Углерод и Кремний: Часть 1

Видео

Конспект

Лекция: «Химия элементов. Углерод. Кремний.»

УГЛЕРОД

1. Характеристика углерода как химического элемента

Углерод является элементом второго периода IVА (главной) подгруппы таблицы Менделеева. В ядре атома углерода содержится 6 протонов, в нейтральном атоме на двух энергетических уровнях располагаются 6 электронов. Электронная конфигурация 1s^2 2s^2 2p^2 в основном состоянии. При переходе атома углерода в возбужденное состояние происходит распаривание электронов и приобретение конфигурации 1s^2 2s^1 2p^3 с четырьмя свободными электронами на внешнем энергетическом уровне.

Атом углерода проявляет степени окисления -4 , 0 , +2 , +4 ( Al_4C_3 – карбид алюминия; C – углерод, CO – угарный газ, CO_2 – углекислый газ).

image1 2. Свойства углерода как простого вещества

Углерод может существовать в виде множества аллотропных модификаций (алмаз, графит, графен, фуллерен, кокс/сажа/уголь и др.), каждая из которых обладает собственными физическими свойствами (Рис. 1).

image2 Алмаз: твердые прозрачные кристаллы, очень прочные и твердые. Алмаз не проводит электрический ток, но проводит тепло. Обладает особыми оптическими свойствами, имеет атомную кристаллическую решетку. Находит своё применение в ювелирном деле и резке стекла (за счёт высокой твердости).

Графит: серое твердое кристаллическое вещество. Мягкий и хрупкий материал, при этом очень хорошо проводит электрический ток и используется в изготовлении электродов, карандашных грифелей и не только.

Пример 1

Условие

Общее число электронов на внешнем электронном слое атома углерода в возбужденном состоянии равно ___.

Ответ 4

Пример 2

Условие

Степень окисления углерода в карбиде алюминия равна ___.

Ответ -4

3. Химические свойства углерода

Углерод сам по себе достаточно инертен, большинство реакций требует повышенных температур или специальных условий. Рассмотрим, с какими веществами углерод вступает в химические реакции.

1) С металлами

Углерод реагирует с некоторыми металлами с образованием бинарных соединений – карбидов. Углерод в карбидах имеет степень окисления -4 . Карбид алюминия нашел свое применение в синтезе метана – природного газа. 4Al + 3C \xrightarrow{t^\circC} \underset{карбид алюминия}{Al_4C_3^{\,\color{red}-4}} 2) С неметаллами

Углерод реагирует с большинством неметаллов, в результате реакций соединения получаются бинарные соединения. В реакции с водородом образуется CH_4 – метан, вещество, с которого начинается органическая химия углеводородов. C + 2H_2 \xrightarrow{t^\circC} \underset{метан} {CH_4 }

С кислородом образуются оксиды углерода. В зависимости от соотношения реагентов может получиться как оксид углерода (II) – угарный газ, так и оксид углерода (IV) – углекислый газ. 2C + O_2 \xrightarrow{t^\circC} \underset{угарный газ}{2CO}

\quad\quad

C + O_2 \xrightarrow{t^\circC} \underset{углекислый газ}{CO_2}

С кремнием также получается бинарное соединение, называемое карбидом кремния (или карборундом). Несмотря на то, что кремний является неметаллом, здесь он имеет положительную степень окисления ввиду меньшей электроотрицательности по сравнению с углеродом. C + Si \xrightarrow{t^\circC} Si^{\,\color{red}+4}C^{\,\color{red}-4} --- карбид кремния (карборунд)

Также известна реакция углерода с серой с образованием бинарного вещества CS_2 – сероуглерода. C + 2S \longrightarrow \underset{сероуглерод}{\overset{\color{red}+4}{\vphantom{S}}C\overset{\color{red}-2}{\vphantom{S}}S_2}

3) Восстановление металлов из оксидов

Углерод проявляет очень хорошие восстановительные свойства, что находит своё применение в промышленности для получения металлов из их оксидов. Реакции проводятся при повышенных температурах и в жестких условиях, таким образом можно получить металлы средней и малой активности. CuO + C \xrightarrow{t^\circC} Cu + CO Fe_2O_3 + C \xrightarrow{t^\circC} 2FeO + CO --- неполное восстановление, образование низшего оксида железа (II) Fe_2O_3 + 3C \xrightarrow{t^\circC} 2Fe + 3CO --- полное восстановление до металла

При этом возможно частичное восстановление с образованием более низкого оксида металла. Реакция идет с образованием угарного газа.

4) Реакция с углекислым газом

Углерод при нагревании может реагировать с углекислым газом с образованием промежуточного оксида – угарного газа. C + CO_2 \xrightarrow{t^\circC} 2CO

4. Способы получения углерода

В промышленности углерод добывают в виде каменного или бурого угля в шахтах. Также углерод является продуктом высокотемпературной обработки природных углеводородов, добываемых из природного газа или нефти.

Пример 3

Условие

Выберите все вещества, с которыми углерод способен вступать в реакции при соответствующих условиях

водный раствор гидроксида натрия

вода

кремний

оксид магния

оксид калия

водород

Ответ 346

Соединения углерода

Угарный газ ( CO )

Наибольший интерес представляют оксиды углерода. Так CO – оксид углерода (II), монооксид углерода, угарный газ. Представляет собой бесцветный газ без запаха, при этом является ядовитым. Углерод находится в степени окисления +2 . В молекуле угарного газа присутствуют две ковалентные полярные связи, образованные по обменному механизму и одна «неполная» связь, образованная по донорно-акцепторному механизму.

image10 Образование дополнительной связи обусловлено наличие у атома кислорода неподеленной пары электронов на внешнем уровне, а у атома углерода – свободной орбитали. По классификации CO – несолеобразующий оксид.

