Углерод и его соединения

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

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 + H2O  t˚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 + 2C0   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 + Н₂ – Q,

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 + Me_xO_y = 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 —

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:

CaCO_{3 (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 + CO_{2 (избыток)} → NaHCO₃

3) При повышенной температуре может проявлять окислительные свойства – окисляет металлы  — СO₂ + Me = Me_xO_y + 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 + H₂O ↔ H₂CO₃

Химические свойства:

Для угольной кислоты характерны все свойства кислот.

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

H₂CO₃ ↔ H⁺ + HCO₃^—_{(гидрокарбонат-ион)}

HCO₃^— ↔ H⁺ + CO₃^2- _{(карбонат-ион)}

2) с активными металлами

H₂CO₃ + Ca = CaCO₃ + H₂↑

3) с основными оксидами

H₂CO₃ + CaO = CaCO₃ + H₂O

4) с основаниями

H₂CO_3(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 CO₃^2-  карбонат – ион «вскипание» при действии сильной кислоты:

Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl + H₂O + CO₂­↑