Свойства углерода как химического элемента

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: 1s 2 2s 2 2p 2 . 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 1s 2 2s 1 2px 1 2py 1 2pz 1 . Именно такое состояние атома углерода характерно для решетки алмаза — тетраэдрическое пространственное расположение гибридных орбиталей, одинаковая длина и энергия связей.

Это явление, как известно, называют sp 3 -гибридизацией, а возникающие функции – sp 3 -гибридными. Образование четырех sp 3 -cвязeй обеспечивает атому углерода более устойчивое состояние, чем три р—р- и одна s—s-связи. Помимо sp 3 -гибридизации у атома углерода наблюдается также sp 2 — и sp-гибридизация. В первом случае возникает взаимное наложение s- и двух р-орбиталей. Образуются три равнозначные sp 2 — гибридных орбитали, расположенные в одной плоскости под углом 120° друг к другу. Третья орбиталь р неизменна и направлена перпендикулярно плоскости sp 2 .

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 sp 2 -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.

Химические свойства углерода

Наиболее характерные степени окисления: +4, +2.

При низких температурах углерод инертен, но при нагревании его активность возрастает.

Углерод как восстановитель:

— с кислородом
C 0 + O2 – t° = CO2 углекислый газ
при недостатке кислорода — неполное сгорание:
2C 0 + O2 – t° = 2C +2 O угарный газ

— с водяным паром
C 0 + H2O – 1200° = С +2 O + H2 водяной газ

— с оксидами металлов. Таким образом выплавляют металл из руды.
C 0 + 2CuO – t° = 2Cu + C +4 O2

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

Углерод как окислитель:

— с некоторыми металлами образует карбиды

Ca + 2C 0 = CaC2 -4

— с водородом — метан (а также огромное количество органических соединений)

— с кремнием, образует карборунд (при 2000 °C в электропечи):

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.

Неорганические соединения углерода

Ни ионы С 4+ , ни С 4- ‑ ни при каких обычных химических процессах не образуются: в соединениях углерода имеются ковалентные связи различной полярности.

Оксид углерода (II) СО

Угарный газ; бесцветный, без запаха, малорастворим в воде, растворим в органических растворителях, ядовит, t°кип = -192°C; t пл. = -205°C.

Получение
1) В промышленности (в газогенераторах):
C + O2 = CO2

2) В лаборатории — термическим разложением муравьиной или щавелевой кислоты в присутствии H2SO4(конц.):
HCOOH = H2O + CO­

Химические свойства

При обычных условиях CO инертен; при нагревании – восстановитель; несолеобразующий оксид.

2) с оксидами металлов

C +2 O + CuO = Сu + C +4 O2

3) с хлором (на свету)

4) реагирует с расплавами щелочей (под давлением)

CO + NaOH = HCOONa (формиат натрия)

5) с переходными металлами образует карбонилы

Оксид углерода (IV) СO2

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.

  1. Термическим разложением солей угольной кислоты (карбонатов). Обжиг известняка:
  1. Действием сильных кислот на карбонаты и гидрокарбонаты:

Химические свойства СO2
Кислотный оксид: реагирует с основными оксидами и основаниями, образуя соли угольной кислоты

При повышенной температуре может проявлять окислительные свойства

С +4 O2 + 2Mg – t° = 2Mg +2 O + C 0

Качественная реакция

Помутнение известковой воды:

Оно исчезает при длительном пропускании CO2 через известковую воду, т.к. нерастворимый карбонат кальция переходит в растворимый гидрокарбонат:

Угольная кислота и её соли

H2CO3 Кислота слабая, существует только в водном растворе:

Двухосновная:
H2CO3 ↔ H + + HCO3 — Кислые соли — бикарбонаты, гидрокарбонаты
HCO3 — ↔ H + + CO3 2- Cредние соли — карбонаты

Характерны все свойства кислот.

