Химия углерода

В этой статье мы дадим характеристику углерода с точки зрения химии: узнаем, металл это или неметалл, какими свойствами он обладает, с какими веществами реагирует и где находят применение различные модификации углерода.
  • Автор

    Татьяна Сосновцева

  • Рубрика

    9 класс, ЕГЭ/ОГЭ

  • Дата публикации

    05.03.2022

  • Просмотры

    5684

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 1s22s22.

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.

Электронная конфигурация углерода

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:

  1. Кристаллический углерод входит в состав твердых веществ (алмаз, графит, графен, фуллерен, карбин).

  2. 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

Сравнение аллотропных модификаций углерода

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

  1. Что такое углерод? Дайте характеристику его положения в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева.

  2. Как распределяются электроны по энергетическим уровням в атоме углерода? Напишите электронную конфигурацию углерода.

  3. Углерод является окислителем в реакции с:

    • Кислородом

    • Хлором

    • Водородом

    • Серой

  4. Возможно ли взаимопревращение алмаза и графита? Объясните почему.

  5. В виде каких соединений углерод находится в природе?

  6. Для какого аллотропного видоизменения углерода характерна совместимость с тканями человеческого организма?

  7. Опишите физические свойства графена и карбина.

  8. Для чего используют карботермию?

  9. Чем обусловлено наличие аллотропных видоизменений углерода?

  10. 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.

 
  • 0
  • 0
  • 0
  • 0
  • 0

Летняя перезагрузка

Бесплатный телеграм-марафон для мам и пап. Узнайте, как провести семейное лето с пользой, и подготовьтесь к нему уже сейчас!

Летняя перезагрузка
Участвовать