Рb. Все они относятся к р -элементам, так как у них достраивается р -электронная оболочка внешнего слоя (табл. 15).
|
Элемент |
Заряд ядра |
Число электронов на энергетических уровнях |
Радиус атома, Å |
||||||
|
0,77 1,17 1,22 1,40 1,46 |
|||||||||
С увеличением заряда ядра радиус атома возрастает и заметно уменьшается электроотрицательность. В связи с этим от углерода к свинцу заметно усиливаются металлические свойства. Так, обладает хорошо выраженными металлическими свойствами, в время как причисляют к неметаллам.
Четырехэлектронный внешний слой и малые атомные радиусы углерода и кремния способствуют образованию ковалентных связей, которые типичны для этих элементов. Особенностью как углерода, так и кремния является способность образовывать длинные цепочки из одноименных атомов, что приводит к большому многообразию орга-нических и кремнийорганических веществ. Углерод и могут образовывать как две, так и четыре валентные связи. Максимальная степень окисления элементов главной подгруппы IV группы равна +4. Это говорит о том, что для их атомов условно возможна отдача 4 электронов, Принять на внешний слой они также способны не более электронов. В окислительно-восстановительных реакциях они ведут себя как восстановители.
Высшие этих элементов проявляют кислотные свойства. Им соответствуют кислоты, представляющие собой очень слабые электролиты. Это говорит о том, что среди главных подгрупп IV-VII группы подгруппа углерода объединяет элементы с наименее выраженными неметаллическими свойствами. Прочность летучих гидридов заметно уменьшается от углерода СН4 к свинцу РbН4. Нельзя не отметить характер свойств окислов, в которых элементы проявляют степень окисления +2. Если углерод образует при этом несолеобразующий окисел СО, окись свинца РbО обладает хорошо выраженными амфотерными свойствами.
■ 1. Среди элементов группы углерода укажите:
а) элемент с наименьшим атомным радиусом;
б) элемент с наиболее выраженными металлическими свойствами;
в) формулы высших окислов элементов группы углерода;
г) формулы высших кислородных кислот, соответствующих названным окислам;
д) формулы низших окислов;
е) изменение устойчивости летучих водородных соединений (написать ряд формул и стрелкой указать направление уменьшения устойчивости).
Углерод
Атомный вес углерода 12,011. Внешний электронный слой атома углерода имеет 4 электрона, его электронная конфигурация 2s 2 2p 2 , распределение электронов по орбиталям.
Среди элементов подгруппы углерод обладает наибольшим значением электроотрицательности.
Углерод имеет три аллотропных видоизменения - , и аморфный углерод. и встречаются в природе, а аморфный углерод может быть получен лишь искусственным путем.
- твердое кристаллическое вещество, тугоплавкое и химически мало активное. Чистый алмаз - бесцветные прозрачные кристаллы. Среди минералов алмаз обладает наивысшей твердостью, равной 10, плотность его 3,514. Такая высокая твердость объясняется строением его кристаллической решетки атомного типа, в которой атомы углерода находятся на одинаковом расстоянии друг от друга (см. рис. 11).
Благодаря твердости алмаз широко применяется для резки стекла, бурения твердых пород, в машинах для волочения проволоки, шлифовальных дисках и т. д. Для этих целей используют алмазы, загрязненные разными примесями.
Чистые бесцветные кристаллы подвергают огранке и шлифовке алмазным порошком и превращают в бриллианты. Чем больше граней, тем лучше «играет» бриллиант. Бриллианты бывают чаще всего небольшими, их вес измеряется каратами (1 карат равен 0,2 г). Но встречаются и крупные бриллианты.
- мелкокристаллический минерал, в кристаллической решетке которого расстояние между атомами одинаково лишь в двух направлениях, а в третьем намного больше. Это делает кристаллы графита непрочными, а сам минерал мягким. Твердость графита равна 1, плотность 2,22, температура плавления около 3000°. Графит обладает хорошей электропроводностью, поэтому применяется для изготовления электродов, обкладок для электролитических ванн. Порошок графита, смешанный с минеральным маслом, является хорошей смазкой. Поскольку графит мягче бумаги и может оставлять на ней след, его применяют для изготовления карандашных грифелей, туши, типографской краски, копировальной бумаги. Высокая термостойкость графита позволяет изготавливать из него огнеупорные тигли. Графит удается получать искусственным путем - нагреванием кокса до 2500- 3000°.
■ 2. Какого типа кристаллические решетки имеют алмаз и графит?
3. Объясните с точки зрения электронной конфигурации электронных слоев, почему углерод может образовывать как две, так и четыре валентные связи.
Существует мнение, что получаемый искусственно аморфный углерод (сажа, древесный уголь) не является самостоятельным аллотропным видоизменением, так как его микрокристаллическая структура такая же, как у графита.
Аморфный углерод в виде древесного угля получается при сухой перегонке древесины в виде очень легкой хрупкой пористой массы. Структура аморфного углерода очень сходна со структурой графита, но кристаллы в нем расположены беспорядочно.
Огромная поверхность древесного угля обусловливает характерное для него явление адсорбции. Молекулы углерода, находящиеся на поверхности кусочка угля, притягивают к себе молекулы веществ из окружающей его среды, преодолевая энергию теплового движения молекул. Ясно, что чем больше поверхность, тем сильнее идет , поэтому измельченный адсорбент лучше|адсорбирует. Если тщательно измельчить древесный уголь, а затем поместить его под колпак, где находятся пары брома, можно заметить, как постепенно окраска брома слабеет и, в конце концов, исчезает.
Если порошок угля взболтать в пробирке с раствором марганцовокислого калия, фуксина или с настойкой чая, то вскоре эти растворы обесцвечиваются. Если прокипятить адсорбент вместе с адсорбированным на его поверхности веществом в чистой воде, то окраска раствора появляется вновь, так как тепловое движение молекул усиливается и они срываются с поверхности адсорбента -про исходит десорбция.
