Углерод — характеристика элемента и химические свойства

Характеристика углерода. Свойства простых веществ и соединений

Углерод (С) – типичный неметалл; в периодической системе находится в 2-м периоде IV группе, главной подгруппе. Порядковый номер 6, Ar = 12,011 а.е.м., заряд ядра +6.

Физические свойства: углерод образует множество аллотропных модификаций: алмаз – одно из самых твердых веществ, графит, уголь, сажа.

Атом углерода имеет 6 электронов: 1s22s22p2. Последние два электрона располагаются на отдельных р-орбиталях и являются неспаренными. В принципе, эта пара могла бы занимать одну орбиталь, но в таком случае сильно возрастает межэлектронное отталкивание. По этой причине один из них занимает 2рх, а другой, либо 2ру, либо 2рz-орбитали.

Различие энергии s- и р-подуровней внешнего слоя невелико, поэтому атом довольно легко переходит в возбужденное состояние, при котором один из двух электронов с 2s-орбитали переходит на свободную 2р. Возникает валентное состояние, имеющее конфигурацию 1s22s12px12py12pz1. Именно такое состояние атома углерода характерно для решетки алмаза — тетраэдрическое пространственное расположение гибридных орбиталей, одинаковая длина и энергия связей.

Это явление, как известно, называют sp3-гибридизацией, а возникающие функции – sp3-гибридными. Образование четырех sp3-cвязeй обеспечивает атому углерода более устойчивое состояние, чем три р—р- и одна s—s-связи. Помимо sp3-гибридизации у атома углерода наблюдается также sp2— и sp-гибридизация. В первом случае возникает взаимное наложение s- и двух р-орбиталей. Образуются три равнозначные sp2— гибридных орбитали, расположенные в одной плоскости под углом 120° друг к другу. Третья орбиталь р неизменна и направлена перпендикулярно плоскости sp2.

При sp-гибридизации происходит наложение орбиталей s и р. Между двумя образующимися равноценными гибридными орбиталями возникает угол 180°, при этом две р-орбитали у каждого из атомов остаются неизменными.

Аллотрорпия углерода. Алмаз и графит

В кристалле графита атомы углерода расположены в параллельных плоскостях, занимая в них вершины правильных шестиугольников. Каждый из атомов углерода связан с тремя соседними sp2-гибридными связями. Между параллельными плоскостями связь осуществляется за счет ван-дер-ваальсовых сил. Свободные р-орбитали каждого из атомов направлены перпендикулярно плоскостям ковалентных связей. Их перекрыванием объясняется дополнительная π-связь между атомами углерода. Таким образом, от валентного состояния, в котором находятся атомы углерода в веществе, зависят свойства этого вещества.

Углерод как восстановитель:

— с кислородом C0 + O2 –t°= CO2 углекислый газ при недостатке кислорода — неполное сгорание: 2C0 + O2 –t°= 2C+2O угарный газ

— со фтором С + 2F2 = CF4

— с водяным паром C0 + H2O –1200°= С+2O + H2 водяной газ

— с оксидами металлов. Таким образом выплавляют металл из руды. C0 + 2CuO –t°= 2Cu + C+4O2

— с кислотами – окислителями: C0 + 2H2SO4(конц.) = С+4O2­ + 2SO2­ + 2H2O С0 + 4HNO3(конц.) = С+4O2­ + 4NO2­ + 2H2O

— с серой образует сероуглерод: С + 2S2 = СS2.

Диоксид углерода (углекислый газ)

Способы получения углекислого газа

• CO2 – Конечный продукт окисления органических веществ в клетках аэробных организмов

• Образуется при действии сильных кислот на карбонаты (растворимые и нерастворимые) и гидрокарбонаты металлов:

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2O + CO2

NaHCO3 + HBr → NaBr +H2O +CO2

• При взаимодействии растворимых карбонатов с растворимыми солями алюминия, железа (III) и хрома (III), которые необратимо гидролизуются в водном растворе:

2AlCl3 + 3K2CO3 + 3H2O → 2Al(OH)3↓ + CO2↑ + 6KCl

• При термическом разложении нерастворимых карбонатов и при разложении растворимых гидрокарбонатов:

