Углерод

 И з всех неметаллов углерод играет наиболее важную роль в нашей жизни. М ож но сказать что мы живем в мире углерода. Этот удивительный элемент является основой множества органических веществ, которые, в свою очередь, составляют ж изнь всего мира. Нефть и природный газ - это смеси органических соединений углерода. Основные сведения об органических соединениях углерода будут изложены отдельно в следующей главе. Здесь описаны неорганические вещества, содержащие углерод, которые представляют как теоретический, так и практический интерес. 4.13.1.} Общая характеристика К неорганическим веществам, содержащим углерод, относятся его оксиды, угольная кислота и ее соли. Природные неорганические вещества играют важ ную роль в повседневной жизни. Так, алмаз и графит представляют собой чисты й углерод, а известняк, мел и мрамор - это карбонат кальция С а С 0 3. Газ, который мы выдыхаем и который усваивают растения - это оксид углерода (IV ) или углекислый газ С 0 2. Положение углерода в периодической системе, строение атома. Углерод находится под номером 6 во втором малом периоде, в главной подгруппе IV группы. Строение его атома: Углерод “ С + 6 ) ) ) 2е 4е Атом углерода имеет 4 валентных электрона . С . . ПЕРИОДЫ рады IV 1 1 II 2 6 С У ГЛ Е Р О Д 12,011 III 3 14 81 К РЕМ Н И Й 2в,0Вв IV 4 5 32 Се ГЕРМАНИЙ 72,61 V 6 7 50 8п О Л О В О 116,71 VI 8 9 82 рЬ С В И Н Е Ц 207,19 VII 1 0 1 1 к о 2 1Ш4 103 Неметаллы и их соединения 104 Способность химического элемента существовать в виде нескольких простых веществ называется аллотропией. В соединениях углерод, как правило, проявляет валентность IV , иногда I I (например, в СО - оксиде углерода (II)). В хим ических реакциях углерод проявляет себя как типичны й неметалл. Имея 4 электрона на внешнем слое, он способен как отдавать, так и принимать 4 электрона, проявляя степень окисления +4 (как восстановитель) и -4 (как окислитель): 0 _ +4 +4 восстановитель С - 4е ® С (пример С 0 2) ; 0 _ -4 - 4 окислитель С + 4 - ® С (пример С Н 4). Восстановительные свойства для углерода более характерны. Рис. 4.30. Знаки британской королевской власти, инкрустированные фрагментами алмаза “Куллинан”. 4.13.2.} Углерод - простое вещество. Аллотропия углерода Главная способность атомов углерода - образовывать различные цепочки друг с другом за счет четырех валентных электронов. Связываются атомы в разных направлениях, поэтому углерод образует несколько аллотропных видоизменений: алмаз, графит, карбин, фуллерены. Алмаз. Состоит из атомов углерода, каж ды й из которы х образует по четыре ковалентны х связи с другим и атомами углерода. Получается атомная кристаллическая реш етка с одинаковы ми очень прочны м и связями (рис. 4.31). А л м аз - одно из самых твердых просты х веществ на Земле. Главное применение алмазов - изготовление инструментов (резцы, буровые колонки, ш лиф овальные круги и др.). Обработанные алмазы, имеющие определенную геометрическую форму, называют бриллиантами. Величину алмаза измеряют в каратах (1 карат ~0,2 г). Самый крупны й алмаз - это “Куллинан” - 3 024 карата (~620 г). Графит - твердое серо-черное маслянистое вещество с металлическим блеском. Он имеет слоистую структуру (рис. 4.32). Состоит из атомов углерода, каж ды й из Алмаз Графит Рис. 4.31. Строение алмаза и его применение Рис. 4.32. Строение графита и его применение Неметаллы и их соединения &105 к о т о р ы х с о е д и н я е т с я т р е м я о д и н а к о в ы