Следует отметить также, что явление катализа, которое было рассмотрено выше, тесно связано с явлением адсорбции.
■ 4. Какое явление называется адсорбцией?
5. Где еще имеет месте явление адсорбции, помимо процессов, связанных с древесным углем?
6. Дайте объяснение явлению десорбции и укажите причины, способствующие этому явлению.
При обработке перегретым водяным паром из пор угля удаляются имеющиеся там иногда посторонние примеси, увеличивается пористость угля. Такой уголь называется активированным.
Активированный уголь очень широко применяется, в частности, в противогазе, впервые предложенном акад. Н. Д. Зелинским для защиты дыхательных путей от ядовитых газов, находящихся в воздухе. Впервые такой противогаз был применен во время первой мировой войны (рис. 64). Противогаз состоит из резиновой маски или шлема, плотно облегающего лицо и голову, гофрированной резиновой трубки, соединяющей маску с коробкой, содержащей очищающие воздух .
Система клапанов пропускает вдыхаемый воздух в маску только через коробку, а выдыхаемый - прямо в окружающее пространство. Противогазная коробка содержит расположенные слоями противодымный фильтр, задерживающий твердые и капельные частицы, химический поглотитель, химически связывающий поступающие в коробку отравляющие , и активированный уголь.
Активированный уголь иногда дается в виде суспензии в воде внутрь в случае попадания в желудок ядовитых веществ. Древесный уголь применяется также для изготовления черного пороха.
Аморфный углерод в виде кокса применяется в металлургии. Получают кокс в коксохимических печах из каменного угля. Это твердое пористое вещество, представляющее собой почти чистый углерод. Кокс является прекрасным топливом и хорошим восстановителем.
Рис. 64. Устройство противогаза Н. Д. Зелинского. 1-шлем; 2 - гофрированная трубка; 3 - выдыхательный клапан; 4 - фильтрующая коробка; 5 - активированный уголь; 6 -химический поглотитель; 7 - противодымный фильтр.
Сажа получается при сжигании газообразных веществ с высоким процентом содержания углерода. В виде сажи аморфный углерод широко применяется в резиновой промышленности и в полиграфии для изготовления типографской краски. Сажа наиболее высокого качества получается при сжигании газообразного топлива, например ацетилена.
■ 7. Составьте и заполните следующую таблицу:
Химические свойства углерода
Следует отметить, что главным свойством углерода является его восстанавливающая способность. Углерод - один из лучших восстановителей. Он легко восстанавливает из их окислов при нагревании:
и легко сгорает в кислороде, образуя окись или двуокись углерода
2С + O2 = 2СО —
С + О2 = СО2
Сплавляясь с металлами, углерод образует карбиды, имеющие очень своеобразное строение молекул. Например, особенно широко применяющийся в технике карбид кальция СаС2 имеет следующее строение:
С водородом углерод соединяется только при температуре около 1200°, образуя органическое соединение метан СН4:
С + 2Н2 = СН4
■ 8. Рассчитайте, какое количество меди можно восстановить из ее окиси СuО с помощью 24 кг углерода, если потери меди составляют 5%.
При пропускании перегретого водяного пара через раскаленный уголь последний восстанавливает из воды , в результате чего образуется водяной газ:
С + Н2О = СО + На
водяной газ
Несмотря на высокую восстановительную способность углерода, применение его как восстановителя не всегда удобно, так как он является твердым веществом. Гораздо удобнее использовать газообразные восстановители. Тогда контакт между восстановителем и восстанавливаемым веществом становится более полным. В связи с этим углерод целесообразно переводить в окись углерода, сохраняющую его восстановительные свойства и являющуюся в то же время газообразным веществом.
■ 9. Какой объем водяного газа (условия нормальные) можно получить при пропускании водяного пара через 5 грамм-атомов углерода?
10. Нитрат меди прокалили до полного прекращения выделения бурого газа, после чего смешали с измельченным углем и снова прокалили. Что получилось в результате реакции? Дайте ответ, обосновав его уравнениями реакций.
Окислы углерода
Известны два окисла углерода, в которых он проявляет различные степени окисления: СО и СО2.
Окись углерода (II) СО, или, как ее называют, угарный газ, представляет собой бесцветный газ, не имеющий запаха. Температура кипения -191,5º. Она немного легче воздуха и крайне ядовита. Ядовитость окиси углерода объясняется тем, что в соединении с гемоглобином крови, с которой она вступает в контакт при попадании в легкие, она образует карбоксигемоглобин, который является прочным соединением, не обладающим способностью вступать в реакцию с кислородом. Таким образом, гемогло- бин крови выводится из строя, и при сильном отравлении человек может погибнуть от кислородного голодания. Окись углерода может проникнуть в помещение, отапливаемое печами, в том случае, если слишком рано закрывается дымоход и не успевшая сгореть окись углерода попадает в жилое помещение.
Химические свойства окиси углерода весьма разнообразны. Это горючий газ, который легко сгорает голубым пламенем в кислороде и на воздухе с образованием двуокиси углерода:
2СО + О2 = 2СО2
Углерод в этой реакции окисляется, переходя из С +2 в С +4 , т. е. проявляет восстановительные свойства. Следовательно, окись углерода можно применять как восстановитель. Действительно, окисью углерода можно восстанавливать из окислов:
FeO + СО = СО2 + Fe
Следует отметить также, что окись углерода принадлежит к числу несолеобразующих окислов.
■ 11. Элемент свинец Рb, относящийся также к главной подгруппе IV группы, может образовывать окисел, в котором проявляет степень окисления +2; углерод также может образовывать окисел, где проявляет такую же степень окисления. Сравните химические свойства этих двух окислов и иллюстрируйте их уравнениями реакций.
Горючесть окиси углерода, а также восстановительные свойства делают ее весьма ценным топливом и восстановителем во многих производственных процессах, особенно в металлургии, поэтому окись углерода специально получают в печах, которые называются газогенераторами (рис. 65).
