни метали атомите на јаглеродот се трансформираат во негативно наелектризирани јони C-4 и (C=C) 2-, формирајќи карбиди слични на сол:

ZS + 4Al = Al 4 C 3 алуминиум карбид

2C + Ca = CaC 2 калциум карбид

3. Јонските карбиди се многу нестабилни соединенија, тие лесно се распаѓаат под дејство на киселини и вода, што укажува на нестабилност на негативно наелектризираните јаглеродни анјони:

Al 4 C 3 + 12H 2 O = ZSN 4 + 4Al (OH) 3

CaC 2 + 2H 2 O = C 2 H 2 + Ca(OH) 2

4. Формирање на ковалентни соединенија со метали

Во топи мешавини од јаглерод со преодни металикарбидите се формираат главно од ковалентен типкомуникации. Нивните молекули имаат променлив состав, а супстанциите како целина се блиску до легурите. Таквите карбиди се многу стабилни; тие се хемиски инертни во однос на водата, киселините, алкалите и многу други реагенси.

5. Интеракција со водород

При високи T и P, во присуство на никел катализатор, јаглеродот се комбинира со водородот:

C + 2H 2 → CH 4

Реакцијата е многу реверзибилна и нема практично значење.

Јаглерод (II) моноксид– СО

(јаглерод моноксид, јаглерод моноксид, јаглерод моноксид)

Физички својства:безбоен, отровен гас, без вкус и мирис, гори со синкав пламен, полесен од воздухот, слабо растворлив во вода. Концентрацијата на јаглерод моноксид во воздухот е 12,5-74% експлозивна.

Потврда:

1) Во индустријата

C + O 2 = CO 2 + 402 kJ

CO 2 + C = 2CO – 175 kJ

Во генераторите на гас, водена пареа понекогаш се дува низ врел јаглен:

C + H 2 O = CO + H 2 - Q,

мешавина од CO + H 2 се нарекува синтезен гас.

2) Во лабораторија- термичко распаѓање на мравја или оксална киселина во присуство на H 2 SO 4 (конц.):

HCOOH t˚C, H2SO4 → H2O+CO

H2C2O4 t˚C, H2SO4 → CO + CO 2 + H 2 O

Хемиски својства:

Во нормални услови, CO е инертен;кога се загрева - средство за намалување;

CO - оксид што не формира сол.

1) со кислород

2C +2 O + O 2 t ˚ C → 2C +4 O 2

2) со метални оксиди CO + Me x O y = CO 2 + Me

C +2 O + CuO t ˚ C → Сu + C +4 O 2

3) со хлор (на светлина)

CO + Cl 2 светлина → COCl 2 (фосген - отровен гас)

4)* реагира со алкално топење (под притисок)

CO + NaOH P → HCOONa (натриум формат)

Ефектот на јаглерод моноксид врз живите организми:

Јаглерод моноксидот е опасен бидејќи ја спречува крвта да носи кислород до виталните органи како што се срцето и мозокот. Јаглерод моноксид се комбинира со хемоглобинот, кој носи кислород до клетките на телото, што го прави телото несоодветно за транспорт на кислород. Во зависност од количината што се вдишува, јаглерод моноксидот ја нарушува координацијата, ги влошува кардиоваскуларните заболувања и предизвикува замор, главоболки и слабост.Ефектот на јаглерод моноксидот врз здравјето на луѓето зависи од неговата концентрација и времето на изложување на телото. Концентрацијата на јаглерод моноксид во воздухот од повеќе од 0,1% доведува до смрт во рок од еден час, а концентрација од повеќе од 1,2% во рок од три минути.

Примени на јаглерод моноксид:

Јаглерод моноксид главно се користи како запалив гас помешан со азот, таканаречен генератор или воздушен гас или воден гас помешан со водород. Во металургијата за искористување на металите од нивните руди. Да се ​​добијат метали со висока чистота од распаѓањето на карбонилите.