Карбонаты и гидрокарбонаты могут превращаться друг в друга:

Карбонаты металлов (кроме щелочных металлов) при нагревании декарбоксилируются с образованием оксида:

Качественная реакция — «вскипание» при действии сильной кислоты:

Карбиды

CaO + 3 C = CaC2 + CO

Ацетилен выделяется при реакции с водой карбидов цинка, кадмия, лантана и церия:

Be2C и Al4C3 разлагаются водой с образованием метана:

В технике применяют карбиды титана TiC, вольфрама W2C (твердые сплавы), кремния SiC (карборунд – в качестве абразива и материала для нагревателей).

Цианиды

получают при нагревании соды в атмосфере аммиака и угарного газа:

Синильная кислота HCN – важный продукт химической промышленности, широко применяется в органическом синтезе. Ее мировое производство достигает 200 тыс. т в год. Электронное строение цианид-аниона аналогично оксиду углерода (II), такие частицы называют изоэлектронными:

Цианиды (0,1-0,2%-ный водный раствор) применяют при добыче золота:

2 Au + 4 KCN + H2O + 0,5 O2 = 2 K[Au(CN)2] + 2 KOH.

При кипячении растворов цианидов с серой или сплавлении твердых веществ образуются роданиды:
KCN + S = KSCN.

При нагревании цианидов малоактивных металлов получается дициан: Hg(CN)2 = Hg + (CN)2. Растворы цианидов окисляются до цианатов:

2 KCN + O2 = 2 KOCN.

Циановая кислота существует в двух формах:

В 1828 г. Фридрих Вёлер (1800-1882) получил из цианата аммония мочевину: NH4OCN = CO(NH2)2 при упаривании водного раствора.

Это событие обычно рассматривается как победа синтетической химии над «виталистической теорией».

Существует изомер циановой кислоты – гремучая кислота

H-O-N=C.
Ее соли (гремучая ртуть Hg(ONC)2) используются в ударных воспламенителях.

Синтез мочевины (карбамида):

Мочевина является амидом угольной кислоты, существует и ее «азотный аналог» – гуанидин.

Карбонаты

Важнейшие неорганические соединения углерода – соли угольной кислоты (карбонаты). H2CO3 – слабая кислота (К1 =1,3·10 -4 ; К2 =5·10 -11 ). Карбонатный буфер поддерживает углекислотное равновесие в атмосфере. Мировой океан обладает огромной буферной емкостью, потому что он является открытой системой. Основная буферная реакция – равновесие при диссоциации угольной кислоты:

При понижении кислотности происходит дополнительное поглощение углекислого газа из атмосферы с образованием кислоты:
CO2 + H2O ↔ H2CO3 .

При повышении кислотности происходит растворение карбонатных пород (раковины, меловые и известняковые отложения в океане); этим компенсируется убыль гидрокарбонатных ионов:

Твердые карбонаты переходят в растворимые гидрокарбонаты. Именно этот процесс химического растворения избыточного углекислого газа противодействует «парниковому эффекту» – глобальному потеплению из-за поглощения углекислым газом теплового излучения Земли. Примерно треть мирового производства соды (карбонат натрия Na2CO3) используется в производстве стекла.

Урок 24 Бесплатно Углерод

Углерод как химический элемент

Углерод – химический элемент IV группы периодической системы химических элементов.

На внешнем электронном слое атома углерода – 4 электрона, 2 спаренных и 2 не спаренных, поэтому углерод проявляет степени окисления

Он занимает ячейку номер 6.

Название «углерод» обозначает «рождающий уголь», поскольку природный каменный уголь представляет собой углерод почти на 100 %.

Читайте также  Сколько просуществует Вселенная

Углерод – один из самых распространённых элементов на Земле (0,3 % по массе). В земной коре он находится как в виде простого вещества, так и в соединениях.

В природе углерод образует две аллотропные модификации: алмаз и графит.

Алмаз встречается очень редко в виде отдельных кристаллов.

В России алмазы добывают в Якутии.

Графит образует залежи каменного угля, бурого угля, сланцев.

Кроме того, углерод является основной составляющей частью горючих полезных ископаемых: торфа, нефти, природного газа.