Рис. 65. Схема газогенератора
Газогенератор представляет собой печь, в которую сверху засыпают кокс. Снизу кокс поджигают, а для поддержания горения кокса снизу же подают воздух. При соприкосновении кислорода воздуха с раскаленным углем последний сгорает с образованием двуокиси углерода:
С + O2 = СО2
Проходя через последующие соли угля, двуокись углерода восстанавливается до окиси углерода: СO2 + С = 2СO
В результате из газогенератора выходит генераторный газ следующего состава: СО + СO2 + N2 ( воздуха). Этот газ называется воздушным. Воздушный газ содержит лишь одно горючее вещество СО, а двуокись углерода СО2 и являются балластом. Для того чтобы в газе не было балласта, через генератор пропускают перегретый водяной пар, который, вступая в реакцию с углеродом, образует водяной газ:
С + Н2О ⇄ СО + Н2
Водяной газ балласта не имеет, так как окись углерода и горят и являются хорошими восстановителями, но при длительном пропускании водяного пара через уголь последний охлаждается и перестает работать. Для того чтобы этого не происходило, через газогенератор пропускают попеременно воздух и водяной пар, получая при этом смешанный газ.
Генераторные газы широко используются в технике.
Рис. 66. Схема подземной газификации угля.
■ 12. Какой объем водяного газа получится при пропускании водяного пара через 36 кг угля?
13. Напишите уравнения реакций, происходящих при восстановлении окисла железа (III) водяным газом.
14. Как можно разделить газы, входящие в состав воздушного генераторного газа?
15. Воздушный генераторный газ пропустили через раствор кальция. Как изменился состав газовой смеси? Подтвердите уравнениями реакций.
16. Чем отличается смешанный газ от воздушного? Укажите состав компонентов смешанного газа.
Д. И. Менделеевым в 1888 г. был предложен способ подземной газификации угля. Заключается он в следующем. В угольном пласте (рис. 66) с поверхности вниз пробуривают две скважины на расстоянии 25-30 м одна от другой. С помощью электронагревателей угольный пласт внизу поджигают. При пропускании воздуха в дутьевую скважину между ней и газоотводной скважиной прогорает канал, по которому газы идут в газоотводную скважину и по ней поднимаются на поверхность. В самой нижней части пласта, как в газогенераторе, происходит сгорание угля до двуокиси углерода. Несколько выше двуокись углерода восстанавливается до окиси углерода, а еще выше под действием тепла разогретого угольного пласта осуществляется сухая перегонка, продукты которой также выводятся через газоотводную скважину. Продукты сухой перегонки являются весьма ценными. В дальнейшем выходящий газ отделяют от них, после чего его можно использовать по назначению.
Генераторный газ используют в металлургии, в производстве стекла и керамики, в газовых турбинах и двигателях внутреннего сгорания, в быту.
Окись углерода и широко применяются в промышленности органического синтеза - при получении аммиака, хлористого водорода, искусственного топлива, моющих средств и т. д.
■ 17. Рассчитайте расход угля в газогенераторе, если в результате образовалось 112 л водяного газа.
Двуокись углерода СО2 является высшим углеродным окислом, ее 44 у. е. (она более чем в полтора раза тяжелее воздуха). Температура кипения (возгонки) -78,5°.
Двуокись углерода при сильном охлаждении превращается в твердую снегообразную массу - «сухой лед», который при нормальном давлении в жидкость не переходит, а возгоняется, что представляет большое удобство при хранении скоропортящихся продуктов: во-первых, отсутствует влага, а во-вторых, атмосфера двуокиси углерода задерживает рост бактерий и плесневых грибков. Двуокись углерода-типичный кислотный окисел, обладающий всеми характерными свойствами.
■ 18. Напишите уравнения химических реакций, характеризующих свойства двуокиси углерода как кислотного окисла.
Двуокись углерода довольно хорошо растворима в воде: в одном объеме воды растворяется один объем СО2. При этом происходит взаимодействие ее с водой с образованием весьма нестойкой угольной кислоты: Н2О + СО2 ⇄ Н2СО3
При повышении давления двуокиси углерода резко возрастает. На этом основано применение СО2 в изготовлении шипучих напитков.
■ 19. Зная закономерности смещения равновесия, укажите, в каком направлении можно сместить равновесие в реакции
СО2+ Н2О ⇄ Н2СО3
а) повышая давление; б) повышая температуру.
Двуокись углерода не поддерживает горения и дыхания и в ее атмосфере животные погибают не от отравления, а от отсутствия кислорода. Только , горящий при очень высокой температуре, может гореть в двуокиси углерода, разлагая ее и тем самым восстанавливая углерод:
2Mg + СО2 = 2MgO + С
В то же время двуокись углерода необходима зеленым растениям для процесса фотосинтеза. Обогащение атмосферы двуокисью углерода в теплицах, парниках усиливает образование органического растением.
В земной атмосфере содержится 0,04% двуокиси углерода. Небольшое содержание двуокиси углерода в воздухе стимулирует деятельность дыхательного центра.
Обычно двуокись углерода получают, воздействуя на соли угольной кислоты какой-нибудь более сильной кислотой:
СаСО3 + 2НСl = СаСl2 + Н2СO3
Этот процесс осуществляют в лаборатории в аппарате Киппа, заряжая его мрамором и соляной кислотой.
Рис. 67. Пенный огнетушитель. 1-резервуар с водным раствором соды; 2 -ампула с серной кислотой; 3 - ударник; 4 -железная сетка; 5 - выходное отверстие; б - рукоятка
Аналогичный способ получения двуокиси углерода применяется в так называемых пенных огнетушителях (рис. 67). Такой огнетушитель представляет собой стальной баллон, заполненный раствором соды Na2CO3. В этот раствор опущена стеклянная ампула с серной кислотой. Над ампулой укреплен ударник, которым в случае надобности можно разбить ампулу, и тогда начнет взаимодействовать с содой по уравнению:
Na2CO3 + H2SO4 = Na2SO4 + H2CO3
Выделяющаяся при этом в большом количестве двуокись углерода образует обильную пену, которая давлением газа выбрасывается через отверстие в боковой стенке и, покрывая горящий предмет, прекращает доступ к нему кислорода воздуха.
