Углерод — это химический элемент, неметалл, расположенный в таблице Д. И. Менделеева в главной подгруппе IV группы, во 2-м периоде, имеет порядковый номер 6.
Агрегатное состояние углерода при нормальных условиях — твердое вещество с атомной кристаллической решеткой. Молекула углерода одноатомна. Химическая формула углерода — С.
Строение углерода
В нейтральном атоме углерода находится шесть электронов. Два из них расположены вблизи ядра и образуют первый слой (1s-состояние). Следующие четыре электрона образуют второй электронный слой. Два из четырех электронов находятся в 2s-состоянии, а два других — в 2р-состоянии. Нейтральный атом углерода в основном состоянии двухвалентен и имеет электронно-графическую конфигурацию 1s22s22р2.
Несмотря на наличие двух неспаренных электронов на внешнем уровне, в большинстве химических соединений углерод четырехвалентен. Возможность образовывать четыре связи углерод получает при переходе одного электрона из состояния 2s в 2р — происходит «распаривание», т. е. переход атома углерода из нейтрального состояния в возбужденное. Этому возбужденному состоянию атома углерода соответствует электронная конфигурация 1s22s12p3.
Возможные валентности: II, IV.
Возможные степени окисления: −4, 0, +2, +4.
Аллотропия углерода
Углерод существует во множестве аллотропных модификаций с очень разнообразными физическими свойствами. Разнообразие модификаций обусловлено способностью углерода образовывать химические связи разного типа.
Выделяют два вида углерода в зависимости от образования модификаций:
Кристаллический углерод входит в состав твердых веществ (алмаз, графит, графен, фуллерен, карбин).
Аморфный углерод образует мягкие вещества (уголь, кокс, сажа).
Рассмотрим подробнее основные аллотропные модификации углерода, их физические свойства и применение.
Алмаз
Алмаз — трехмерный полимер, бесцветное кристаллическое вещество, самый твердый природный минерал, имеет высокую теплопроводность. Его используют в промышленности для обработки различных твердых материалов, для бурения горных пород. Несмотря на то что алмаз твердый, в то же время он хрупкий. Получающийся при измельчении алмаза порошок применяют для шлифовки драгоценных камней. Хорошо отшлифованные прозрачные алмазы называют бриллиантами.
В кристаллической решетке атомы углерода связаны ковалентной связью. Расстояние между всеми атомами одинаковое, поэтому связи прочные по всем направлениям.
Одно из уникальных свойств алмазов — способность преломлять свет (люминесценция). При действии излучения алмазы начинают светиться разными цветами. Такая игра света, хороший показатель преломления и прозрачность делают этот драгоценный камень одним из самых дорогих. При этом необработанный алмаз не обладает такими качествами.
В промышленных масштабах алмазы получают при высоком давлении (тысячи МПа) и высоких температурах (1 500–3 000 °С). Процесс протекает в присутствии катализатора (например, Ni).
При нагревании алмаза до 1 000 °С и высоком давлении без доступа воздуха получают графит. При температуре 1 750 °С переход из алмаза в графит протекает существенно быстрее. При прокаливании в кислороде алмаз сгорает, образуя диоксид углерода.
Графит
Графит — темно-серое мягкое кристаллическое вещество со слабым металлическим блеском. Хорошо электро- и теплопроводен, стоек при нагревании в вакууме. Имеет слоистую структуру. На поверхности оставляет черные черты. На ощупь графит жирный и скользкий.
Графит термодинамически устойчив, поэтому в расчетах термодинамических величин он принимается в качестве стандартного состояния углерода.
На воздухе графит не загорается даже при сильном накаливании, но легко сгорает в чистом кислороде с образованием диоксида углерода.
При температуре 3 000 °С в электрических печах получают искусственный графит из лучших сортов каменного угля.
Графен
Графен представляет собой монослой графита. Впервые графен был получен ручным механическим отщеплением в лабораторных условиях, что не предполагает широкого производства.
В более крупных масштабах графен получают при помощи нагревания кремниевых пластин, верхний слой которых состоит из карбида кремния. Под действием высоких температур происходит отщепление атомов углерода, которые остаются на пластинке в виде графена, а кремний испаряется. Графен представляет собой тонкое и прочное вещество с высокой электропроводностью. В настоящее время он широко используется в микроэлектронике и автомобилестроении.
Карбин
Карбин — твердое черное вещество. Состоит из линейных полимерных цепей, которые соединены чередующимися одинарными и тройными связями в линейные цепочки: −С≡С−С≡С−С≡С−.
Впервые карбин был открыт в 60-х годах, но его существование не признавали до тех пор, пока его не обнаружили в природе — в метеоритном веществе.