Химические свойства угарного газа

1) С кислородом

При реакции с кислородом образуется высший оксид углерода (IV) – углекислый газ. 2CO + O_2 \longrightarrow 2CO_2

2) Восстановление металлов из оксидов

Аналогично углероду, угарный газ может быть использован в качестве восстановителя в промышленности для получения металлов. Реакция идет при повышенных температурах и давлении и сопровождается образованием углекислого газа. CuO + CO \xrightarrow{t^\circC} Cu + CO_2 ZnO + CO \xrightarrow{t^\circC} Zn + CO_2

3) Промышленный синтез метанола

Угарный газ нашел свое применение в синтезе органического метилового спирта – метанола. Для осуществления реакции необходимо соблюдение особых температурных условий и добавление вспомогательных веществ – катализаторов. Смесь угарного газа и водорода даже получила особое название – синтез-газ. CO + 2H_2 \xrightarrow{кат., t^\circC} CH_3OH --- метанол (метиловый спирт)

Пример 4

Условие

Выберите все наборы реагентов, в результате реакции между которыми возможно образование угарного газа:

Углерод и кислород

Оксид меди и углерод

Метанол и кислород

Углерод и водород

Углекислый газ и углерод

Ответ 125

Пример 5

Условие

Задана следующая схема превращений веществ:

image14 Определите, какие из указанных веществ являются веществами X и Y .

1) железная окалина

4) оксид железа (III)

2) железо

5) гидроксид железа (II)

3) оксид железа (II)

6) углекислый газ

Ответ

X

Y

3

1

Углекислый газ ( CO_2 )

Высшим оксидом углерода является CO_2 – оксид углерода (IV), диоксид углерода, углекислый газ. Углекислый газ не имеет цвета и запаха, содержится в атмосфере в небольших количествах и является безопасным для человека. Однако большое его содержание в воздухе оказывает пагубное влияние на организм и вызывает проблемы со здоровьем, в первую очередь, с дыхательной системой. Углекислый газ не поддерживает горение, поэтому может использоваться для тушения пожаров (углекислотный огнетушитель).

image15 Молекула имеет линейное строение и является неполярной. Углерода находится в высшей степени окисления +4 . Все связи ковалентные полярные.

Химические свойства углекислого газа

Углекислый газ по классификации является кислотным оксидом, поэтому проявляет типичные свойства кислотного оксида. CO_2 соответствует угольной кислоте H_2CO_3 , которая образует средние соли – карбонаты ( CO_3^{2-} ) и кислые соли – гидрокарбонаты ( HCO_3^{-} ).

1) Взаимодействие с водой

Углекислый газ обладает хорошей растворимостью в воде. При этом образуется слабая угольная кислота, которая частично распадается на воду и CO_2 , поэтому данный процесс можно считать равновесным. CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3 --- угольная кислота

2) С кислотными оксидами

С основными оксидами CO_2 вступает в реакцию соединения с образованием средних солей – карбонатов.

CO_2 + Na_2O \longrightarrow Na_2CO_3 CO_2 + CaO \longrightarrow CaCO_3

3) С основными гидроксидами

С основными гидроксидами углекислый газ также образует соли. В зависимости от соотношения реагентов могут образовываться как средние, так и кислые соли. В избытке основания образуются средние соли, а в избытке углекислого газа – кислые (гидрокарбонаты). CO_2 + \underset{\color{red}(изб.)}{2KOH} \longrightarrow K_2CO_3 + H_2O \quad\Big\}\quad CO_3^{2-} --- карбонаты (средние соли) \underset{\color{red}(изб.)}{CO_2} + KOH \longrightarrow KHCO_3 \quad\Big\}\quad HCO_3^{-} --- гидрокарбонаты (кислые соли)

4) Образование гидрокарбонатов из карбонатов

Добавление углекислого газа к растворам карбонатов сопровождается превращением карбонат-аниона в гидрокарбонат-анион. В некоторых случаях реакции могут сопровождаться растворением осадков, как, например, растворение карбоната кальция. CO_2 + H_2O + K_2CO_3 \longrightarrow 2KHCO_3 \quad {\color{red}--- нет видимых признаков} CO_2 + H_2O + CaCO_3 \longrightarrow Ca(HCO_3)_2 \quad {\color{red}--- растворение осадка}

5) Фотосинтез

Углекислый газ участвует в процессе фотосинтеза. Клетки хлорофилла растений на свету способны перерабатывать углекислый газ в кислород. Соответствующая химическая реакция сопровождается образованием органических продуктов. 6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{h\nu} C_6H_{12}O_6 + 3O_2

Способы получения углекислого газа

1) Реакции обмена

Образующаяся в результате реакций обмена угольная кислота сразу же разлагается на воду и углекислый газ. Это очень хорошо заметно при проведении лабораторного опыта в пробирке – появляются шипящие пузырьки газа. Очень часто такие реакции используют для качественного определения карбонат-анионов. Na_2CO_3 + H_2SO_4 \longrightarrow Na_2SO_4 + H_2O + CO_2\uparrow \quad {\color{red}--- выделение газа без цвета и запаха} CO_3^{2-} + 2H^+ \longrightarrow H_2O + CO_2 {\color{red}сокращенное ионное уравнение реакции}