Для промышленных целей двуокись углерода получают при разложении известняка:
СаСO3 = СаО + СО2
Двуокись углерода образуется при горении угля, а также выделяется при брожении сахаров и в других процессах.
■ 20. Можно ли пенный огнетушитель наполнить вместо раствора соды раствором другого карбоната, а серную кислоту заменить другой кислотой. Приведите примеры.
21. Через йодную воду пропустили смесь газов, состоящую из двуокиси углерода, сероводорода и сернистого газа. Каков состав газовой смеси на выходе? Что содержится в растворе?
22. Какой объем двуокиси углерода получится при сжигании 112 л окиси углерода?
23. Какой объем окиси углерода образуется при окислении 4 молей углерода?
24. Сколько двуокиси углерода можно получить при разложении 250 г известняка, содержащего 20% примесей, если выход СО2 равен 80% от теоретического?
25. Сколько весит 1 м 3 смеси газов, состоящей на 70% из окиси углерода и 30% из двуокиси углерода?
Угольная кислота и ее соли
Двуокись углерода является ангидридом угольной кислоты. Н2СО3 сама по себе весьма непрочное вещество. Она существует только в водных растворах. При попытке выделить ее из этих растворов она легко распадается на воду и двуокись углерода:
H2CО3 ⇄ Н2О + СО2
H2CО3 ⇄ H + + HCO — 3 ⇄ 2H + + СО 2 3 —
является очень слабым электролитом; тем не менее, будучи двухосновной, она образует два ряда солей: средние - и кислые - бикарбонаты. Углекислые соли интересны тем, что при действии на них кислоты выделяется двуокись углерода:
К2СО3 + 2НСl = 2КСl + Н2СО3
■ 26. Приведенное уравнение напишите в ионной форме, а также приведите еще два уравнения реакций, иллюстрирующих действие кислот на .
27. Напишите уравнение реакции действия соляной кислоты на бикарбонат магния в молекулярной и ионной формах.
При обработке двуокисью углерода и водой превращаются в бикарбонаты. При нагревании происходит обратное превращение:
обычные условия
СаСО3 + СО2 + Н2О ⇄ Са(НСО3)2
нагревание
Переход нерастворимого карбоната в растворимый бикарбонат приводит к вымыванию карбоната из земной коры, в результате чего образуются пустоты - пещеры. Карбонаты большей частью в воде нерастворимы, за исключением карбонатов щелочных металлов и аммония. Бикарбонаты растворимы лучше.
Среди карбонатов особого внимания заслуживает СаСО3, встречающийся в трех видах: в виде мрамора, известняка и мела. Кроме того, в соединении с карбонатом магния он входит в состав горной породы доломита MgCО3 · CaCО3. Несмотря на одинаков вый химический состав, физические свойства этих пород совершенно разные.
Мрамор - твердое, кристаллическое вещество магматического происхождения. Он постепенно выкристаллизовался внутри остывающей магмы. Часто мрамор бывает окрашен примесями в различные цвета. Мрамор очень хорошо полируется и поэтому широко используется как отделочный материал для облицовки строительных сооружений и в скульптуре.
Известняк - осадочная порода органического происхождения. Нередко в известняке можно обнаружить остатки древних животных, главным образом моллюсков в известковых раковинах. Иногда они бывают довольно крупными, а иногда видны лишь под микроскопом. За миллионы лет известняк уплотнился и стал настолько твердым, что его применяют как строительный материал. Но в настоящее время он постепенно вытесняется более дешевыми, легкими и удобными искусственными материалами. Известняк используется главным образом для получения извести.
Мел - мяткая осадочная порода белого цвета. Применяется в строительстве для побелки. При изготовлении зубного порошка мел сначала растворяют в кислоте, а затем снова осаждают, так как в природном веществе попадаются мельчайшие твердые частицы кремнезема, которые могут поцарапать зубную эмаль.
Бикарбонат кальция Са(НСО3)2 в природе встречается в растворенном состоянии. Образуется при действии воды в сочетании с двуокисью углерода на известняк. Присутствие этой соли придает воде временную (карбонатную) жесткость.
Исключительный интерес представляет сода Na2CО3, встречающаяся иногда в природе в так называемых содовых озерах. Но в настоящее время добывание соды из природных источников вытесняется более дешевым искусственным получением этого продукта. Если сода содержит кристаллизационную воду, то она называется кристаллической содой Na2CО3 · 10Н2О, если же не содержит ее, то кальцинированной содой. Сода очень широко применяется в мыловаренной, текстильной, бумажной и стекольной отраслях промышленности.
Двууглекислая сода, или бикарбонат натрия, или питьевая сода, NaHCО3 применяется при выпечке кондитерских изделий как разрыхлитель теста, а также в медицине при повышенной кислотности желудка, изжоге, диабете и т. д.
Карбонат калия K2CO3, или поташ, как и сода, применяется в мыловаренной промышленности и в производстве тугоплавкого стекла.
Следует отметить, что углерод образует так называемые органические соединения, количество и разнообразие которых далеко превосходят соединения всех остальных элементов, вместе взятых. Детальное изучение соединений углерода выделено в самостоятельную область, называемую органической химией.
■ 28. Как отличить друг от друга представленные в твердом виде карбонат натрия, ?
29. В одну фарфоровую чашку поместили , в другую - нитрат калия, в третью - и начали прокаливать, забыв отметить, в какой чашке какая соль. Как можно, наблюдая процесс прокаливания и изучив продукты реакции, распознать взятые соли?
30. Как осуществить ряд превращений:
31. Каким образом в природе происходит превращение карбоната кальция в бикарбонат?
32. 2 кг карбоната кальция подвергли прокаливанию. Вес остатка после прокаливания оказался равным 1 кг 800 г. Какой процент карбоната подвергся разложению?
33. Как освободить от примесей нитрата кальция?
34. Как, имея в своем распоряжении только соляную кислоту, распознать карбонат бария, сульфит бария и сульфат бария?
35. Окисью углерода, полученной из 5 кг угля, восстановили окись железа (III). Сколько железа при этом получено?
Углерод - жизненно важный элемент для животных и растений. Растения, используя двуокись углерода воздуха и энергию солнца, создают органические вещества. Травоядные животные, питающиеся растениями, используя эти уже готовые вещества, в свою очередь служат
Рис. 68. Круговорот углерода в природе
пищей для хищников. Растения и животные, отмирая, гниют, окисляясь и частично превращаясь в двуокись углерода, которая снова потребляется растениями, частично же постепенно разлагаются в почве, образуя разные виды топлива. При горении топлива выделяется двуокись углерода, которая поступает в атмосферу и потребляется растениями (рис. 68).
Такой круговорот может осуществляться только благодаря процессу фотосинтеза.
Углерод – это, наверное, один из самых впечатляющих элементов химии на нашей планете, который обладает уникальной способностью образовывать огромное множество различных органических и неорганических связей.
Одним словом, углеродные соединения, которые обладают уникальными характеристиками – основа жизни на нашей планете.
Что такое углерод
В химической таблице Д.И. Менделеева углерод находится под шестым номером, входит в 14 группу и носит обозначение «С».
Физические свойства
Это водородное соединение, входящее в группу биологических молекул, молярная масса и молекулярная масса которого – 12,011, температура плавления составляет 3550 градусов.
Степень окисления данного элемента может быть: +4, +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3, -4, а плотность составляет 2,25 г/см 3 .
В агрегатном состоянии углерод — твердое вещество, а кристаллическая решетка — атомная.
Углерод имеет следующие аллотропные модификации:
- графит;
- фуллерен;
- карбин.
Строение атома
Атом вещества имеет электронную конфигурацию вида — 1S 2 2S 2 2P 2 . На внешнем уровне у атома 4 электрона, находящиеся на двух разных орбиталях.
Если же брать возбужденное состояние элемента, то его конфигурация становится 1S 2 2S 1 2P 3 .
К тому же атом вещества может быть первичным, вторичным, третичным и четвертичным.
Химические свойства
Пребывая в нормальных условиях, элемент инертен и во взаимодействие с металлами и неметаллами вступает при повышенных температурах:
- взаимодействует с металлами, вследствие чего образуются карбиды;
- вступает в реакцию с фтором (галоген);
- при повышенных температурах взаимодействует с водородом и серой;
- при повышении температуры обеспечивает восстановление металлов и неметаллов из оксидов;
- при 1000 градусах вступает во взаимодействие с водой;
- при повышении температуры горит.
Получение углерода
Углерод в природе можно найти в виде черного графита либо же, что очень редко, в виде алмаза. Ненатуральный графит получают с помощью реакции кокса с кремнеземом.
А ненатуральные алмазы получают, применяя тепло и давление вместе с катализаторами. Так металл расплавляется, а получившийся алмаз выходит в виде осадка.
Добавление азота приводит к получению желтоватых алмазов, а бора – голубоватых.
История открытия
Углерод использовался людьми с давних времен. Грекам был известен графит и уголь, а алмазы впервые нашлись в Индии. К слову, в качестве графита люди часто принимали схожие по виду соединения. Но даже несмотря на это, графит широко использовался для письма, ведь даже слово «графо» с греческого языка переводится как «пишу».
В настоящее время графит используется так же в письме, в частности его можно встретить в карандашах. В начале 18 века в Бразилии началась торговля алмазами, были открыты многие месторождения, а уже во второй половине 20 века люди научились получать ненатуральные драгоценные камни.
На настоящий момент ненатуральные алмазы используются в промышленности, а настоящие – в ювелирной сфере.
Роль углерода в организме человека
В тело человека углерод попадает вместе с пищей, в течение суток – 300 г. А общее количество вещества в человеческом организме составляет 21% от массы тела.
Из данного элемента состоят на 2/3 мышцы и 1/3 костей. А выводится из тела газ вместе с выдыхаемым воздухом либо же с мочевиной.
Стоит отметить: без этого вещества жизнь на Земле невозможна, ведь углерод составляет связи, помогающие организму бороться с губительным влиянием окружающего мира.
Таким образом, элемент способен составлять продолжительные цепи либо же кольца атомов, которые представляют собой основу для множества других важных связей.
Нахождение в природе углерода
Элемент и его соединения можно встретить повсюду. В первую очередь отметим, что вещество составляет 0,032% от общего количества земной коры.
Одиночный элемент можно встретить в каменном угле. А кристаллический элемент находится в аллотропных модификациях. Также в воздухе постоянно растет количество углекислого газа.
Большую концентрацию элемента в окружающей среде можно встретить в качестве соединений с различными элементами. Например, двуокись углерода содержится в воздухе в количестве 0,03%. В таких минералах как известняк или же мрамор, содержатся карбонаты.
Все живые организмы несут в себе соединения углерода с иными элементами. К тому же остатки живых организмов становятся такими отложениями, как нефть, битум.
Применение углерода
Соединения этого элемента широко используются во всех сферах нашей жизни и перечислять их можно бесконечно долго, поэтому мы укажем несколько из них:
- графит используется в грифелях карандашей и изготовлении электродов;
- алмазы нашли свое широкое применение в ювелирной сфере и в буровом деле;
- углерод используют как восстановитель для выведения таких элементов, как железная руда и кремний ;
- активированный уголь, состоящий в основном из этого элемента, широко используется в медицинской области, промышленности и в быту.