Карбин — полупроводник, под действием света его проводимость сильно увеличивается. Переход в графит возможен при нагревании до 2 300 °С.
Карбин применяют в медицине для изготовления искусственных кровеносных сосудов.
Уголь
Уголь — мельчайшие кристаллики графита, полученные путем термического разложения углеродсодержащих соединений без доступа воздуха.
Угли имеют разные свойства в зависимости от веществ, из которых получены. Наиболее важные сорта угля — кокс, древесный уголь, сажа.
Кокс получается при нагревании каменного угля без доступа воздуха. Применяется в металлургии при выплавке металлов из руд.
Древесный уголь образуется при нагревании дерева без доступа воздуха. Благодаря пористому строению он обладает высокой адсорбционной способностью.
Сажа — очень мелкий графитовый кристаллический порошок. Образуется при сжигании углеводородов (природного газа, ацетилена, скипидара и др.) с ограниченным доступом воздуха.
Активные угли — пористые промышленные адсорбенты, получаемые из твердого топлива, дерева и продуктов его переработки. Применяются для поглощения паров летучих жидкостей из воздуха.
Сравнение основных аллотропных модификаций углерода
Получи больше пользы от Skysmart:
-
Подготовься к ОГЭ на пятёрку.
-
Подготовься к ЕГЭ по 3 предметам на 240+ баллов с гарантией.
Записывайся на бесплатные курсы для детей.
Нахождение углерода в природе
Согласно справочнику Дж. Эмсли «Элементы», углерод занимает 11-е место по распространенности в природе. Содержание углерода составляет 0,1% массы земной коры. Свободный углерод представлен в виде алмаза и графита.
Основная масса углерода существует в виде природных карбонатов кальция CaCO3 (мела, мрамора, известняка) и магния MgCO3, а также горючих ископаемых.
Доля углерода в составе горючих ископаемых
Название |
Содержание углерода |
|---|---|
Антрацит |
93% |
Бурые угли |
72% |
Каменные угли |
84% |
Горючие сланцы |
60% |
Нефть |
80% |
Горючие природные газы |
До 99% метана |
Торф |
50% |
В атмосфере находится в виде диоксида углерода СО2 (~0,03%). В воде углерод содержится в составе растворимых гидрокарбонатов кальция Ca(HCO3)2 и магния Mg(HCO3)2. Углерод входит в состав растений и животных (~20%).
Химические свойства углерода
Взаимодействие со фтором
Углерод обладает низкой реакционной способностью и из галогенов реагирует только со фтором:
С + 2F2 = CF4.
Взаимодействие с кислородом
При нагревании взаимодействует с кислородом, образуя оксиды СО и СО2:
2С + О2 = 2СО;
С + О2 = СО2.
Взаимодействие с другими неметаллами
Реагирует с серой:
С + 2S = CS2.
Не взаимодействует с азотом и фосфором.
Углерод взаимодействует с водородом и кремнием в присутствии никелевого катализатора:
C + Si = SiC;
C + 2H2 = CH4.
Взаимодействие с металлами
Способен взаимодействовать с металлами, образуя карбиды:
Ca + 2C = CaC2.
Взаимодействие с водой
При пропускании водяных паров через раскаленный уголь образуется оксид углерода (II) и водород:
C + H2O = CO + H2.
Восстановительные свойства
Углерод способен восстанавливать многие металлы из их оксидов (карботермия):
2ZnO + C = 2Zn + CO2.
Концентрированные серная и азотная кислоты при нагревании окисляют углерод до оксида углерода (IV):
C + 2H2SO4 = CO2 + 2SO2 + 2H2O;
C + 4HNO3 = CO2 + 4NO2 + 2H2O.
Вопросы для самопроверки
Что такое углерод? Дайте характеристику его положения в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева.
Как распределяются электроны по энергетическим уровням в атоме углерода? Напишите электронную конфигурацию углерода.
Углерод является окислителем в реакции с:
Кислородом
Хлором
Водородом
Серой
Возможно ли взаимопревращение алмаза и графита? Объясните почему.
В виде каких соединений углерод находится в природе?
Для какого аллотропного видоизменения углерода характерна совместимость с тканями человеческого организма?
Опишите физические свойства графена и карбина.
Для чего используют карботермию?
Чем обусловлено наличие аллотропных видоизменений углерода?
В чем заключается различие между нейтральным состоянием атома углерода и возбужденным? Какие возможны степени окисления?
Красота химии — в том, что она изучает окружающий нас мир. Но это не всегда получается увидеть на школьных занятиях. Онлайн-уроки химии в Skysmart помогут не только подтянуть оценки и подготовиться к экзаменам, но и полюбить этот предмет, тесно связанный с окружающим нас миром.