CaCO3 → CaO + CO2

2NaHCO3 → Na2CO3 + H2O +CO2

• При сжигании всех видов топлив:

СxHy + O2 = H2O + CO2

• При спиртовом брожении глюкозы под действием ферментов:

С6H12O6 → 2CO2 + 2C2H5OH

Химические свойства углекислого газа

Углекислый газ — типичный кислотный оксид. Проявляет слабые окислительные свойства

• Качественная реакция на углекислый газ — помутнение известковой воды:

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

• Взаимодействует с водой, но реакция сильно обратима, и с водой соединяется лишь 1% молекул угольной кислоты:

CO2 + H2O ↔ H2CO3

• С основными оксидами и сильными основаниями (щелочами), с образованием карбонатов или гидрокарбонатов. При этом возможно образование как кислых, так и средних солей:

Na2O + CO2 → 2Na2CO3

KOH + CO2 → KHCO3

2KOH + CO2 → K2CO3+ H2O

• С карбонатами, с образованием гидрокарбонатов:

Na2CO3 + CO2+ H2O → 2NaHCO3

• С водными растворами солей, образованными кислотами, слабее угольной (очень слабые кислоты):

Na2SiO3 + CO2 + H2O = H2SiO3 + Na2CO3

C6H5OK + CO2+ H2O → C6H5OH + KHCO3

• С некоторыми восстановителями:

CO2 + 3H2 → 2CН3OН + H2O

CO2 + C → 2CO

2Мg + CO2→ C + 2MgO

Внимание! Магний горит в атмосфере углекислого газа, поэтому горящий магний нельзя тушить углекислотными огнетушителями.

• В листьях растений на свету из CO2 и H2O образуются углеводы и кислород:

nCO2 + mH2O = Cn(H2O)m + nO2

• С пероксидом натрия, с образованием карбоната натрия:

2CO2 + 2Na2O2 → 2Na2CO3 + O2

• Синтез карбамида (мочевины):

CO2 + 2NH3 = CO(NH2)2 + H2O

• Получение питьевой соды по методу Сольвэ:

NaCl + CO2 + NH3 + H2O= NaHCO3 + NH4Cl

Нахождение углерода в природе

Ссвободный углерод встречается в виде алмаза и графита. В виде соединений углерод находится в составе минералов: мела, мрамора, известняка – СаСО3, доломита – MgCO3*CaCO3; гидрокарбонатов – Mg(НCO3)2 и Са(НCO3)2, СО2 входит в состав воздуха; углерод является главной составной частью природных органических соединений – газа, нефти, каменного угля, торфа, входит в состав органических веществ, белков, жиров, углеводов, аминокислот, входящих в состав живых организмов.

Углеродные соединения

В начале XIX века вещества были разделены на неорганические и органические. Ко второй группе относятся углеводороды (метановый, этиленовый и ацетиленовый ряды), белки, углеводы, жиры. Изучением этих веществ занимается органическая химия.

Неорганическая химия изучает другие соединения углерода: галогениды, цианиды, карбиды, оксиды. Наиболее значимыми являются кислородсодержащие вещества — CO, CO2. Есть еще C2O (окись диуглерода) и C3O2 (недооксид), но это пока не слишком изученные вещества.

Монооксид или угарный газ

Оксид углерода 2 (другое название монооксида) — образуется при неполном сгорании C, или продуктов, его содержащих. Его основные свойства:

1. Сжижается при температуре — 192 °C.
2. Затвердевает при t=-205°С.
3. Молекулярная масса — 28,01 г/моль.
4. Строение молекулы — линейное (в рамках теории валентных связей ее можно записать как «:C==O:»).
5. В воде практически нерастворим.

Монооксид — ядовитый газ, не имеющий цвета и запаха. Его отравляющее действие состоит в том, что он необратимо взаимодействует с гемоглобином крови, в результате чего полностью утрачивается способность переносить кислород от легких к тканям.