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УГЛЕРОДА
Углерод - малоактивен, на холоде реагирует только со фтором; химическая активность проявляется при высоких температурах.
Памятка! "Химические свойства"
|
С – восстановитель С 0 – 4 е - → С +4 или С 0 – 2 е - → С +2 |
С – окислитель С 0 + 4 е - → С -4 |
|
1) с кислородом C 0 + O 2 t ˚ C → CO 2 углекислый газ Опыт при недостатке кислорода наблюдается неполное сгорание образуется угарный газ: 2C 0
+ O 2
t
˚
C
→ 2C +2 O 2) со фтором С + 2F 2 → CF 4 3) с водяным паром C 0 + H 2 O t ˚ C →С +2 O + H 2 водяной газ 4) с оксидами металлов С + Me x O y = CO 2 + Me C 0 + 2CuO t˚C → 2Cu + C +4 O 2 5) с кислотами – окислителями: C 0 + 2 H 2 SO 4 (конц.) →С +4 O 2 + 2 SO 2 + 2 H 2 O С 0 + 4 HNO 3 (конц.) →С +4 O 2 + 4 NO 2 + 2 H 2 O |
1) с некоторыми металлами образует карбиды 4 Al + 3 C 0 t ˚ C → Al 4 C 3 -4 Ca + 2 C 0 t ˚ C → CaC 2 -1 2) с водородом C 0 + 2H 2 t˚C →CH 4 |
Адсорбция
Обратный процесс - выделение этих поглощённых веществ - десорбция.
Применение адсорбции
Очистка от примесей (в производстве сахара и др.), для защиты органов дыхания (противогазы), в медицине (таблетки "Карболен") и др.
Применение углерода
Алмазы широко применяются для резки горных пород и шлифования особо твердых материалов. Из алмазов при огранке делают ювелирные украшения. Графит применяют для изготовления инертных электродов и грифелей карандашей. В смеси с техническими маслами в качестве смазочного материала. Из смеси графита с глиной изготавливают плавильные тигли. Графит используют в ядерной промышленности, как поглотитель нейтронов.
Кокс применяют в металлургии, как восстановитель. Древесный уголь – в кузнечных горнах, для получения пороха (75%KNO 3 + 13%C + 12%S), для поглощения газов (адсорбция), а также в быту. Сажу применяют, как наполнитель резины, для изготовления черных красок – типографская краска и тушь, а также в сухих гальванических элементах. Стеклоуглерод применяют для изготовления аппаратуры для сильно агрессивных сред, а также в авиации и космонавтике.
Активированный уголь поглощает вредные вещества из газов и жидкостей: им заполняют противогазы, очистительные системы, его применяют в медицине при отравлениях.
ДРЕВЕСНЫЙ УГОЛЬ
Древе́сный у́голь - микропористый высокоуглеродистый продукт, образующийся при разложении древесины без доступа воздуха. Применяется в производстве кристаллического кремния, сероуглерода, чёрных и цветных металлов, активированного угля и т. д., а также как бытовое топливо (удельная теплота сгорания 31,5-34 МДж/кг).
ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ
№1. Закончите уравнения реакций, составьте электронный баланс, укажите окислитель и восстановитель для каждой реакции:
С+О 2 (изб) =
С+О 2 (недост) =
С + H 2 =
C + Ca =
C + Al =
МОУ «Никифоровская средняя общеобразовательная школа №1»
Углерод и его основные неорганические соединения
Реферат
Выполнил: ученик 9В класса
Сидоров Александр
Учитель: Сахарова Л.Н.
Дмитриевка 2009
Введение
Глава I. Всё об углероде
1.1. Углерод в природе
1.2. Аллотропные модификации углерода
1.3. Химические свойства углерода
1.4. Применение углерода
Глава II. Неорганические соединения углерода
Заключение
Литература
Введение
Углерод (лат. Carboneum) С – химический элемент IV группы периодической системы Менделеева: атомный номер 6, атомная масса 12,011(1). Рассмотрим строение атома углерода. На наружном энергетическом уровне атома углерода находятся четыре электрона. Изобразим графически:
Углерод был известен с глубокой древности, и имя первооткрывателя этого элемента неизвестно.
В конце XVII в. флорентийские ученые Аверани и Тарджони пытались сплавить несколько мелких алмазов в один крупный и нагрели их с помощью зажигательного стекла солнечными лучами. Алмазы исчезли, сгорев на воздухе. В 1772 г. французский химик А. Лавуазье показал, что при сгорании алмаза образуется СО 2 . Лишь в 1797 г. английский ученый С. Теннант доказал идентичность природы графита и угля. После сгорания равных количеств угля и алмаза объемы оксида углерода (IV) оказались одинаковыми.
Многообразие соединений углерода, объясняющееся способностью его атомов соединяться друг с другом и атомами других элементов различными способами, обуславливает особое положение углерода среди других элементов.
Глава I . Всё об углероде
1.1. Углерод в природе
Углерод находится в природе, как в свободном состоянии, так и в виде соединений.
Свободный углерод встречается в виде алмаза, графита и карбина.
Алмазы очень редки. Самый большой из известных алмазов – «Куллинан» был найден в 1905 г. в Южной Африке, весил 621,2 г и имел размеры 10×6,5×5 см. В Алмазном фонде в Москве хранится один из самых больших и красивых алмазов в мире – «Орлов» (37,92 г).
Свое название алмаз получил от греч. «адамас» – непобедимый, несокрушимый. Самые значительные месторождения алмазов находятся в Южной Африке, Бразилии, в Якутии.
Крупные залежи графита находятся в ФРГ, в Шри-Ланке, в Сибири, на Алтае.
Главными углеродсодержащими минералами являются: магнезит МgСО 3 , кальцит (известковый шпат, известняк, мрамор, мел) СаСО 3 , доломит СаМg(СО 3) 2 и др.
