Углерод: Часть 1

Видео

Конспект

Лекция 7: "Углерод"

Электронные конфигурации внешнего слоя атомов всех этих элементов ns^2np^2 , поэтому в соединениях они проявляют степени окисления от -4 до +4 . Для углерода и кремния характерны ковалентные соединения. Почти во всех соединениях углерод и кремний четырёхвалентны. Атомы углерода в простых веществах и во многих соединениях образуют между собой достаточно прочные связи — как одинарные, так и кратные. В соединениях с кислородом углерод образует кратные связи, например в молекулах CO и CO_2 . Для кремния выгоднее образовывать несколько одинарных связей вместо кратных, поэтому для SiO_2 реализуется атомный тип кристаллической решётки с образованием трёхмерной сети -Si-O-Si-O- .

Углероду свойственна аллотропия — он может существовать в форме нескольких простых веществ: алмаз, графит, аморфный углерод (древесный уголь, активированный уголь), карбин, фуллерен, графен.

Алмаз — высокопрочные прозрачные бесцветные кристаллы. Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии sp^3 -гибридизации, кристаллическая решётка алмаза — атомная. Алмаз имеет уникальную твёрдость и преломляющую способность, что очень важно для создания режущих инструментов и ювелирных украшений.

Графит — серая, непрозрачная, жирная на ощупь масса. В графите атомы углерода находятся в sp^2 -гибридизованном состоянии, что обуславливает слоистую структуру графита, состоящую из плоских шестиугольников. Слоистой структурой графита объясняется его электро- и теплопроводность.

Нахождение в природе. Углерод занимает 11-е место среди элементов по распространённости на Земле. В атмосфере он содержится в виде CO_2 , из него образованы многие горные породы и минералы, например мел, известняк, мрамор (химическая формула CaCO_3 ), доломит MgCO_3 \cdot CaCO_3 , малахит (CuOH)_2CO_3 . Углерод входит в состав белков, нуклеиновых кислот, углеводов, без которых невозможна жизнь живых существ и растений.

Окислительные свойства углерод проявляет только с активными восстановителями — металлами. 2C + Ca \overset{t}{=} CaC_2 (карбид кальция относится к ряду ацетиленидов, т.к. при взаимодействии с водными растворами образуется ацетилен: CaC_2 + 2H_2O = Ca(OH)_2 + C_2H_2 ) 3C + 4Al \overset{t}{=} Al_4C_3 (карбид алюминия относится к ряду метанидов, т.к. при взаимодействии с водными растворами образуется метан: Al_4C_3 + 12H_2O = 4Al(OH)_3 + 3CH_4 )

Восстановительные свойства 2C + O_2(недостаток) \overset{t}{=} 2CO C + O_2(избыток) \overset{t}{=} CO_2 C + 2F_2 = CF_4.

При нагревании смеси кварцевого песка и кокса при температуре около 2000 °С образуется карбид кремния, или карборунд, SiC — тугоплавкое вещество, близкое по твёрдости к алмазу и обладающее атомной кристаллической решёткой: SiO_2 + 3C \overset{t}{=} SiC + 2CO.

Углерод применяют для восстановления малоактивных металлов из их оксидов: CuO + C \overset{t}{=} Cu + CO

и для переводов сульфатов металлов в соответствующие сульфиды: BaSO_4 + 4C \overset{t}{=} BaS + 4CO.

Оксид углерода(II) CO (угарный газ) при обычных условиях — газ без цвета и запаха. Он ядовит, горит голубоватым пламенем, легче воздуха, плохо растворим в воде. Кроме сжигания углерода в недостатке кислорода, CO можно получать при взаимодействии раскалённого угля с водяным паром или с диоксидом углерода: C + H_2O \overset{T}{=} CO + H_2, CO_2 + C \overset{T}{=} 2CO.

В лаборатории CO получают обезвоживанием муравьиной или щавелевой кислот в присутствии концентрированной серной кислоты как водоотнимающего средства: HCOOH \overset{H_2SO_4(конц)}{=} CO + H_2O, H_2C_2O_4 \overset{H_2SO_4(конц)}{=} CO + CO_2 + H_2O.

При пропускании CO в расплав щёлочи при высоком давлении образуется формиат, соль муравьиной кислоты: CO + KOH \overset{t,\ p}{=} HCOOK. Благодаря этому CO формально считают ангидридом муравьиной кислоты. Однако получить муравьиную кислоту гидратацией монооксида углерода нельзя. Степень окисления углерода +2 в монооксиде CO не отражает строение молекулы оксида, в которой помимо двух связей, образованных по обменному механизму при спаривании электронов углерода и кислорода, имеется ещё одна, образованная по донорно-акцепторному механизму за счёт неподелённой пары электронов кислорода (изображена стрелкой): C{\equiv}O

Наличие тройной связи объясняет прочность молекулы CO и её низкую реакционную способность при обычных температурах. При повышенных температурах CO взаимодействует с кислородом и оксидами металлов: 2CO + O_2 \overset{t}{=} 2CO_2, Fe_2O_3 + CO \overset{t}{=} 2FeO + CO_2.

При пропускании смеси CO и Cl_2 через слой активированного угля можно получить ядовитый газ фосген, вызывающий паралич дыхательных путей: CO + Cl_2 \overset{t}{=} COCl_2.

При нагревании монооксида углерода с водородом при повышенном давлении в присутствии катализатора образуется метиловый спирт: CO + 2H_2 \overset{t}{=} CH_3OH.