Јаглерод моноксид (IV) CO2 – јаглерод диоксид

Физички својства:Јаглерод диоксид, безбоен, без мирис, растворливост во вода - 0,9V CO 2 се раствора во 1V H 2 O (на нормални услови); потежок од воздухот; t°pl = -78,5°C (цврстиот CO 2 се нарекува „сув мраз“); не поддржува согорување.

Структура на молекулата:

Јаглерод диоксидот ги има следните електронски и структурна формула -

3. Согорување на супстанции што содржат јаглерод:

CH 4 + 2O 2 → 2H2O + CO2

4. Кога бавна оксидацијаво биохемиските процеси (дишење, распаѓање, ферментација)

Хемиски својства:

  • Ознака - C (јаглерод);
  • Период - II;
  • Група - 14 (IVa);
  • Атомска маса - 12,011;
  • Атомски број - 6;
  • Атомски радиус = 77 часот;
  • Ковалентен радиус = 77 часот;
  • Дистрибуција на електрони - 1s 2 2s 2 2p 2;
  • температура на топење = 3550°C;
  • точка на вриење = 4827 ° C;
  • Електронегативност (според Полинг/според Алпред и Рохоу) = 2,55/2,50;
  • Состојба на оксидација: +4, +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3, -4;
  • Густина (бр.) = 2,25 g/cm 3 (графит);
  • Моларен волумен = 5,3 cm 3 / mol.
Јаглеродни соединенија:

Јаглерод како јагленпознат на човекот уште од памтивек, затоа, нема смисла да се зборува за датумот на неговото откривање. Всушност, „јаглеродот“ го доби своето име во 1787 година, кога беше објавена книгата „Метод на хемиска номенклатура“, во која наместо Француско име„чист јаглен“ (charbone pur) се појави терминот „јаглерод“ (јаглерод).

Јаглеродот има уникатна способност да формира полимерни синџири со неограничена должина, со што се добива огромна класа на соединенија, чија студија е обработена во посебна гранка на хемијата - органска хемија. Органски соединенијајаглеродот е основа на копнениот живот, затоа, за важноста на јаглеродот, како хемиски елемент, нема смисла да се каже - тоа е основата на животот на Земјата.

Сега да го погледнеме јаглеродот од гледна точка на неорганската хемија.


Ориз. Структура на јаглеродниот атом.

Електронската конфигурација на јаглеродот е 1s 2 2s 2 2p 2 (види Електронска структура на атомите). Од надвор ниво на енергијаЈаглеродот има 4 електрони: 2 спарени во s-поднивото + 2 неспарени во p-орбиталите. Кога јаглеродниот атом преминува во возбудена состојба (потребно е трошење на енергија), еден електрон од s-поднивото го „напушта“ својот пар и се движи кон поднивото p, каде што има една слободна орбитала. Така, во возбудена состојба електронска конфигурацијајаглеродниот атом ја има следната форма: 1s 2 2s 1 2p 3.


Ориз. Преминот на јаглеродниот атом во возбудена состојба.

Ова „рокување“ значително ги проширува валентните способности на атомите на јаглеродот, кои можат да заземат состојба на оксидација од +4 (во соединенија со активни неметали) до -4 (во соединенија со метали).

Во невозбудена состојба, јаглеродниот атом во соединенијата има валентност од 2, на пример, CO(II), а во возбудена состојба има валентност од 4: CO 2 (IV).

„Уникатноста“ на јаглеродниот атом лежи во фактот што на неговото надворешно енергетско ниво има 4 електрони, затоа, за да го заврши нивото (за кое, всушност, се стремат атомите на кој било хемиски елемент), тој може со еднакви „успех“, и даваат и додаваат електрони со формирањето ковалентни врски(Види Ковалентна врска).

Јаглеродот како едноставна супстанција

Како едноставна супстанција, јаглеродот може да се најде во форма на неколку алотропни модификации:

  • Дијамант
  • Графит
  • Фулерен
  • Карбин

Дијамант


Ориз. Кристална ќелијадијамант

Својства на дијамантот:


Ориз. Дијамантски тетраедар.

Исклучителната цврстина на дијамантот се објаснува со структурата на неговата кристална решетка, која има облик на тетраедар - во центарот на тетраедарот има јаглероден атом, кој е поврзан со еднакво силни врски со четири соседни атоми кои ги формираат темињата. на тетраедарот (види слика погоре). Оваа „конструкција“, пак, е поврзана со соседните тетраедари.

Графит


Ориз. Графитна кристална решетка.

Својства на графитот:

  • мека кристална супстанција со сива боја со слоевита структура;
  • има метален сјај;
  • добро спроведува електрична енергија.

Во графитот, јаглеродните атоми формираат правилни шестоаголници кои лежат во иста рамнина, организирани во бескрајни слоеви.

Во графитот, хемиските врски помеѓу соседните јаглеродни атоми се формираат од трите валентни електрони на секој атом (прикажани со сино на сликата подолу), при што четвртиот електрон (прикажан со црвено) од секој јаглероден атом се наоѓа во р-орбиталата што лежи нормално. до рамнината на графитниот слој, не учествува во формирањето на ковалентни врски во рамнината на слојот. Неговата „цел“ е различна - во интеракција со својот „брат“ што лежи во соседниот слој, обезбедува врска помеѓу слоевите на графит, а високата подвижност на p-електроните ја одредува добрата електрична спроводливост на графитот.


Ориз. Распределба на орбиталите на јаглеродниот атом во графит.

Фулерен


Ориз. Кристална решетка од фулерен.

Својства на фулерен:

  • молекула на фулерен е збирка јаглеродни атоми затворени во шупливи сфери како фудбалска топка;
  • тоа е ситно-кристална супстанција со жолто-портокалова боја;
  • точка на топење = 500-600°C;
  • полупроводник;
  • е дел од минералот шунгит.

Карбин

Карбини својства:

  • црна инертна супстанција;
  • се состои од полимерни линеарни молекули во кои атомите се поврзани со наизменични единечни и тројни врски;
  • полупроводник.

Хемиски својства на јаглеродот

Во нормални услови, јаглеродот е инертна супстанција, но кога се загрева може да реагира со различни едноставни и сложени супстанции.

Веќе беше кажано погоре дека на надворешното енергетско ниво на јаглеродот има 4 електрони (ниту овде, ниту таму), затоа јаглеродот може и да се откаже од електроните и да ги прифати, покажувајќи намалувачки својства кај некои соединенија и оксидирачки својства кај други.

Јаглеродот е средство за намалувањево реакции со кислород и други елементи со поголема електронегативност (види табела за електронегативност на елементите):

  • кога се загрева во воздух, гори (со вишок на кислород со формирање на јаглерод диоксид; со неговиот недостаток - јаглерод моноксид (II)):
    C + O 2 = CO 2;
    2C + O 2 = 2CO.
  • реагира на високи температури со пареа на сулфур, лесно комуницира со хлор, флуор:
    C + 2S = CS 2
    C + 2Cl 2 = CCl 4
    2F 2 + C = CF 4
  • кога се загрева, намалува многу метали и неметали од оксиди:
    C0 + Cu +2 O = Cu 0 + C +2 O;
    C 0 +C +4 O 2 = 2C +2 O
  • на температура од 1000°C реагира со вода (процес на гасификација), формирајќи воден гас:
    C + H2O = CO + H2;

Јаглеродот покажува оксидирачки својства при реакции со метали и водород:

  • реагира со метали за да формира карбиди:
    Ca + 2C = CaC 2
  • во интеракција со водород, јаглеродот формира метан:
    C + 2H 2 = CH 4

Јаглеродот се добива со термичко распаѓање на неговите соединенија или пиролиза на метан (на висока температура):
CH 4 = C + 2H 2.

Примена на јаглерод

Јаглеродните соединенија најдоа најширока примена во националната економија, не е можно да се наведат сите, ќе наведеме само неколку:

  • графитот се користи за изработка на кабли за моливи, електроди, садници за топење, како модератор на неутрони во нуклеарните реактори и како лубрикант;
  • Дијамантите се користат во накит, како алатка за сечење, во опрема за дупчење и како абразивен материјал;
  • Јаглеродот се користи како редукционо средство за производство на некои метали и неметали (железо, силициум);
  • јаглеродот го сочинува најголемиот дел од активниот јаглерод, кој најде широка примена, како во секојдневниот живот (на пример, како адсорбент за прочистување на воздухот и растворите), така и во медицината (таблети со активен јаглен) и во индустријата (како носител на каталитички адитиви, катализатор за полимеризација итн.).

Јаглерод моноксид (IV), јаглеродна киселина и нивни соли

Сеопфатна цел на модулот:знае методи за производство на јаглерод (IV) оксид и хидроксид; опишете ги физички својства; ги знае карактеристиките на киселинско-базните својства; карактеризираат редокс својства.

Сите елементи на јаглеродната подгрупа формираат оксиди со општата формула EO 2. CO 2 и SiO 2 покажуваат киселински својства, GeО 2 , SnО 2 , PbО 2 изложба амфотерични својствасо доминација на киселите, а во подгрупата од горе до долу слабеат киселинските својства.

Состојбата на оксидација (+4) за јаглерод и силициум е многу стабилна, така што оксидационите својства на соединението многу тешко се покажуваат. Во подгрупата германиум, оксидирачките својства на соединенијата (+4) се зголемуваат поради дестабилизација највисок степеноксидација.

Јаглерод моноксид (IV), јаглеродна киселина и нивни соли

Јаглерод диоксид CO 2 (јаглерод диоксид) - во нормални услови е безбоен и без мирис гас, малку кисел вкус, околу 1,5 пати потежок од воздухот, растворлив во вода, доста лесно се втечнува - на собна температура може да се претвори во течност под притисок од околу 60 10 5 Па. Кога ќе се олади на?56,2°C, течниот јаглерод диоксид се зацврстува и се претвора во маса слична на снег.

Во сите состојби на агрегацијасе состои од неполарни линеарни молекули. Хемиска структура CO 2 се одредува со sp-хибридизација на централниот јаглероден атом и формирање на дополнителна стр r-r-врски: O = C = O

Некој дел од CO 2 растворен во тестаментот влегува во интеракција со него со формирање јаглеродна киселина

CO 2 + H 2 O - CO 2 H 2 O - H 2 CO 3.

Јаглеродниот диоксид многу лесно се апсорбира од алкалните раствори за да формира карбонати и бикарбонати:

CO 2 + 2NaOH = Na 2 CO 3 + H 2 O;

CO 2 + NaOH = NaHCO 3.

Молекулите на CO 2 се многу термички стабилни; распаѓањето започнува само на температура од 2000°C. Затоа, јаглерод диоксидот не гори и не го поддржува согорувањето на конвенционалното гориво. Но, во неговата атмосфера некои горат едноставни материи, чии атоми покажуваат висок афинитет за кислород, на пример, магнезиумот се запали кога се загрева во атмосфера на CO 2.

Јаглеродна киселина и нејзините соли

Јаглеродната киселина H 2 CO 3 е слабо соединение и постои само во водени раствори. Поголемиот дел од јаглеродниот диоксид растворен во вода е во форма на хидрирани молекули на CO 2, а помал дел формира јаглеродна киселина.

Водните раствори во рамнотежа со атмосферскиот CO2 се кисели: = 0,04 M и pH? 4.

Јаглеродната киселина е двобазна, припаѓа на слаби електролити, се дисоцира постепено (К1 = 4,4 10?7; К2 = 4,8 10?11). Кога CO 2 се раствора во вода, се воспоставува следната динамичка рамнотежа:

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

Кога се загрева воден растворјаглерод диоксид, растворливоста на гасот се намалува, CO 2 се ослободува од растворот, а рамнотежата се поместува налево.

Соли на јаглеродна киселина

Бидејќи е двобазна, јаглеродната киселина формира две серии на соли: средни соли (карбонати) и кисели соли (бикарбонати). Повеќето соли на јаглеродна киселина се безбојни. Од карбонатите, само соли на алкални метали и амониум се растворливи во вода.

Во вода, карбонатите се подложени на хидролиза, и затоа нивните раствори имаат алкална реакција:

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

Понатамошна хидролиза со формирање на јаглеродна киселина практично не се случува во нормални услови.

Распуштањето на хидрокарбонатите во вода е исто така придружено со хидролиза, но во многу помала мера, а околината се создава малку алкална (рН 8).

Амониум карбонат (NH 4) 2 CO 3 е многу испарлив при покачени, па дури и нормални температури, особено во присуство на водена пареа, што предизвикува тешка хидролиза

Силни киселини, па дури и слаби оцетна киселинаја менува јаглеродната киселина од карбонати:

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

За разлика од повеќето карбонати, сите бикарбонати се растворливи во вода. Тие се помалку стабилни од карбонатите од истите метали и, кога се загреваат, лесно се распаѓаат, претворајќи се во соодветните карбонати:

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

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

Јаки киселинихидрокарбонатите се распаѓаат како карбонати:

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

Од соли на јаглеродна киселина највисока вредностимаат: натриум карбонат (сода), калиум карбонат (поташа), калциум карбонат (креда, мермер, варовник), натриум бикарбонат (сода бикарбона) и основен бакар карбонат (CuOH) 2 CO 3 (малахит).

Основните соли на јаглеродната киселина се практично нерастворливи во вода и лесно се распаѓаат кога се загреваат:

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

Генерално, термичката стабилност на карбонатите зависи од поларизациските својства на јоните што го сочинуваат карбонатот. Колку повеќе поларизира катјонот на карбонатниот јон, толку е помала температурата на распаѓање на солта. Ако катјонот може лесно да се деформира, тогаш и самиот карбонат јон ќе има поларизирачки ефект врз катјонот, што ќе доведе до нагло намалување на температурата на распаѓање на солта.

Натриум и калиум карбонати се топат без распаѓање, а повеќето други карбонати се распаѓаат на метален оксид и јаглерод диоксид кога се загреваат.

(IV) (CO 2, јаглерод диоксид, јаглерод диоксид)е безбоен, без вкус и без мирис гас кој е потежок од воздухот и растворлив во вода.

Во нормални услови, цврстиот јаглерод диоксид поминува директно во гасовита состојба, заобиколувајќи ја течната состојба.

На големи количинијаглерод моноксид, луѓето почнуваат да се задушуваат. Концентрациите од повеќе од 3% доведуваат до забрзано дишење, а над 10% доаѓа до губење на свеста и смрт.

Хемиски својства на јаглерод моноксид.

Јаглерод моноксид - тоа е јаглероден анхидрид H 2 CO 3 .

Ако јаглерод моноксид се пренесува преку калциум хидроксид (варова вода), се формира бел талог:

Ca(О) 2 + CO 2 = CaCO 3 ↓ + Х 2 О,

Ако јаглерод диоксид се зема во вишок, тогаш се забележува формирање на бикарбонати, кои се раствораат во вода:

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

Кои потоа се распаѓаат кога се загреваат:

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

Примена на јаглерод моноксид.

Јаглерод диоксидот се користи во различни индустрии. ВО хемиско производство- како средство за ладење.

ВО Прехранбена индустријасе користи како конзерванс E290. Иако тој беше назначен „условно безбеден“, во реалноста тоа не е така. Лекарите докажаа дека честото консумирање на Е290 доведува до акумулација на токсично токсично соединение. Затоа, треба повнимателно да ги читате етикетите на производите.