Все горючие ископаемые – нефть, газ, торф, каменные и бурые угли, сланцы – построены на углеродной основе. Близки по составу к углероду некоторые ископаемые угли, содержащие до 99% С.
На долю углерода приходится 0,1% земной коры.
В виде оксида углерода (IV) СО 2 углерод входит в состав атмосферы. В гидросфере растворено большое количество СО 2 .
1.2. Аллотропные модификации углерода
Элементарный углерод образует три аллотропные модификации: алмаз, графит, карбин.
1. Алмаз – бесцветное, прозрачное кристаллическое вещество, чрезвычайно сильно преломляющее лучи света. Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии sр 3 -гибридизации. В возбуждённом состоянии происходит распаривание валентных электронов в атомах углерода и образование четырёх неспаренных электронов. При образовании химических связей электронные облака приобретают одинаковую вытянутую форму и располагаются в пространстве так, что их оси оказываются направленными к вершинам тетраэдра. При перекрывании вершин этих облаков с облаками других атомов углерода возникают ковалентные связи под углом 109°28", и образуется атомная кристаллическая решетка, характерная для алмаза.
Каждый атом углерода в алмазе окружён четырьмя другими, расположенными от него в направлениях от центра тетраэдров к вершинам. Расстояние между атомами в тетраэдрах равно 0,154 нм. Прочность всех связей одинакова. Таким образом, атомы в алмазе «упакованы» очень плотно. При 20°С плотность алмаза составляет 3,515 г/см 3 . Этим объясняется его исключительная твердость. Алмаз плохо проводит электрический ток.
В 1961 г. в Советском Союзе было начато промышленное производство синтетических алмазов из графита.
При промышленном синтезе алмазов используются давления в тысячи МПа и температуры от 1500 до 3000°С. Процесс ведут в присутствии катализаторов, которыми могут служить некоторые металлы, например Ni. Основная масса образующихся алмазов – небольшие кристаллы и алмазная пыль.
Алмаз при нагревании без доступа воздуха выше 1000°С превращается в графит. При 1750°С превращение алмаза в графит происходит быстро.
Структура алмаза
2. Графит – серо-чёрное кристаллическое вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь, по твердости уступающее даже бумаге.
Атомы углерода в кристаллах графита находятся в состоянии sр 2 -гибридизации: каждый из них образует три ковалентные σ-связи с соседними атомами. Углы между направлениями связей равны 120°. В результате образуется сетка, составленная из правильных шестиугольников. Расстояние между соседними ядрами атомов углерода внутри слоя составляет 0,142 нм. Четвёртый электрон внешнего слоя каждого атома углерода в графите занимает р-орбиталь, не участвующую в гибридизации.
Негибридные электронные облака атомов углерода ориентированы перпендикулярно плоскости слоя, и перекрываясь друг с другом, образуют делокализованные σ-связи. Соседние слои в кристалле графита находятся друг от друга на расстоянии 0,335 нм и слабо связаны между собой, в основном силами Ван-дер-Ваальса. Поэтому графит имеет низкую механическую прочность и легко расщепляется на чешуйки, которые сами по себе очень прочны. Связь между слоями атомов углерода в графите частично имеет металлический характер. Этим объясняется тот факт, что графит хорошо проводит электрический ток, но все, же не так хорошо, как металлы.
Структура графита
Физические свойства в графите сильно различаются по направлениям – перпендикулярному и параллельному слоям атомов углерода.
При нагревании без доступа воздуха графит не претерпевает никаких изменений до 3700°С. При указанной температуре он возгоняется, не плавясь.
Искусственный графит получают из лучших сортов каменного угля при 3000°С в электрических печах без доступа воздуха.
Графит термодинамически устойчив в широком интервале температур и давлений, поэтому он принимается в качестве стандартного состояния углерода. Плотность графита составляет 2,265 г/см 3 .
3. Карбин – мелкокристаллический порошок чёрного цвета. В его кристаллической структуре атомы углерода соединены чередующимися одинарными и тройными связями в линейные цепочки:
−С≡С−С≡С−С≡С−
Это вещество впервые получено В.В. Коршаком, А.М. Сладковым, В.И. Касаточкиным, Ю.П. Кудрявцевым в начале 60-х годов XX века.
Впоследствии было показано, что карбин может существовать в разных формах и содержит как полиацетиленовые, так и поликумуленовые цепочки, в которых углеродные атомы связаны двойными связями:
С=С=С=С=С=С=
Позднее карбин был найден в природе – в метеоритном веществе.
Карбин обладает полупроводниковыми свойствами, под действием света его проводимость сильно увеличивается. За счёт существования разных типов связи и разных способов укладки цепей из углеродных атомов в кристаллической решетке физические свойства карбина могут меняться в широких пределах. При нагревании без доступа воздуха выше 2000°С карбин устойчив, при температурах около 2300°С наблюдается его переход в графит.
Природный углерод состоит из двух изотопов
(98,892%) и (1,108%). Кроме того, в атмосфере обнаружены незначительные примеси радиоактивного изотопа , который получают искусственным путём.Раньше считали, что древесный уголь, сажа и кокс близки по составу чистому углероду и отличающиеся по свойствам от алмаза и графита, представляют самостоятельную аллотропную модификацию углерода («аморфный углерод»). Однако было установлено, что эти вещества состоят из мельчайших кристаллических частиц, в которых атомы углерода связаны так же, как в графите.
4. Уголь – тонко измельчённый графит. Образуется при термическом разложении углеродсодержащих соединений без доступа воздуха. Угли существенно различаются по свойствам в зависимости от вещества, из которого они получены и способа получения. Они всегда содержат примеси, влияющие на их свойства. Наиболее важные сорта угля – кокс, древесный уголь, сажа.
Кокс получается при нагревании каменного угля без доступа воздуха.
Древесный уголь образуется при нагревании дерева без доступа воздуха.
Сажа – очень мелкий графитовый кристаллический порошок. Образуется при сжигании углеводородов (природного газа, ацетилена, скипидара и др.) при ограниченном доступе воздуха.
Активные угли - пористые промышленные адсорбенты, состоящие в основном из углерода. Адсорбцией называют поглощение поверхностью твёрдых веществ газов и растворённых веществ. Активные угли получают из твердого топлива (торфа, бурого и каменного угля, антрацита), дерева и продуктов его переработки (древесного угля, опилок, отходов бумажного производства), отходов кожевенной промышленности, материалов животного происхождения, например костей. Угли, отличающиеся высокой механической прочностью, производят из скорлупы кокосовых и других орехов, из косточек плодов. Структура углей представлена порами всех размеров, однако адсорбционная ёмкость и скорость адсорбции определяются содержанием микропор в единице массы или объёма гранул. При производстве активного угля вначале исходный материал подвергают термической обработке без доступа воздуха, в результате которой из него удаляется влага и частично смолы. При этом образуется крупнопористая структура угля. Для получения микропористой структуры активацию производят либо окислением газом или паром, либо обработкой химическими реагентами.
Углерод способен образовывать несколько аллотропных модификаций. Это алмаз (наиболее инертная аллотропная модификация), графит, фуллерен и карбин.
Древесный уголь и сажа представляют собой аморфный углерод. Углерод в таком состоянии не имеет упорядоченной структуры и фактически состоит из мельчайших фрагментов слоев графита. Аморфный углерод, обработанный горячим водяным паром, называют активированным углем. 1 грамм активированного угля из-за наличия в нем множества пор имеет общую поверхность более трехсот квадратных метров! Благодаря своей способности поглощать различные вещества активированный уголь находит широкое применение как наполнитель фильтров, а также как энтеросорбент при различных видах отравлений.
С химической точки зрения аморфный углерод является наиболее активной его формой, графит проявляет среднюю активность, а алмаз является крайне инертным веществом. По этой причине, рассматриваемые ниже химические свойства углерода следует прежде всего относить к аморфному углероду.
Восстановительные свойства углерода
Как восстановитель углерод реагирует с такими неметаллами как, например, кислород, галогены, сера.
В зависимости от избытка или недостатка кислорода при горении угля возможно образование угарного газа CO или углекислого газа CO 2:
При взаимодействии углерода со фтором образуется тетрафторид углерода:
При нагревании углерода с серой образуется сероуглерод CS 2:
Углерод способен восстанавливать металлы после алюминия в ряду активности из их оксидов. Например:
Также углерод реагирует и с оксидами активных металлов, однако в этом случае наблюдается, как правило, не восстановление металла, а образование его карбида:
Взаимодействие углерода с оксидами неметаллов
Углерод вступает в реакцию сопропорционирования с углекислым газом CO 2:
Одним из наиболее важных с промышленной точки зрения процессов является так называемая паровая конверсия угля . Процесс проводят, пропуская водяной пар через раскаленный уголь. При этом протекает следующая реакция:
При высокой температуре углерод способен восстанавливать даже такое инертное соединение как диоксид кремния. При этом в зависимости от условия возможно образование кремния или карбида кремния (карборунда ):
Также углерод как восстановитель реагирует с кислотами окислителями, в частности, концентрированными серной и азотной кислотами:
Окислительные свойства углерода
Химический элемент углерод не отличается высокой электроотрицательностью, поэтому образуемые им простые вещества редко проявляют окислительные свойства по отношению к другим неметаллам.
Примером таких реакций является взаимодействие аморфного углерода с водородом при нагревании в присутствии катализатора:
а также с кремнием при температуре 1200-1300 о С:
Окислительные свойства углерод проявляет по отношению к металлам. Углерод способен реагировать с активными металлами и некоторыми металлами средней активности. Реакции протекают при нагревании:
| Карбиды активных металлов гидролизуются водой:
а также растворами кислот-неокислителей: При этом образуются углеводороды, содержащие углерод в той же степени окисления, что и в исходном карбиде. |
Химические свойства кремния
Кремний может существовать, как и углерод в кристаллическом и аморфном состоянии и, также, как и в случае углерода, аморфный кремний существенно более химически активен, чем кристаллический.
Иногда аморфный и кристаллический кремний, называют его аллотропными модификациями, что, строго говоря, не совсем верно. Аморфный кремний представляет собой по сути конгломерат беспорядочно расположенных друг относительно друга мельчайших частиц кристаллического кремния.
Взаимодействие кремния с простыми веществами
неметаллами
При обычных условиях кремний ввиду своей инертности реагирует только со фтором:
С хлором, бромом и йодом кремний реагирует только при нагревании. При этом характерно, что в зависимости от активности галогена, требуется и соответственно различная температура:
Так с хлором реакция протекает при 340-420 о С:
С бромом – 620-700 о С:
С йодом – 750-810 о С:
Реакция кремния с кислородом протекает, однако требует очень сильного нагревания (1200-1300 о С) ввиду того, что прочная оксидная пленка затрудняет взаимодействие:
При температуре 1200-1500 о С кремний медленно взаимодействует с углеродом в виде графита с образованием карборунда SiC – вещества с атомной кристаллической решеткой подобной алмазу и почти не уступающего ему в прочности:
С водородом кремний не реагирует.
металлами
Ввиду своей низкой электроотрицательности кремний может проявлять окислительные свойства лишь по отношению к металлам. Из металлов кремний реагирует с активными (щелочными и щелочноземельными), а также многими металлами средней активности. В результате такого взаимодействия образуются силициды:
Взаимодействие кремния со сложными веществами
С водой кремний не реагирует даже при кипячении, однако аморфный кремний взаимодействует с перегретым водяным паром при температуре около 400-500 о С. При этом образуется водород и диоксид кремния:
Из всех кислот кремний (в аморфном состоянии) реагирует только с концентрированной плавиковой кислотой:
Кремний растворяется в концентрированных растворах щелочей. Реакция сопровождается выделением водорода.