м и с в я з я м и с т р е м я с о с е д н и м и а т о м а м и , о б р а зу я п р о ч н ы е п л о с к и е с е т к и , и и с п о л ь зу е т д л я это го т р и э л е к т р о н а . Ч е т в е р т ы й э л е к т р о н о с т а е т с я св о б о д н ы м и о б р а зу е т н е п р о ч н у ю п а р у с э л е к т р о н о м а т о м а у г л е р о д а и з н и ж н е й и л и в е р х н е й с е т к и . Э та п а р а л е г к о р а з р ы в а е т с я , п о это м у г р а ф и т п р о в о д и т э л е к т р и ч е с к и й т о к и и з н его и з г о т а в л и в а ю т э л е к т р о д ы , н а п р и м е р , в б а т а р е й к а х . С л ои г р а ф и т а л е г к о с м е щ а ю т с я , п о это м у его и с п о л ь зу ю т д л я с м а з к и т р у щ и х с я п о в е р х ­ н о ст ей и , к о н е ч н о , д л я и з г о т о в л е н и я к а р а н д а ш е й . Г р а ф и т - са м о е т у г о п л а в к о е п р о с т о е в е щ е с т в о н а З е м л е . Е го т е м п е р а т у р а п л а в л е н и я б о л ь ш е 3 500°С. П о ­ э т о м у и м о б л и ц о в ы в а ю т с о п л а р а к е т н ы х д в и г а т е л е й . А м о р ф н ы й ( н е к р и с т а л л и ч е с к и й ) у г л е р о д о б р а зу е т ч е р н ы й п о р о ш о к - с а ж у . Е е п р и м е н я ю т д л я и з г о т о в л е ­ н и я ч е р н о й р е з и н ы . С а ж у п о л у ч а ю т п р и н е п о л н о м с г о ­ р а н и и п р и р о д н о г о г а за : С Н 4 + 0 2 = С + 2 Н 20 О гр о м н ы е з а л е ж и у г л я - э т о т а к ж е а м о р ф н ы й у г л е ­ р о д . И з н его п о л у ч а ю т р а з л и ч н ы е п р о д у к т ы (рис. 4 .3 4 ). И с к у с с т в е н н о п о л у ч е н ы д р у г и е а л л о т р о п н ы е в и д о и з ­ м е н е н и я у г л е р о д а - к а р б и н и ф у л л е р е н ы , к о т о р ы е о п и с а ­ н ы в р у б р и к е “ Г о р и з о н т ы х и м и и ” . Н а х о ж д е н и е в п р и р о д е . У г л е р о д в с т р е ч а е т с я в п р и ­ р о д е в с в о б о д н о м в и д е (а л м а з , г р а ф и т , у г о л ь ), в в и д е о р г а н и ч е с к и х в е щ е с т в и н е о р г а н и ч е с к и х с о е д и н е н и й - к а р б о н а т о в : С а С 0 3 - м е л , м р а м о р , и з в е с т н я к , и с л а н д с к и й ш п а т ; М д С 0 3 . С а С 0 3 - д о л о м и т ; М д С 0 3 - м а г н е з и т . Графит Искусственно получены другие аллотропные видоизменения углерода - карбин и фуллерены. Карбин - вещество, образованное из линейных молекул: = С = С = С = С = или - С ° С - С ° С - Фуллерены были получены в конце 80-х гг.ХХ в. Они состоят из большого числа атомов углерода (60-160) и построены из пятиугольников и шестиугольников, как футбольный мяч. Рис. 4.33. Структура фуллерена Рис. 4.34. Применение угля Неметаллы и их соединения 106 Горизонты • Оксид углерода (II) (угарный газ) проникает в кровь и присоединяется к атомам железа в гемоглобине крови, занимая “законное место” кислорода, что может привести к смерти. Первая помощь при отравлении угарным газом - свежий воздух, кислород, искусственное дыхание. При этом молекулы СО вытесняются из крови избытком кислорода О2 - человек спасен! • Вдыхаемый воздух содержит: 78% азота, 21% кислорода, 0,03% оксида углерода (IV) и 0,97% других газов. Выдыхаемый воздух содержит: 78,7% азота, 16,3% кислорода, до 4% оксида углерода (IV), и до 1% других газов. Очевидно, указанный выше состав относителен. Получение. Алм азы и графит добывают из недр Земли. Алм азы встречаются редко (Ю ж ная Аф рика, Сибирь). Они очень дороги, дороже золота. Алм азы научились получать искусственно и применяют их в основном в технике. П ри химической переработке природного угля получают много ценных веществ для химической промышленности. Остаток - кокс - это практически чистый углерод. 4.13.3.} Химические свойства углерода П р и обычной температуре углерод инертен, а при высокой - очень активен. К ак неметалл он может служ ить и восстановителем (-е), и окислителем (+е). 1. Взаимодействие с кислородом. П р и избытке кислорода углерод сгорает, проявляя восстановительные свойства, по реакции: 0 0 .о +4 —2 . С + 0 2 = С 0 2 Т + ^ (полное сгорание угля) -4е +4е в ль ок ль Зн ак ^ в данной реакции имеет особое значение. Тепло этой реакции согревало человека долгие века, позволяло приготовить пищ у, помогало выплавлять металлы, водить поезда и др. П р и недостатке кислорода образуется очень ядовитое вещество - угарны й газ, оксид углерода (II): 0 0 (О +2-2 2С + 0 2 = 2 С О Т + ^ (неполное сгорание угля) -2е +4е вль ок-лъ Оксид углерода (II) образуется не только при неполном сгорании угля. Он получается такж е при нагревании угля с продуктом его полного сгорания (С 0 2): (О С + С 0 2 = 2 С О 2. Взаимодействие с оксидами металлов. Углерод (уголь, графит, кокс) - самый важный и дешевый восстановитель при получении металлов из руд (железа, меди, олова, цинка). В доменном процессе кокс используют для получения чугуна (железа, содержащего углерод) по схеме: 0 +3 .о 0 + 2 . 3С + Ге20 3 = 2Ге + 3 С О Т - 2е + 6е вль ок-лъ Оксид углерода (II) - такж е сильный восстановитель: + 3 +2 (О 0 +4 . Ге20 3 + 3 С О = 2Ге + 3 С 0 2 Т + 6е - 2е ок-ль в-ль Неметаллы и их соединения &107 3. Взаимодействие с водородом п р о и с х о д и т п р и н а г р е в а н и и в п р и с у т с т в и и к а т а л и з а т о р а (н и к е л я ): 0 0 С + 2 Н 2 1°[№] -4+1 С Н 4 Т +4е -2е метан ок-ль вль М е т а н - г л а в н а я с о с т а в н а я ч а с т ь п р и р о д н о г о г а з а . О н и с п о л ь з у е т с я в к а ­ ч е с т в е т о п л и в а : С Н 4 + 2 О 2 — С О 2 + 2 Н 2О + 4. *Взаимодействие с металлами п р и в о д и т к о б р а зо в а н и ю к а р б и д о в : 0 0 *о +2-1 0 0 *о +3 -4 2 С + С а — С а С 2 3С + 4А1 — А14С 3 + 1е - 2(3 карбид +4е -3е карбид ок-ль в-ль кальция ок-ль в-ль алюминия К а р б и д ы ч а с т о и м е ю т с о с т а в , н е с о о т в е т с т в у ю щ и й в а л е н т н о с т и э л е м е н т о в . Н а п р и м е р , ц е м е н т и т Г е 3С - с о с т а в н а я ч а с т ь ч у г у н а . Н е к о т о р ы е к а р б и д ы р а з л а ­ г а ю т с я в о д о й с о б р а з о в а н и е м в о д о р о д н ы х с о е д и н е н и й у г л е р о д а . Н а п р и м е р : А14С 3 + 1 2 Н О Н — 3 С Н 4 Т + 4А 1(О Н )3 ; С а С 2 + 2 Н О Н — С2Н 2 Т + С а (О Н )2. метан ацетилен П о э т о й р е а к ц и и п о л у ч а ю т а ц е т и л е н д л я с в а р к и и р е з к и м е т а л л о в . Применение углерода п о к а з а н о н а рис. 4.36. Ч и с т ы й у г л е р о д - кокс - и с п о л ь з у е т с я д л я п о л у ч е н и я м е т а л л о в и з р у д , к а р б и д о в , м е т и л о в о г о с п и р т а и д р у г и х в е щ е с т в . В сем х о р о ш о и зв е с т н ы т а б л е т к и а к т и в и р о в а н н о г о у г л я , к о т о р ы е п р и м е н я ю т в с л у ч а е п и щ е в ы х о т р а в л е н и й . Ч т о т а к о е а к т и в и р о в а н н ы й у г о л ь и к а к о в о его д е й с т в и е ? П р и н а г р е в а н и и д р е в е с и н ы б ез д о с т у п а в о з д у х а п о л у ч а ю т