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  –C≡C–C≡C–  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  –^t°>  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  –^t°>  2Mg⁺²O + C⁰

Качественная реакция

Помутнение известковой воды:

Ca(OH)₂ + CO₂  –> 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⁺ + CO₃^2-

Характерны все свойства кислот.

Cредние соли — карбонаты (СO₃^2-).

Кислые соли — бикарбонаты, гидрокарбонаты (HCO₃^—).

Карбонаты и гидрокарбонаты могут превращаться друг в друга:

2NaHCO₃  –^t°>  Na₂CO₃ + H₂O + CO₂­

Na₂CO₃ + H₂O + CO₂ –> 2NaHCO₃

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

CuCO₃  –^t°>  CuO + CO₂­

Качественная реакция — «вскипание» при действии сильной кислоты:

Na₂CO₃ + 2HCl –> 2NaCl + H₂O + CO₂­

CO₃^2- + 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 материалы, углепластики 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 гетероциклы, полимеры 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.