Углерод содержится в каждой клетке растений и животных. Именно на основе цепочек из атомов углерода построены все вещества, на которых основана жизнь – органические вещества.

В виде органических и неорганических соединений он содержится в почвах.

Из неорганических соединений наиболее распространены карбонаты:

СаСO3– кальцит, известняк, мел, мрамор

Природные воды содержат гидрокарбонаты Са(НСO3)2и Mg(HCO3)2.

В земной атмосфере находится 0,03% углекислого газа.

Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации

Углерод как простое вещество

Наиболее распространённые аллотропные модификации углерода – алмаз и графит – имеют различное строение кристаллической решётки, поэтому они резко различаются по физическим свойствам

Алмаз имеет атомную кристаллическую решётку.

Все четыре электрона каждого атома углерода образуют прочные ковалентные связи с четырьмя соседними атомами углерода.

Расстояние между атомами углерода одинаковое.

Поэтому алмаз – самое твёрдое вещество, найденное в природе.

Он не проводит электрический ток, так как в его кристаллической решётке отсутствуют свободные электроны.

Графит – тёмно-серое вещество, жирное на ощупь, с металлическим блеском.

В отличие от алмаза, в кристаллической решётке графита атомы углерода расположены слоями, состоящими из шестиугольников.

Три электрона каждого атома углерода образуют прочные ковалентные связи с тремя соседними атомами, а четвёртый электрон остаётся свободным.

Что интересно, графит, в противоположность алмазу, самое мягкое вещество.

Графит химически очень устойчив и тугоплавок.

Температура плавления его около 3700 °С – это самое тугоплавкое простое вещество.

И даже наиболее тугоплавкие сложные вещества представляют собой соединения металлов именно с углеродом.

Аллотропные модификации углерода взаимопревращаемы.

При нагревании без доступа воздуха алмаз превращается в графит.

При очень высоких давлении и температуре из графита получают алмаз.

В настоящее время ученые получили множество модификаций углерода, представляющие собой различные формы графита: карбин, фуллерен, нанотрубки и некоторые другие.

Эти формы углерода обладают уникальными свойствами: высокая твёрдость, большая прочность, полупроводниковые свойства и представляют большой интерес для современной техники.

Совсем недавно из графена и нанотрубок учёные получили аэрогель. Это вещество легче воздуха, по твердости близкое к алмазу, способное впитать в себя жидкость по объему в 900 раз больше себя самого.

Природный уголь образовывался в земной коре миллионы лет путём постепенного испарения и вымывания веществ, состоящих из других химических элементов.

Сейчас уголь получают и искусственно при нагревании углеродсодержаших соединений без доступа воздуха (чтобы предотвратить горение).

Разложение органических веществ посредством нагревания без доступа воздуха называют сухой перегонкой.

Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации

Углерод

Углерод

Углерод — неметаллический элемент IV группы периодической таблицы Д.И. Менделеева, является важнейшей частью всех органических веществ в природе.

Общая характеристика элементов IVa группы

От C к Pb (сверху вниз в периодической таблице) происходит увеличение: атомного радиуса, металлических, основных, восстановительных свойств. Уменьшается электроотрицательность, энергия ионизация, сродство к электрону.

Из элементов IVа группы углерод и кремний относятся к неметаллам, германий, олово и свинец — металлы.

Электронные конфигурации у данных элементов схожи, так как они находятся в одной группе (главной подгруппе!), общая формула ns 2 np 2 :

  • C — 2s 2 2p 2
  • Si — 3s 2 3p 2
  • Ge — 4s 2 4p 2
  • Sn — 5s 2 5p 2
  • Pb — 6s 2 6p 2

Природные соединения

В природе углерод встречается в виде следующих соединений:

  • Аллотропных модификаций — графит, алмаз, фуллерен
  • MgCO3 — магнезит
  • CaCO3 — кальцит (мел, мрамор)
  • CaCO3*MgCO3 — доломит

Получение

Углерод получают в ходе пиролиза углеводородов (пиролиз — нагревание без доступа кислорода). Также применяется получение углеродистых соединений: древесины и каменного угля.