В промышленности монооксид получают в процессе газификации твердого топлива. В лаборатории синтезировать соединение можно путем воздействия концентрированной серной кислоты на щавелевую (C2H2O4) или муравьиную (HCOOH). Реакция протекает при нагревании:

• HCOOH → CO + H2O.
• C2H2O4 → CO + CO2 + H2O.

По химическим свойствам двухвалентный оксид — хороший восстановитель. Он отлично горит, выделяя при этом большое количество тепла: 2CO + O2 → 2CO2. Другие характерные признаки:

1. Способность «изымать» кислород из его соединений с металлами: FeO + CO → Fe + CO2.
2. В присутствии активированного угля, выступающего в роли катализатора, окись углерода со степенью окисления +2, способна присоединять хлор (Cl), образуя при этом фосген (COCL2) — боевое отравляющее вещество. Представляет собой бесцветный, высокотоксичный газ с запахом прелого сена. Уравнение реакции получения: CO + Cl2 → COCl2.
3. При высоких температурах (выше 400°C) и повышенном давлении (300 атм) реагирует с водородом. В результате процесса образуется метиловый спирт (метанол): CO + 2H2 → CH3OH.
4. При повышенных температурах взаимодействует со щелочами, образуя при этом соли муравьиной кислоты (HCOOH): CO + NaOH → HCOONa.
5. При взаимодействии с аммиаком образуется синильная кислота — очень ядовитое вещество: CO + NH3 → HCN + H2O.

Угарный газ находит широкое практическое применение. Он входит в состав искусственного газообразного топлива. Кроме того, незаменим при процессах органического синтеза.

Диоксид углерода или CO2

Это газ, не имеющий цвета, обладающий слабым кисловатым запахом и вкусом. Молярная масса равна 44.01 г/моль.

Примечание: оксид углерода 4 в полтора раза тяжелее воздуха, поэтому его можно «переливать» из пробирки в пробирку.

Углекислый газ (еще одно название диоксида углерода) не поддерживает горения. Кроме того, он делает невозможным дыхание: в комнате, где концентрация вещества будет высокой, человек задохнется. Какие свойства присущи соединению:

1. В углекислом газе могут гореть некоторые вещества, образующие с кислородом более прочную связь, нежели углерод (например, магний): 2Mg + CO2 → 2MgO + C.
2. Реакция горения с раскаленным углем: CO2 + C → 2CO.
3. Взаимодействие с водой: CO2 + H2O → H2CO3 (угольная кислота).
4. Образует кислотные оксиды при взаимодействии с основными оксидами: Na2O + CO2 → Na2CO3 (карбонат натрия).
5. При недостатке щелочи образует гидрокарбонаты: CO2 + NaOH → NaHCO3.

В промышленности диоксид углерода синтезируют путем термического разложения известняка или мела (иногда доломита, магнезита): CaCO3 → CaO + CO2. Также это вещество можно выделить из коксового газа, при сжигании угля, торфа, нефтепродуктов, древесины. Кроме того, он содержится и в природных источниках: например, «появляется» в результате вулканической деятельности, при распаде органических веществ.

В лабораторных условиях его получают при взаимодействии CaCO3 и соляной кислоты: CaCO3 + 2HCl → CaCL2 + CO2 + H2O (реакция проводится в аппарате Киппа). Другой способ — прокаливание гидрокарбоната натрия: NaHCO3 → Na2CO3 + CO2 + H2O.

Углекислый газ имеет промышленное значение: он необходим в содовом производстве, в пищевой промышленности (изготовление газированных напитков), для синтеза органических кислот. Сухой лед (твердый диоксид) используется в качестве хладагента — углекислая среда предотвращает продукты питания от разложения. Кроме того, CO2 применяется и в медицине (углекислотные ванны для активизации метаболических функций). Незаменим он и для сельского хозяйства — оксид углерода IV участвует в фотосинтезе, поэтому его недостаток негативно сказывается на растениях.

Карбонилы.

