Углерод и его соединения

16 Июн

Углерод встречается в природе, как в свободном виде, так и в соединениях. В свободном виде встречается в виде аллотропных видоизменений – алмаз, графит, карбин, фуллерен.

uglerod

Алмаз

Кристаллическое вещество, прозрачное, сильно преломляет лучи света, очень твёрдое, не проводит электрический ток, плохо проводит тепло, ρ = 3,5 г/см3; t°пл. = 3730°C; t°кип. =  4830°C.

Можно получить из графита при p > 50 тыс. атм; t° = 1200°C.

Применение: 

Шлифовальный порошок, буры, стеклорезы, после огранки — бриллианты.

Графит

Кристаллическое вещество, слоистое, непрозрачное, тёмно-серое, обладает металлическим блеском, мягкое, проводит электрический ток; ρ = 2,5 г/см3.

Применение:

Электроды, карандашные грифели, замедлитель нейтронов в ядерных реакторах, входит в состав некоторых смазочных материалов. 

Карбин 

Чёрный порошок; ρ = 2 г/см3; полупроводник.

Состоит из линейных цепочек  –C≡C–C≡C–  и  =С=С=С=С=.

При нагревании переходит в графит.

 В конце 80-х годов XX века было обнаружено ещё одно аллотропное видоизменение – фуллерит. Он, в отличие от алмаза и графита, имеет не атомную, а молекулярную кристаллическую решётку.

Атомы углерода могут образовывать также полые трубки – так называемые нанотрубки. В настоящее время фуллерены и нанотрубки рассматриваются в качестве основы для технологий будущего.

Соединения углерода весьма распространены: все живые организмы, каменный уголь, торф, нефть и др. содержат углерод. Углерод входит в состав многих неорганических веществ (известняк, мел, мрамор и др).

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УГЛЕРОДА

Углерод — малоактивен, на холоде реагирует только со фтором; химическая активность проявляется при высоких температурах.

С – восстановитель

С0 – 4 е→ С+4 или С0 – 2 е→ С+2

С – окислитель

С0 + 4 е→ С-4

1)     с кислородом

C0 + O2  t˚C → CO2      углекислый газ

при недостатке кислорода наблюдается неполное сгорание образуется угарный газ:

2C0 + O2  t˚C → 2C+2O

2)     со фтором

С + 2F2 → CF4

3)     с водяным паром

C0 + H2t˚C →  С+2O + H2      водяной газ

4)     с оксидами металлов

С + MexOy = CO2 + Me

C0 + 2CuO  t˚C → 2Cu + C+4O2

5)     с кислотами – окислителями:

C0 + 2H2SO4(конц.) →  С+4O2­ + 2SO2­ + 2H2O

С0 + 4HNO3(конц.) →  С+4O2­ + 4NO2­ + 2H2O

 

1)     с некоторыми металлами образует карбиды

4Al + 3C0   t˚C →    Al4C3-4

Ca + 2C t˚C →    CaC2-1

2)     с водородом

C0 + 2H2 t˚C →  CH4

 

 

Оксид углерода(II) – СО

(угарный газ, окись углерода, монооксид углерода)

Физические свойства: бесцветный ядовитый газ без вкуса и запаха, горит голубоватым пламенем, легче воздуха, плохо растворим в воде. Концентрация угарного газа в воздухе 12,5—74 % взрывоопасна.

Строение молекулы:

Формальная степень окисления углерода +2 не отражает строение молекулы СО, в которой помимо двойной связи, обра­зованной обобществлением электронов С и О, имеется дополнительная, образованная по донорно-акцепторному механизму за счет неподеленной пары электронов кислорода (изображена стрелкой):

В связи с этим молекула СО очень прочна и способна вступать в реакции окисления-восстановления только при высоких темпера­турах. При обычных условиях СО не взаимодействует с водой, щелочами или кислотами.

Получение:

Основным антропогенным источником угарного газа CO в настоящее время служат выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания. Угарный газ образуется при сгорании топлива в двигателях внутреннего сгорания при недостаточных температурах или плохой настройке системы подачи воздуха (подается недостаточное количество кислорода для окисления угарного газа CO в углекислый газ CO2). В естественных условиях, на поверхности Земли, угарный газ CO образуется при неполном анаэробном разложении органических соединений и при сгорании биомассы, в основном в ходе лесных и степных пожаров.

1)     В промышленности (в газогенераторах)

C + O2 = CO2 + 402 кДж

CO2 + C = 2CO – 175 кДж

В газогенераторах иногда через раскалённый уголь продувают водяной пар:

С + Н2О = СО + Н2Q,

смесь СО + Н2 – называется синтез – газом.

2)     В лаборатории — термическим разложением муравьиной или щавелевой кислоты в присутствии H2SO4(конц.):

HCOOH  t˚C, H2SO4 H2O + CO­

H2C2O4 t˚C,H2SO4  CO­ + CO2­ + H2O

Химические свойства:

При обычных условиях CO инертен; при нагревании – восстановитель;

CO — несолеобразующий оксид.