Химические свойства
  • Реакции с неметаллами

При нагревании углерод реагирует со многими неметаллами: водородом, кислородом, фтором.

2С + O2 → (t) 2CO (угарный газ — продукт неполного окисления углерода, образуется при недостатке кислорода)

С + O2 → (t) CO2 (углекислый газ — продукт полного окисления углерода, образуется при достаточном количестве кислорода)

Реакции с металлами

При нагревании углерод реагирует с металлами, проявляя свои окислительные свойства. Напомню, что металлы могут принимать только положительные степени окисления.

Ca + C → CaC2 (карбид кальция, СО углерода = -1)

Al + C → Al4C3 (карбид алюминий, СО углерода -4)

Очевидно, что степень окисления углерода в соединении с различными металлами может отличаться.

Углерод — хороший восстановитель. С помощью него металлургическая промышленность справляется с задачей получения чистых металлов из их оксидов:

Углерод восстанавливает не только металлы из их оксидов, но и неметаллы подобным образом:

SiO2 + C → (t) Si + CO

Может восстановить и собственный оксид:

Известная реакция взаимодействия угля с водяным паром, называемая также газификацией угля, торфа, сланца — крайне важна в промышленности:

Реакции с кислотами

В реакциях с кислотами углерод проявляет себя как восстановитель:

Оксид углерода II — СO

Оксид углерода II — продукт неполного окисления углерода. Несолеобразующий оксид. Это чрезвычайно опасное вещество часто образуется при пожарах в замкнутых помещениях, при прогревании машины в гараже.

Растворяясь в крови угарный газ (имеющий в 300 раз большее сродство к гемоглобину, чем кислород) легко выигрывает конкуренцию у кислорода и занимает его место в эритроцитах. Отравление угарным газом нередко заканчивается летальным исходом.

В промышленности угарный газ получают восстановлением оксида углерода IV или газификацией угля (t = 1000 °С).

В лаборатории угарный газ получают при разложении муравьиной кислоты в присутствии серной:

Химические свойства

Полностью окисляется до углекислого газа в реакции с кислородом, восстанавливает оксиды металлов.

FeO + CO → Fe + CO2

Образование карбонилов — чрезвычайно токсичных веществ.

Оксид углерода IV — CO2

Продукт полного окисления углерода. Относится к кислотным оксидам, соответствует угольной кислоте H2CO3. Бесцветный газ, без запаха.

В промышленности углекислый газ получают при разложении известняка, в ходе производства алкоголя, при спиртовом брожении глюкозы.

В лабораторных условиях используют реакцию мела (мрамора) с соляной кислотой.

Углекислый газ образуется при горении органических веществ:

Химические свойства

    Реакция с водой

В результате реакции с водой образуется нестойкая угольная кислота, которая сразу же распадается на воду и углекислый газ.

Реакции с основными оксидами и основаниями

В ходе реакций с основаниями и основными оксидами углекислый газ образует соли угольной кислоты: средние — карбонаты (при избытке основания), кислые — гидрокарбонаты (при избытке кислотного оксида).

2KOH + CO2 → K2CO3 + H2O (соотношение основание — кислотный оксид 2:1)

KOH + CO2 → KHCO3 (соотношение основание — кислотный оксид 1:1)

При нагревании способен окислять металлы до их оксидов.

Zn + CO2 → (t) ZnO + CO

Угольная кислота

Слабая двухосновная кислота, существующая только в растворах, разлагается на воду и углекислый газ.

Химические свойства

Определить наличие карбонат-иона можно с помощью кислоты: такая реакция сопровождается «закипанием» — появлением пузырьков бесцветного газа без запаха.

Я не раз встречал описание реакций, связанных с этой кислотой, которое заслуживает нашего внимания. В задании было сказано, что при добавлении к раствору гидроксида кальция углекислого газа осадок появлялся, при дальнейшем пропускании углекислого газа — помутнение исчезало.