Монооксид углерода способен непосредственно реагировать со многими металлами или ионами металлов, образуя комплексные соединения, называемые карбонилами, например Ni(CO)4, Fe(CO)5, Fe2(CO)9, [Fe(CO)4]3, Mo(CO)6, [Co(CO)4]2. Связь в этих соединениях аналогична связи в описанных выше цианокомплексах. Ni(CO)4 – летучее вещество, используется для отделения никеля от других металлов. Ухудшение структуры чугуна и стали в конструкциях часто связано с образованием карбонилов. Водород может входить в состав карбонилов, образуя карбонилгидриды, такие, как H2Fe(CO)4 и HCo(CO)4, проявляющие кислотные свойства и реагирующие со щелочью:

H2Fe(CO)4 + NaOH → NaHFe(CO)4 + H2O

Известны также карбонилгалогениды, например Fe(CO)X2, Fe(CO)2X2, Co(CO)I2, Pt(CO)Cl2, где Х – любой галоген (см. также МЕТАЛЛООРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ).

Азотпроизводные углерода.

К этой группе относится мочевина NH2CONH2 – азотное удобрение, применяемое в виде раствора. Мочевину получают из NH3 и CO2 при нагревании под давлением:

Дициан (CN)2 по многим свойствам подобен галогенам и его часто называют псевдогалоген. Дициан получают мягким окислением цианид-иона кислородом, пероксидом водорода или ионом Cu2+: 2CN– ® (CN)2 + 2e.

Цианид-ион, являясь донором электронов, легко образует комплексные соединения с ионами переходных металлов. Подобно СО, цианид-ион является ядом, связывая жизненно важные соединения железа в живом организме. Цианидные комплексные ионы имеют общую формулу [M(CN)x]–0,5x, где х – координационное число металла (комплексообразователя), эмпирически равно удвоенному значению степени окисления иона металла. Примерами таких комплексных ионов являются (строение некоторых ионов приведено ниже) тетрацианоникелат(II)-ион [Ni(CN)4]2–, гексацианоферрат(III) [Fe(CN)6]3–, дицианоаргентат [Ag(CN)2]–:

Углерод

Атомный углерод является очень недолговечным видом, и поэтому углерод стабилизируется в различных многоатомных структурах с различными молекулярными конфигурациями, называемыми аллотропами. Три относительно известных аллотропа углерода – аморфный углерод, графит и алмаз. Ранее считавшиеся экзотическими, фуллерены в настоящее время обычно синтезируются и используются в исследованиях; они включают бакиболы, углеродные нанотрубки, углеродные наноточки и нановолокна. Также было обнаружено несколько других экзотических аллотропов, таких как лонсалетит, стеклоуглерод, углеродный нанофаум и линейный ацетиленовый углерод (карбин). По состоянию на 2009 год, графен считается наиболее сильным материалом среди всех, когда-либо протестированных. Процесс отделения его от графита потребует некоторого дальнейшего технологического развития, прежде чем он станет экономичным для промышленных процессов. В случае успеха, графен можно будет использовать при строительстве космических лифтов. Он также может быть использован для безопасного хранения водорода для использования в двигателях на основе водорода в автомобилях. Аморфная форма представляет собой набор атомов углерода в некристаллическом, нерегулярном, стекловидном состоянии, а не содержащихся в кристаллической макроструктуре. Она присутствует в виде порошка и является основным компонентом таких веществ, как древесный уголь, ламповая копоть (сажа) и активированный уголь. При нормальных давлениях, углерод имеет форму графита, в котором каждый атом тригонально связан тремя другими атомами в плоскости, состоящей из сплавленных гексагональных колец, как и в ароматических углеводородах 10). Полученная сеть является двухмерной, и полученные плоские листы складываются и свободно связываются через слабые силы Ван-дер-Ваальса. Это дает графиту его мягкость и свойства расщепления (листы легко проскальзывают друг за другом). Из-за делокализации одного из внешних электронов каждого атома с образованием π-облака, графит проводит электричество, но только в плоскости каждого ковалентно связанного листа. Это приводит к более низкой удельной электропроводности для углерода, чем для большинства металлов. Делокализация также объясняет энергетическую стабильность графита над алмазом при комнатной температуре. При очень высоких давлениях, углерод образует более компактный аллотроп, алмаз, имеющий почти вдвое большую плотность, чем графит. Здесь каждый атом тетраэдрически соединен с четырьмя другими, образуя трехмерную сеть сморщенных шестичленных колец атомов. Алмаз имеет ту же кубическую структуру, что кремний и германий, и из-за прочности углерод-углеродных связей он является самым твердым природным веществом, что измеряется по сопротивлению царапинам. Вопреки распространенному мнению, что «алмазы вечны», они термодинамически нестабильны в нормальных условиях и превращаются в графит. Из-за высокого энергетического барьера активации, переход в форму графита настолько медленный при нормальной температуре, что он незаметен. При некоторых условиях, углерод кристаллизуется как лонсалейт, гексагональная кристаллическая решетка со всеми ковалентно связанными атомами и свойствами, аналогичными свойствам алмаза. Фуллерены представляют собой синтетическое кристаллическое образование с графитоподобной структурой, но вместо шестиугольников фуллерены состоят из пятиугольников (или даже семиугольников) атомов углерода. Отсутствующие (или дополнительные) атомы деформируют листы в сферы, эллипсы или цилиндры. Свойства фуллеренов (разделенных на бакиболы, бакитубы и нанобады) еще не полностью проанализированы и представляют собой интенсивную область исследований наноматериалов. Названия «фуллерен» и «бакибол» связаны с именем Ричарда Бакминстера Фуллера, популяризатора геодезических куполов, которые напоминают структуру фуллеренов. Бакиболы представляют собой довольно крупные молекулы, образованные полностью из углеродных связей тригонально, образуя сфероиды (наиболее известным и простейшим является баксинистерфеллерен C60 с формой футбольного мяча). Углеродные нанотрубки структурно подобны бакиболам, за исключением того, что каждый атом связан тригонально в изогнутом листе, который образует полый цилиндр. 11) Нанобады впервые были представлены в 2007 году и представляют собой гибридные материалы (бакиболы ковалентно связаны с внешней стенкой нанотрубки), которые сочетают свойства обоих в одной структуре. Из других обнаруженных аллотропов, углеродная нанопена является ферромагнитным аллотропом, обнаруженным в 1997 году. Она состоит из кластерной сборки атомов углерода с низкой плотностью, натянутых вместе в рыхлую трехмерную сеть, в которой атомы тригонально связаны в шести- и семичленных кольцах. Она относится к числу самых легких твердых веществ с плотностью около 2 кг / м3. Аналогичным образом, стеклообразный углерод содержит высокую долю закрытой пористости, но, в отличие от обычного графита, графитовые слои не сложены в виде страниц в книге, но имеют более случайное расположение. Линейный ацетиленовый углерод имеет химическую структуру — (C ::: C) n-. Углерод в этой модификации является линейным с орбитальной гибридизацией sp и является полимером с чередующимися одиночными и тройными связями. Этот карбин представляет значительный интерес для нанотехнологий, поскольку его модуль Юнга в сорок раз больше, чем у самого твердого материала – алмаза. В 2015 году команда из Университета Северной Каролины объявила о разработке еще одного аллотропа, который они назвали Q-углерод, созданный высокоэнергетическим лазерным импульсом низкой длительности на аморфной углеродной пыли. Сообщается, что Q-углерод проявляет ферромагнетизм, флуоресценцию и имеет твердость, превосходящую алмазы.

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 + O2 = CO2; 2C + O2 = 2CO.
• реагирует при высоких температурах с парами серы, легко взаимодействует с хлором, фтором: C + 2S = CS2 C + 2Cl2 = CCl4 2F2 + C = CF4
• при нагревании восстанавливает из оксидов многие металлы и неметаллы: C0 + Cu+2O = Cu0 + C+2O; C0+C+4O2 = 2C+2O
• при температуре 1000°C реагирует с водой (процесс газификации), с образованием водяного газа: C + H2O = CO + H2;

Углерод проявляет окислительные свойства в реакциях с металлами и водородом:

• реагирует с металлами с образованием карбидов: Ca + 2C = CaC2
• взаимодействуя с водородом, углерод образует метан: C + 2H2 = CH4

Углерод получают термическим разложением его соединений или пиролизом метана (при высокой температуре): CH4 = C + 2H2.

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.).

В начало страницы