1)     с кислородом

2C+2O + O2 t˚C →   2C+4O2

2)     с оксидами металлов CO + MexOy = CO2 + Me

C+2O + CuO t˚C →    Сu + C+4O2

3)     с хлором (на свету)

CO + Cl2  свет → COCl2 (фосген – ядовитый газ)

4)*     реагирует с расплавами щелочей (под давлением)

CO + NaOH P →  HCOONa (формиат натрия)

Влияние угарного газа на живые организмы:

Угарный газ опасен, потому что он лишает возможности кровь нести кислород к жизненно важным органам, таким как сердце и мозг. Угарный газ объединяется с гемоглобином, который переносит кислород к клеткам организма, в следствии чего тот становится непригодным для транспортировки кислорода. В зависимости от вдыхаемого количества, угарный газ ухудшает координацию, обостряет сердечно-сосудистые заболевания и вызывает усталость, головную боль, слабость, Влияние угарного газа на здоровье человека зависит от его концентрации и времени воздействия на организм. Концентрация угарного газа в воздухе более 0,1% приводит к смерти в течение одного часа, а концентрация более 1,2% в течении трех минут.

Применение оксида углерода:

Главным образом угарный газ применяют, как горючий газ в смеси с азотом, так называемый генераторный или воздушный газ, или же в смеси с водородом водяной газ. В металлургии для восстановления металлов из их руд. Для получения металлов высокой чистоты при разложении карбонилов.

Оксид углерода (IV) СO2 – углекислый газ

Физические свойства: Углекислый газ, бесцветный, без запаха, растворимость в воде — в 1V H2O растворяется 0,9V CO2 (при нормальных условиях); тяжелее воздуха; t°пл.= -78,5°C (твёрдый CO2 называется «сухой лёд»); не поддерживает горение.

Строение молекулы:

Углекислый газ имеет следующие электронную и структурную формулы —

O=C=O

Все четыре связи ковалентые полярные.

Получение: 

1.       Термическим разложением солей угольной кислоты (карбонатов). Обжиг известняка – в промышленности:

CaCO3  t=1200˚C CaO + CO2­ 

2.       Действием сильных кислот на карбонаты и гидрокарбонаты –

в лаборатории:

CaCO3 (мрамор) + 2HCl CaCl2 + H2O + CO2­

NaHCO3 + HCl NaCl + H2O + CO2­

3. Сгорание углеродсодержащих веществ:

СН4 + 2О2 2H2O + CO2­

4. При медленном окислении в биохимических процессах (дыхание, гниение, брожение)

Химические свойства:

Кислотный оксид:

1) с водой даёт непрочную угольную кислоту:

СО2 + Н2О ↔ Н2СО3

2) реагирует с основными оксидами и основаниями, образуя соли угольной кислоты

Na2O + CO2 Na2CO3

2NaOH + CO2 Na2CO3 + H2O

NaOH + CO2 (избыток) NaHCO3

3) При повышенной температуре может проявлять окислительные свойства – окисляет металлы  — СO2 + Me = MexOy + C

С+4O2 + 2Mg  t˚C 2Mg+2O + C0

Качественная реакция на углекислый газ:

Помутнение известковой воды Ca(OH)2 за счёт образования белого осадка – нерастворимой соли  CaCO3:

Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 ↓+ H2O

Угольная кислота и её соли

Химическая формула — H2CO3

Структурная формула – все связи ковалентные полярные:

Кислота слабая, существует только в водном растворе, очень непрочная, разлагается на углекислый газ и воду:

CO2 + H2OH2CO3

Химические свойства:

Для угольной кислоты характерны все свойства кислот.

1) Диссоциация – двухосновная кислота, диссоциирует слабо в две ступени, индикатор — лакмус краснеет в водном растворе:

H2CO3H+ + HCO3(гидрокарбонат-ион)

HCO3H+ + CO32- (карбонат-ион)

2) с активными металлами

H2CO3 + Ca = CaCO3 + H2

3) с основными оксидами

H2CO3 + CaO = CaCO3 + H2O

4) с основаниями

H2CO3(изб) + NaOH = NaHCO3 + H2O

H2CO3 + 2NaOH = Na2CO3 + 2H2O

5) Очень непрочная кислота – разлагается

Соли угольной кислоты – карбонаты и гидрокарбонаты

Угольная кислота образует два ряда солей:

·         Средние соли — карбонаты Na2СO3, (NH4)2CO3

·         Кислые соли — бикарбонаты, гидрокарбонаты NaHCO3 , Ca(HCO3)2

В природе встречаются:

CaCO3 мел,  мрамор, известняк

NaHCO3 – питьевая сода

K2CO3(поташ, в золе растений)

Na2CO3 – сода, кальцинированная сода

Na2CO3 x 10H2O – кристаллическая сода

Физические свойства:

Все карбонаты – твёрдые кристаллические вещества. Большинство из них в воде не растворяются. Гидрокарбонаты растворяются в воде.

Химические свойства солей угольной кислоты:

Общие свойства солей:

1) Вступают в реакции обмена с другими растворимыми солями                 

Na2CO3 + CaCl2 = CaCO3↓ + 2NaCl

2) Разложение гидрокарбонатов при нагревании

NaHCO3 t˚C Na2CO3 + H2O + CO2

3) Разложение нерастворимых карбонатов при нагревании

CaCO3 t˚C CaO+ CO2

4) Карбонаты и гидрокарбонаты могут превращаться друг в друга:

гидрокарбонаты в карбонаты

Me(HCO3)n + Me(OH)n → MeCO3+H2O

Me(HCO3)n t˚C → MeCO3↓+H2O+CO2

карбонаты в гидрокарбонаты

MeCO3+H2O+CO2= Me(HCO3)n

Специфические свойства:

1) Качественная реакция на CO32-  карбонат – ион «вскипание» при действии сильной кислоты:

Na2CO3 + 2HCl = 2NaCl + H2O + CO2­↑

uglerod-ximicheskie-svojstva-allotropiya-so-so2

Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в Одноклассники

Комментарии: