Углерод — Знание-сила

Углерод

Аллотропия

Алмаз

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

Атомы углерода находятся в sp3— гибридизации и образуют атомную кристаллическую решётку с прочными ковалентными s- связями.

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; r = 2,5 г/см3.

В кристаллической решётке атомы углерода находятся в sp2— гибридном состоянии и образуют слои из шестичленных колец; между слоями действуют межмолекулярные силы.

Применение

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

Карбин

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

Состоит из линейных цепочек  –CC–CC–  и  =С=С=С=С=; атомы углерода находятся в sp- гибридном состоянии.

При нагревании переходит в графит.

Адсорбция

Адсорбция — поглощение газообразных или растворённых веществ поверхностью твёрдого вещества.

Обратный процесс — выделение этих поглощённых веществ — десорбция.

Применение адсорбции

Очистка от примесей (в производстве сахара и др.), для защиты органов дыхания (противогазы), в медицине (таблетки «Карболен») и др.

Химические свойства

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

Восстановительные свойства

  1. с кислородом

C0 + O2 =  CO2 углекислый газ

при недостатке кислорода наблюдается неполное сгорание:

2C0 + O2  =  2C+2O угарный газ

2. со фтором

С + 2F2 = CF4

3. с водяным паром

C0 + H2O  =  С+2O + H2 водяной газ

4. с оксидами металлов

C0 + 2CuO  =  2Cu + C+4O2

5. с кислотами – окислителями:

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

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

Окислительные свойства

6. с некоторыми металлами образует карбиды

4Al + 3C0 = Al4C3

Ca + 2C0 = CaC2-4

7. с водородом

C0 + 2H2 = CH4

Соединения углерода

Оксид углерода (II) CO

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

CO2 + C = 2CO

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

HCOOH = H2O + CO­

H2C2O4 = CO­ + CO2­ + H2O

Химические свойства

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

  1. с кислородом

2C+2O + O2 -> 2C+4O2

2. с оксидами металлов

C+2O + CuO -> Сu + C+4O2

3. с хлором (на свету)

CO + Cl2  ->  COCl2(фосген)

4. реагирует с расплавами щелочей (под давлением)

CO + NaOH -> HCOONa(муравьинокислый натрий (формиат натрия))

5. с переходными металлами образует карбонилы

Ni + 4CO  ->  Ni(CO)4

Fe + 5CO  –>  Fe(CO)5

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.

O=C=O

Получение

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

CaCO3  –>  CaO + CO2­

2. Действием сильных кислот на карбонаты и гидрокарбонаты:

CaCO3 + 2HCl –> CaCl2 + H2O + CO2­

NaHCO3 + HCl –> NaCl + H2O + CO2­

Способы собирания

Химические свойства

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

Na2O + CO2 –> Na2CO3

2NaOH + CO2 –> Na2CO3 + H2O

NaOH + CO2 –> NaHCO3

При повышенной температуре может проявлять окислительные свойства

С+4O2 + 2Mg  –>  2Mg+2O + C0

Качественная реакция

Помутнение известковой воды:

Ca(OH)2 + CO–> CaCO3¯(белый осадок) + H2O

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

CaCO3 + H2O + CO2 –> Сa(HCO3)2

 

Угольная кислота и её соли

H2CO3

Кислота слабая, существует только в водном растворе:

CO2 + H2O ⇆ H2CO3

Двухосновная:

H2CO3 ⇆ H+ + HCO3

HCO3 ⇆ H+ + CO32-

Характерны все свойства кислот.

Cредние соли — карбонаты (СO32-).

Кислые соли — бикарбонаты, гидрокарбонаты (HCO3).

Карбонаты и гидрокарбонаты могут превращаться друг в друга:

2NaHCO3  –>  Na2CO3 + H2O + CO2­

Na2CO3 + H2O + CO2 –> 2NaHCO3

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

CuCO3  –>  CuO + CO2­

Качественная реакция — «вскипание» при действии сильной кислоты:

Na2CO3 + 2HCl –> 2NaCl + H2O + CO2­

CO32- + 2H+ –> H2O + CO2­

Применение

Углерод – один из важнейших источников энергии. Графит используется как замедлитель нейтронов в ядерных реакторах, восстановитель в металлургии, для получения электродов, лёгких термостойких углеродных материалов (углеграфитовые материалыуглепластики и др.), как твёрдая смазка. Исключительная твёрдость и высокий коэффициент преломления алмаза обусловливают его применение в режущих и абразивных материалах. Высоко ценятся гранёные и шлифованные кристаллы алмаза (бриллианты). Высокая теплопроводность алмаза (до 2000 Вт/м·К) делает его перспективным материалом для полупроводниковой техники. Карбин применяется в фотоэлементах. Сажа служит наполнителем в производстве резины, идёт на получение красок. Стеклоуглерод используется в атомной энергетике, служит для создания термостойких покрытий космических аппаратов и самолётов. В фармакологии и медицине широко используются различные формы углерода и его соединений – производные угольной кислоты и карбоновых кислот, различные гетероциклыполимеры и другие соединения. Углеродные нанотрубки нашли применение для создания армированных термостойких прочных композиционных материалов, специальных бумаг, изготовления дисплеев.

Задачи:

  1. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращення:
    CO CO2 K2CO3 CаCO3 CO2 Mg(HCO3)2
    Уравнения реакций, протекающих в растворах, изобразите в сокращенной нонной форме.
  2. Оксид углерода (IV), полученный действием избытка соляной кислоты на карбонат кальция массой 4 г. растворили в воде массой 2 кг. Рассчитайте массовую долю оксида углерода (IV) в полученном растворе.
  3. При действии избытка соляной кислоты на смесь карбоната магния и оксида магния (масса смеси равна 10 г) выделился газ объемом 2,24 л (нормальные условия). Рассчитайте массовую долю карбоната магния в исходной смеси.
  4. Рассчитайте массу известняка (массовая доля карбоната кальция 80%, остальное оксид кальция), который надо взять для получения оксида углерода (IV) объемом 112 л (нормальные условия).
  5. Определите объем оксида углерода (IV) (нормальные условия), который можно получить из известняка массой 0,5 т (массовая доля СаСО3 в известняке составляет 95%).
  6. Воздух содержит в качестве примеси оксид углерода (IV). При пропускании воздуха объемом 6 м3 (объем приведен к нормальным условиям) через раствор гидроксида кальция образовался карбонат кальция массой 9 г. Рассчитайте объемную долю оксида углерода (IV) в воздухе.
  7. При действии на карбонат кальция массой 5 г соляной кислотой (кислота в избытке) выделился хлорид кальция массой 4,5 г. Определите массовую долю выхода продукта.
Вставить формулу как
Блок
Строка
Дополнительные настройки
Цвет формулы
Цвет текста
#333333
Используйте LaTeX для набора формулы
Предпросмотр
\({}\)
Формула не набрана
Вставить
Не копируйте текст!