древесный уголь (рис. 4.35). О н с о д е р ж и т м н о ­ ж е с т в о м е л к и х о т в е р с т и й и к а н а л о в - п о р и п о э т о м у о б л а д а е т о с о б ы м и с в о й с т в а м и . Е с л и т а к о й у г о л ь б р о с и т ь в п о д к р а ш е н н у ю в о д у , о н а о б е с ц в е т и т с я . С л е д о в а т е л ь н о , м е л к о п о р и с т ы й у г о л ь п о г л о щ а е т р а с т в о р е н н ы е в е ­ щ е с т в а . Т а к ж е х о р о ш о он п о г л о щ а е т м н о г и е г а з ы . Явление поглощения веществ поверхностью твердого вещества называется адсорбцией. Ч е м б о л ь ш е п о р , т е м б о л ь ш е п о в е р х н о с т ь и те м л у ч ш е а д с о р б ц и я . А к т и в и р о в а н н ы й у г о л ь е щ е более п о р и с т ы й , ч е м д р е в е с н о й у г о л ь . Е го п р и м е н я ю т в м е д и ц и н е , в п и ­ щ е в о й и х и м и ч е с к о й п р о м ы ш л е н н о с т и к а к п о г л о щ а ю щ е е в е щ е с т в о п р и о ч и с т к е в о д ы , в о зд у х а , р а с тв о р о в . В п е р в ы е а к т и в и р о в а н н ы й у г о л ь б ы л и с п о л ь з о в а н во в р е м я П е р в о й м и р о в о й в о й н ы в 1 9 1 4 г. в п р о т и в о г а з а х д л я з а щ и т ы от о т р а в л я ю щ и х в е щ е с т в . П р о т и в о г а з б ы л и зо б р е т е н з а м е ч а т е л ь н ы м х и м и к о м , у р о ж е н ц е м М о л ­ д о в ы , Н . З е л и н с к и м . Н а рис. 4.36 п р е д с т а в л е н ы о б л а с т и п р и м е н е н и я у г л е р о д а . Рис. 4.35. М икропористая структура древесного угля Николай Зелинский (1861-1953) Русский химик, родился в г. Тирасполь. Академик. Неметаллы и их соединения 108 V У Рис. 4.36. Прим енение углерода ХИМИЧЕСКИЙ КРОССВОРД Заполнив кроссворд по горизонтали, по вертикали сможешь прочесть ключевое слово - название элемента, входящего в состав всех органических веществ. 1. Древнейший источник тепла. 2. Применяется для изготовления карандашей. 3. Режет стекло. 4. Пишет на доске. 5. Материал для скульптора. 6 6. Химическое название п. 4, 5 и известняка. 7. Что в атоме углерода имеет заряд +6? 1 2 3 4 5 7 Р А Б О Т А В Г Р У П П Е 1. Допиш ите уравнения следующих реакций: 1° 1° 1° а) С + 0 2(и3быток) ® ? + ^ в) Ре20 з + С ® ? + ? - ^ д) С + Н2 ® ? + ^ 1° 1° 1° б) С + 0 2(недостаток) ® ^ Г) РеО + СО ® ? + ? е) СО + О 2 ® ? + ^ 2. Выделится ли одно и то же количество тепла при сгорании кокса, алмаза и графита количеством веществ 1 моль? Обоснуйте ответ уравнениями реакций. *3. Закончите уравнения реакций, назовите продукты: а) Са + ? ® С аС 2 в) С аС 2 + НОН ® Са(ОН)2 + ? б) А1 + ? ® А14С3 г) А14С3 + НОН ® А1(ОН)3 + ? Какие из этих реакций имеют практическое применение? 4. Как-то ученый-чудак сплавил алмаз с железом. Что образовалось? 5. Напишите рассказ по схеме применения углерода. Неметаллы и их соединения М ^ВО П РО СЫ И УПРАЖНЕНИЯ_______________________ 1. Выбери правильный ответ. Атом углерода имеет заряд ядра: а) +12; б) +6; в) +4; г) +2. 2. Какие связи образуют атомы углерода в простом веществе? Какие аллотропные видоизменения образуются при этом? Охарактеризуй каждое из них. Где они применяются? 3. Сравни аллотропные формы углерода и кислорода. В чем их основные различия? 4. Как можно доказать, что алмаз и графит являются аллотропными формами углерода? *5. В промышленности карбид кальция получается сплавлением угля с негашеной известью. Вычисли массу оксида кальция и массу угля, необходимых для получения карбида кальция массой 1 т.