Это можно легко объяснить, вспомнив про способность угольной кислоты образовывать кислые соли, которые растворимы.

Чтобы сделать из средней соли (карбоната) — кислую соль (гидрокарбонат) нужно добавить угольную кислоту. Однако написать ее формулу H2CO3 — ошибка. Ее следует записать в виде воды и углекислого газа.

Li2CO3 + CO2 + H2O → LiHCO3 (средняя соль + кислота = кислая соль)

Чтобы вернуть среднюю соль, следует добавить к кислой соли щелочь.

Нагревание солей угольной кислоты

При нагревании карбонаты распадаются на соответствующий оксид металла и углекислый газ, гидрокарбонаты — на карбонат металла, углекислый газ и воду.

Читайте также  Как узнать номер пенсионного удостоверения

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Углерод: физические и химические свойства

Содержание:

Углерод – важнейший химический элемент периодической таблицы Менделеева. Без него, как и без кислорода и водорода немыслимой была бы сама Жизнь. Можно без преувеличения сказать, что жизнь всех живых существ от амебы до человека построена именно из соединений углерода. Углерод – биогенный элемент составляющий основу жизни на нашей планете. Будучи структурной единицей огромного числа различных органических соединений, он участвует и в построении живых организмов и в обеспечении их жизнедеятельности. Даже возникновение самой Жизни рассматривается учеными как сложный процесс эволюции углеродных соединений. А какие химические и физические свойства этого чудесного элемента, история его открытие и современное применение в химии, читайте об этом далее.

История открытия

На самом деле углерод был известен человеку еще с глубокой древности в виде своих аллотропных модификаций: алмаза и графита. Помимо этого углерод в виде древесного угля активно применялся при выплавке металлов. От угля происходит и само название углерода, как химического элемента.

Но в те далекие времена люди пользовались углеродом в виде угля, или любовались им же, в виде алмазов, неосознанно, без понимания того, какой важный химический элемент стоит за всем этим.

Научное открытие углерода произошло в 1791 году, когда английский химик Теннант впервые получил свободный углерод. Для получения углерода он пропускал пары фосфора над прокаленным мелом. В результате этой химической реакции образовались фосфат кальция и чистый углерод. Впрочем, этому опыту предшествовали и другие искания, например выдающийся французский химик Лавуазье поставил опыт по сжиганию алмаза при помощи большой зажигательной машины. Драгоценный алмаз сгорел без остатка, после чего ученый пришел к выводу, что алмаз представляет собой ничто иное как кристаллический углерод.

Интересно, что в этих опытах совместно с алмазом пробовали сжигать и другие драгоценные камни, к примеру, рубин. Но другие камни выдерживали высокую температуру, только алмаз сгорал без остатка, что и обратило внимание на его отличную химическую природу.

Место в таблице Менделеева

В основе расположения химических элементов в периодической системе Менделеева лежит их атомный вес, рассчитанный относительно атомного веса водорода. Атомная масса углерода составляет 12,011, согласно ней он занимает почетное 6-е место в таблице Менделеева и обозначается латинской литерой С.

Помимо этого следует обратить внимание на следующие характеристики углерода:

  • Природный углерод состоит из смеси двух стабильных изотопов 12 С (98,892%) и 13 С (1,108%)
  • Помимо этого известно 6 радиоактивных изотопов углерода. Один из них, изотоп 14 С с периодом полураспада 5,73*10 3 лет в небольших количествах образуется в верхних слоях атмосферы нашей планеты под действием космического излучения.

Строение атома

Атом углерода имеет 2 оболочки (как впрочем, и все элементы, расположенные во втором периоде) и 6 электронов: 1s 2 2s 2 2p 2 . Четыре валентных электрона находятся на внешнем электронном уровне атома углерода. А оставшиеся два электрона находятся на отдельных p-орбиталях, при этом они являются неспаренными.

Так на картинке изображена схема электронного строения атома углерода.

Физические свойства

Своими физическими свойствами углерод типичный неметалл. При этом он образует множество аллотропных модификаций («аллотропные» означает существование двух и более разных веществ из одного химического элемента): наиболее популярными из них являются алмаз, графит, уголь, сажа. При этом алмаз – одно из самых твердых веществ, представляющих углерод.

Разумеется, разные аллотропные модификации углерода имеют и разные физические свойства. Если алмаз типичное твердое тело, то, к примеру, жидкий углерод, который можно получить только при определенном внешнем давлении, обладает совершенно иными физическими свойствами, нежели алмаз или графит.

Химические свойства

В обычных условиях углерод, как правило, химически инертен, но при высоких температурах он может вступать в химические взаимодействия со многими другими элементами, обычно проявляя сильные восстановительные свойства. Приведем примеры химических реакций углерода как восстановителя с:

— с кислородом
C 0 + O2 – t° = CO2 углекислый газ

при недостатке кислорода — неполное сгорание:
2C 0 + O2 – t° = 2C +2 O угарный газ

— с водяным паром
C 0 + H2O – 1200° = С +2 O + H2 водяной газ

— с оксидами металлов. Таким образом, выплавляют металл из руды.
C 0 + 2CuO – t° = 2Cu + C +4 O2

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

Порой углерод может выступать и как окислитель, образуя карбиды при вступлении в химические реакции с некоторыми металлами:

Ca + 2C 0 = CaC2 -4

Вступая в реакцию с водородом, углерод образует метан:

Роль в природе

В земной коре содержание углерода составляет всего лишь 0,15%. Несмотря на эту кажущуюся маленькой цифру, стоит заметить, что углерод непрерывно участвует в природном круговороте из земной коры через биосферу в атмосферу и наоборот. Также именно из углерода состоят такие ценные ресурсы как нефть, уголь, торф, известняки и природный газ. И как мы писали в начале нашей статьи, углерод – основа жизни. Скажем, в теле взрослого человека с весом в 70 кг имеется около 13 кг углерода. Это только в одном человека, примерно в таких же пропорциях углерод содержится в телах всех других живых существ, растений и животных.

Применение

Можно сказать, что углерод неразрывно связан с самим развитием человеческой цивилизации. Именно из соединений с участием углерода образованы основные топлива, благодаря которым ездят машины, летают самолеты, вы можете приготовить себе еду и обогреть свой дом в холодную пору – это нефть и газ. Помимо этого соединения углерода активно используются в химической и металлургической промышленности, в фармацевтике и строительстве. Алмазы, будучи аллотропной модификацией углерода используются в ювелирном деле и ракетостроении. В целом промышленность современности не может обойтись без углерода, он необходим практически везде.

Рекомендованная литература и полезные ссылки

  • Savvatimskiy, A (2005). “Measurements of the melting point of graphite and the properties of liquid carbon (a review for 1963–2003)”. Carbon. 43 (6): 1115–1142. doi:10.1016/j.carbon.2004.12.027
  • Химическая энциклопедия / Редкол.: Кнунянц И.Л. и др.. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — 623 с.
  • ChemNet. Углерод: история открытия элемента.
  • Лейпунский О. И. Об искусственных алмазах (рус.) // Успехи химии. — Российская академия наук, 1939. — Вып. 8. — С. 1519—1534.
  • Seal M. The effect of surface orientation on the graphitization of diamond. // Phis. Stat. Sol., 1963, v. 3, p. 658.

Видео

И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.

Углерод — характеристика, строение и свойства элемента

Углерод – это один из самых важных химических элементов, без которого невозможна жизнь всех живых организмов. Он является основным компонентом всех органических соединений, которые поддерживают жизнь на Земле.

С этим атомом тесно связано понятие «органическая химия», основоположником которой является великий учёный Берцелиус Йёнс Якоб.

Положение углерода в периодической системе химических элементов

Кратко об углероде (С):

порядковый номер атома углерода – 6;

он расположен во втором периоде;

углерод занимает 4 группу, главную подгруппу (а).

Электронное строение углерода

У атома углерода всего два электронных уровня. На первом расположено 2 электрона, на втором – 4. Всего электронов 6, а значит, заряд ядра будет равен +6.

Атомная масса атома – 12.011.

Степень окисления углерода (-4; -2; 0; +2; +4) зависит от вещества, в котором он состоит.

Аллотропные модификации и физические свойства

Рассмотрим 4 основные аллотропные модификации углерода, их формулы и физические свойства.

Алмаз (С)

Благодаря своей уникальной кристаллической решётке, алмаз считается самым твёрдым камнем на планете после корунда.

Из твёрдости алмаза следует ещё одно его важное физическое свойство – высокая плотность.

Читайте также  Какие мышцы задействованы при прыжках со скакалкой

Алмаз отличается своей уникальной теплопроводностью, которая лидирует среди всех твёрдых тел. Кроме того, такая порода не проводит электричество.

Графит (С)

тёмный, ближе к чёрному цвет;

имеет сильно выраженный металлический блеск;

прозрачность проявляется в наименьшей степени;

имеет огромную температуру сгорания (38500 градусов по Цельсию);

температура плавления больше 3800 градусов по Цельсию:

теплопроводность 100 — 354 Вт.

Фуллерен (С60)

плотность 1,68 г/см 3 ;

температура плавления 1180 градусов по Цельсию;

не растворяется в воде (но растворим в бензоле);

плотность 1,69 г/см 3 ;

Карбин (CH3OH)

электропроводен (зависит от действия света: чем он больше, тем выше электропроводность);

плотность 1,9 -3,30 г/см 3 ;

высокая твёрдость и теплопроводность.

Качественные реакции

Цель проведения качественных реакций – выявление наличия нужного атома, вещества или иона.

Рассмотрим их подробнее:

Ca(OH)2 + CO2 = Ca(CO3) (осадок) + H2O – образование вещества, нерастворимого в воде, что свидетельствует о том, что в реакции присутствует углекислый газ.

CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2 – образование углекислого газа, что говорит о присутствии в реакции иона CO3 2- .

Соединения углерода

Углерод образует два оксида:

1. Оксид углерода (II) – CO. Другое название – угарный газ.

Характеристика: не имеет запаха и цвета. Опасен для жизни живых организмов. Молярная масса – 28,01 г/моль. Получают за счёт окисления углерода кислородом:

C + O2 = 2CO + Q (теплота).

2. Оксид углерода (IV) – CO2. Другое название – углекислый газ, «сухой лёд». Характеристика: без цвета и запаха. Не горит и не поддерживает горения.

Это кислотный оксид, которому соответствует угольная кислота. Молярная масса – 44,01 г/моль.

Карбиды – бесцветные вещества, имеющие форму кристаллов и содержащие в своём составе углерод. Примеры: SiC, Al3C4, CaC2, Cr3C2.

Органические соединения углерода:

углеводороды (алкины, алкены, алканы);

кислородосодержащие соединения (спирты, кислоты и альдегиды, кетоны);

азотосодержащие соединения (нитросоединения, амины, аминокислоты).

Химические свойства углерода

Углерод является и окислителем и восстановителем.

Углерод (C)

Углерод в виде древесного угля известен человеку с незапамятных времен, поэтому, о дате его открытия говорить не имеет смысла. Собственно свое название «углерод» получил в 1787 году, когда была опубликована книга «Метод химической номенклатуры», в которой вместо французского названия «чистый уголь» (charbone pur) появился термин «углерод» (carbone).

Углерод обладает уникальной способностью образовывать полимерные цепочки неограниченной длины, порождая тем самым огромный класс соединений, изучением которых занимается отдельный раздел химии — органическая химия. Органические соединения углерода лежат в основе земной жизни, поэтому, о важности углерода, как химического элемента, говорить не имеет смысла — он основа жизни на Земле.

Сейчас рассмотрим углерод с точки зрения неорганической химии.


Рис. Строение атома углерода.

Электронная конфигурация углерода — 1s 2 2s 2 2p 2 (см. Электронная структура атомов). На внешнем энергетическом уровне у углерода находятся 4 электрона: 2 спаренных на s-подуровне + 2 неспаренных на p-орбиталях. При переходе атома углерода в возбужденное состояние (требует энергетических затрат) один электрон с s-подуровня «покидает» свою пару и переходит на p-подуровень, где имеется одна свободная орбиталь. Т. о., в возбужденном состоянии электронная конфигурация атома углерода приобретает следующий вид: 1s 2 2s 1 2p 3 .


Рис. Переход атома углерода в возбужденное состояние.

Такая «рокировка» существенно расширяет валентные возможности атомов углерода, которые могут принимать степень окисления от +4 (в соединениях с активными неметаллами) до -4 (в соединениях с металлами).

В невозбужденном состоянии атом углерода в соединениях имеет валентность 2, например, CO(II), а в возбужденном — 4: CO2(IV).

«Уникальность» атома углерода заключается в том, что на его внешнем энергетическом уровне находятся 4 электрона, поэтому, для завершения уровня (к чему, собственно, стремятся атомы любого химического элемента) он может с одинаковым «успехом», как отдавать, так и присоединять электроны с образованием ковалентных связей (см. Ковалентная связь).

Углерод, как простое вещество

Как простое вещество углерод может находиться в виде нескольких аллотропных модификаций:

  • Алмаз
  • Графит
  • Фуллерен
  • Карбин

Алмаз


Рис. Кристаллическая решетка алмаза.

Свойства алмаза:

  • бесцветное кристаллическое вещество;
  • самое твердое вещество в природе;
  • обладает сильным преломляющим эффектом;
  • плохо проводит тепло и электричество.


Рис. Тетраэдр алмаза.

Исключительная твердость алмаза объясняется строением его кристаллической решетки, которая имеет форму тетраэдра — в центре тетраэдра находится атом углерода, который связан равноценно прочными связями с четырьмя соседними атомами, образующими вершины тетраэдра (см. рисунок выше). Такая «конструкция» в свою очередь связана с соседними тетраэдрами.

Графит


Рис. Кристаллическая решетка графита.

Свойства графита:

  • мягкое кристаллическое вещество серого цвета слоистой структуры;
  • обладает металлическим блеском;
  • хорошо проводит электричество.

В графите атомы углерода образуют правильные шестиугольники, лежащие в одной плоскости, организованные в бесконечные слои.

В графите химические связи между соседними атомами углерода образованы за счет трех валентных электронов каждого атома (изображены синим цветом на рисунке ниже), при этом четвертый электрон (изображен красным цветом) каждого атома углерода, расположенный на p-орбитали, лежащей перпендикулярно плоскости слоя графита, не участвует в образовании ковалентных связей в плоскости слоя. Его «предназначение» заключается в другом — взаимодействуя со своим «собратом», лежащим в соседнем слое, он обеспечивает связь между слоями графита, а высокая подвижность p-электронов обусловливает хорошую электропроводность графита.


Рис. Распределение орбиталей атома углерода в графите.

Фуллерен


Рис. Кристаллическая решетка фуллерена.

Свойства фуллерена:

  • молекула фуллерена представляет собой совокупность атомов углерода, замкнутых в полые сферы типа футбольного мяча;
  • это мелкокристаллическое вещество желто-оранжевого цвета;
  • температура плавления = 500-600°C;
  • полупроводник;
  • входит в состав минерала шунгита.

Карбин

Свойства карбина:

  • инертное вещество черного цвета;
  • состоит из полимерных линейных молекул, в которых атомы связаны чередующимися одинарными и тройными связями;
  • полупроводник.

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:
    C 0 + Cu +2 O = Cu 0 + C +2 O;
    C 0 +C +4 O2 = 2C +2 O
  • 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.).

Если вам понравился сайт, будем благодарны за его популяризацию :) Расскажите о нас друзьям на форуме, в блоге, сообществе. Это наша кнопочка:

Код кнопки:
Политика конфиденциальности Об авторе

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: