Углерод как химический элемент

Содержание
  1. Углерод — характеристика элемента и химические свойства
  2. Химические свойства углерода
  3. Углерод как восстановитель:
  4.   Углерод как окислитель:
  5. Нахождение углерода в природе
  6. Неорганические соединения углерода
  7. Оксид углерода (II)  СО
  8. Оксид углерода (IV) СO2
  9. Угольная кислота и её соли
  10. Карбиды
  11. Цианиды
  12. Карбонаты
  13. 2.3.4. Химические свойства углерода и кремния
  14. Восстановительные свойства углерода
  15. Взаимодействие углерода с оксидами неметаллов
  16. Окислительные свойства углерода
  17. Химические свойства кремния
  18. неметаллами
  19. металлами
  20. Взаимодействие кремния со сложными веществами
  21. Углерод
  22. Общая характеристика элементов IVa группы
  23. Природные соединения
  24. Получение
  25. Химические свойства
  26. Оксид углерода II — СO
  27. Оксид углерода IV — CO2
  28. Угольная кислота
  29. Графит и алмаз
  30. Ультрадисперсные алмазы (наноалмазы)
  31. Карбин
  32. Фуллерены и углеродные нанотрубки
  33. Аморфный углерод
  34. Нахождение в природе
  35. Химические свойства
  36. Неорганические соединения
  37. Органические соединения
  38. Применение
  39. Токсическое действие
  40. Дополнительная информация
  41. Углерод как химический элемент таблицы Менделеева
  42. Как был открыт углерод
  43. Где и как добывают углерод
  44. Распространенность углерода
  45. Применение углерода
  46. Интересные факты

Углерод — характеристика элемента и химические свойства

Углерод как химический элемент

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: 1s22s22p2. 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 1s22s12px12py12pz1.

Именно такое состояние атома углерода характерно для решетки алмаза — тетраэдрическое пространственное расположение гибридных орбиталей, одинаковая длина и энергия связей.

Это явление, как известно, называют sp3-гибридизацией, а возникающие функции – sp3-гибридными.  Образование четырех sp3-cвязeй обеспечивает атому углерода более устойчивое состояние, чем три р—р- и одна s—s-связи.

Помимо sp3-гибридизации у атома углерода наблюдается также sp2— и sp-гибридизация. В первом случае возникает взаимное наложение s- и двух р-орбиталей. Образуются три равнозначные sp2— гибридных орбитали, расположенные в одной плоскости под углом 120° друг к другу.

Третья орбиталь р неизменна и направлена перпендикулярно плоскости sp2.

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 sp2-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
C0 + O2  –t°=  CO2 углекислый газпри недостатке кислорода — неполное сгорание:

2C0 + O2  –t°= 2C+2O угарный газ

—     со фтором
С + 2F2 = CF4

—    с водяным паром
C0 + H2O  –1200°= С+2O + H2 водяной газ

—  с оксидами металлов. Таким образом выплавляют металл из руды.
C0 + 2CuO  –t°=  2Cu + C+4O2

—  с кислотами – окислителями:
C0 + 2H2SO4(конц.) = С+4O2­ + 2SO2­ + 2H2O
С0 + 4HNO3(конц.) = С+4O2­ + 4NO2­ + 2H2O

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

  Углерод как окислитель:

—    с некоторыми металлами образует карбиды

4Al + 3C0 = Al4C3

Ca + 2C0 = CaC2-4

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

C0 + 2H2 = CH4

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

Si + C = SiC.

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 С4+ , ни С4- ‑ 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.

Получение1)     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  –hn=  COCl2(фосген)

4)     реагирует с расплавами щелочей (под давлением)

CO + NaOH = HCOONa (формиат натрия)

5)     с переходными металлами образует карбонилы

Ni + 4CO  –t°= Ni(CO)4

Fe + 5CO  –t°= 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.

Получение

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

CaCO3  –t°=  CaO + CO2

  1. Действием сильных кислот на карбонаты и гидрокарбонаты:

CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2­

NaHCO3 + HCl = NaCl + H2O + CO2­

Химические свойства СO2
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— Кислые соли — бикарбонаты, гидрокарбонаты
HCO3— ↔ H+ + CO32-    Cредние соли — карбонаты

Характерны все свойства кислот.

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

CO32- + 2H+ = H2O + CO2­

Карбиды

Карбид кальция:

CaO + 3 C = CaC2 + CO

CaC2 + 2 H2O = Ca(OH)2 + C2H2 .

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

2 LaC2 + 6 H2O = 2La(OH)3 + 2 C2H2 + H2.

Be2C и Al4C3 разлагаются водой с образованием метана:

Al4C3 + 12 H2O = 4 Al(OH)3 = 3 CH4.

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:

Na2CO3 + 2 NH3 + 3 CO = 2 NaCN + 2 H2O + H2 + 2 CO2

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:

C=O: [:C=N:]–

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:

H-N=C=O; H-O-C=N:

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):

CO2 + 2 NH3 = CO(NH2)2 + H2O.  При 1300С и 100 атм.

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:

H2CO3 ↔ H+ + HCO3— .

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:

H+ + CO32-↔  HCO3—

CaCO3(тв.) ↔  Ca2+ + CO32-

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.

Источник: http://himege.ru/uglerod-xarakteristika-elementa-i-ximicheskie-svojstva/

2.3.4. Химические свойства углерода и кремния

Углерод как химический элемент

Углерод способен образовывать несколько аллотропных модификаций. Это алмаз (наиболее инертная аллотропная модификация), графит, фуллерен и карбин.

Древесный уголь и сажа представляют собой аморфный углерод. Углерод в таком состоянии не имеет упорядоченной структуры и фактически состоит из мельчайших фрагментов слоев графита. Аморфный углерод, обработанный горячим водяным паром, называют активированным углем.

1 грамм активированного угля из-за наличия в нем множества пор имеет общую поверхность более трехсот квадратных метров! Благодаря своей способности поглощать различные вещества активированный уголь находит широкое применение как наполнитель фильтров, а также как энтеросорбент при различных видах отравлений.

С химической точки зрения аморфный углерод является наиболее активной его формой, графит проявляет среднюю активность, а алмаз является крайне инертным веществом. По этой причине, рассматриваемые ниже химические свойства углерода следует прежде всего относить к аморфному углероду.

Восстановительные свойства углерода

Как восстановитель углерод реагирует с такими неметаллами как, например, кислород, галогены, сера.

В зависимости от избытка или недостатка кислорода при горении угля возможно образование угарного газа CO или углекислого газа CO2:

При взаимодействии углерода со фтором образуется тетрафторид углерода:

При нагревании углерода с серой образуется сероуглерод CS2:

Углерод способен восстанавливать металлы после алюминия в ряду активности из их оксидов. Например:

Также углерод реагирует и с оксидами активных металлов, однако в этом случае наблюдается, как правило, не восстановление металла, а образование его карбида:

Взаимодействие углерода с оксидами неметаллов

Углерод вступает в реакцию сопропорционирования с углекислым газом CO2:

Одним из наиболее важных с промышленной точки зрения процессов является так называемая паровая конверсия угля. Процесс проводят, пропуская водяной пар через раскаленный уголь. При этом протекает следующая реакция:

При высокой температуре углерод способен восстанавливать даже такое инертное соединение как диоксид кремния. При этом в зависимости от условия возможно образование кремния или карбида кремния (карборунда):

Также углерод как восстановитель реагирует с кислотами окислителями, в частности, концентрированными серной и азотной кислотами:

Окислительные свойства углерода

Химический элемент углерод не отличается высокой электроотрицательностью, поэтому образуемые им простые вещества редко проявляют окислительные свойства по отношению к другим неметаллам.

Примером таких реакций является взаимодействие аморфного углерода с водородом при нагревании в присутствии катализатора:

а также с кремнием при температуре 1200-1300 оС:

Окислительные свойства углерод проявляет по отношению к металлам. Углерод способен реагировать с активными металлами и некоторыми металлами средней активности. Реакции протекают при нагревании:

Карбиды активных металлов гидролизуются водой:

а также растворами кислот-неокислителей:

При этом образуются углеводороды, содержащие углерод в той же степени окисления, что и в исходном карбиде.

Химические свойства кремния

Кремний может существовать, как и углерод в кристаллическом и аморфном состоянии и, также, как и в случае углерода, аморфный кремний существенно более химически активен, чем кристаллический.

Иногда аморфный и кристаллический кремний, называют его аллотропными модификациями, что, строго говоря, не совсем верно. Аморфный кремний представляет собой по сути конгломерат беспорядочно расположенных друг относительно друга мельчайших частиц кристаллического кремния.

неметаллами

При обычных условиях кремний ввиду своей инертности реагирует только со фтором:

С хлором, бромом и йодом кремний реагирует только при нагревании. При этом характерно, что в зависимости от активности галогена, требуется и соответственно различная температура:

Так с хлором реакция протекает при 340-420 оС:

С бромом – 620-700 оС:

С йодом – 750-810 оС:

Все галогениды кремния легко гидролизуются водой:

а также растворами щелочей:

Реакция кремния с кислородом протекает, однако требует очень сильного нагревания (1200-1300оС) ввиду того, что прочная оксидная пленка затрудняет взаимодействие:

При температуре 1200-1500 оС кремний медленно взаимодействует с углеродом в виде графита с образованием карборунда SiC – вещества с атомной кристаллической решеткой подобной алмазу и почти не уступающего ему в прочности:

С водородом кремний не реагирует.

металлами

Ввиду своей низкой электроотрицательности кремний может проявлять окислительные свойства лишь по отношению к металлам. Из металлов кремний реагирует с активными (щелочными и щелочноземельными), а также многими металлами средней активности. В результате такого взаимодействия образуются силициды:

Силициды активных металлов легко гидролизуются водой или разбавленными растворами кислот-неокислителей:

При этом образуется газ силан SiH4 – аналог метана CH4.

Взаимодействие кремния со сложными веществами

С водой кремний не реагирует даже при кипячении, однако аморфный кремний взаимодействует с перегретым водяным паром при температуре около 400-500оС. При этом образуется водород и диоксид кремния:

Из всех кислот кремний (в аморфном состоянии) реагирует только с концентрированной плавиковой кислотой:

Кремний растворяется в концентрированных растворах щелочей. Реакция сопровождается выделением водорода:

Источник: https://scienceforyou.ru/teorija-dlja-podgotovki-k-egje/himicheskie-svojstva-ugleroda-i-kremnija

Углерод

Углерод как химический элемент

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 ns2np2:

  • C — 2s22p2
  • Si — 3s23p2
  • Ge — 4s24p2
  • Sn — 5s25p2
  • Pb — 6s26p2

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.

C2H6 → (t) C + H2 (пиролиз этана)

Химические свойства

  • Реакции с неметаллами
  • При нагревании углерод реагирует со многими неметаллами: водородом, кислородом, фтором.C + H2 → (t) CH4 (метан)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)С + F2 → (t) CF4

  • 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.

  • Восстановительные свойства
  • Углерод — хороший восстановитель. С помощью него металлургическая промышленность справляется с задачей получения чистых металлов из их оксидов:Fe2O3 + C → Fe + CO2ZnO + C → Zn + COFeO + C → Fe + COУглерод восстанавливает не только металлы из их оксидов, но и неметаллы подобным образом:SiO2 + C → (t) Si + COМожет восстановить и собственный оксид:CO2 + C → CO

  • Реакция с водой
  • Известная реакция взаимодействия угля с водяным паром, называемая также газификацией угля, торфа, сланца — крайне важна в промышленности:C + H2O → CO↑ + H2↑

  • Реакции с кислотами
  • В реакциях с кислотами углерод проявляет себя как восстановитель:C + HNO 3(конц.) → (t) CO2 + NO2 + H2C + HNO3 → CO2 + NO + H2OC + H2SO4(конц.) → CO2 + SO2 + H2O

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.

Получение

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

CO2 + C → (t) CO

C + H2O → (t) CO + H2

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

HCOOH → (H2SO4) CO + H2O

Химические свойства

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

CO + O2 → CO2

Fe2O3 + CO → Fe + CO2

FeO + CO → Fe + CO2

Образование карбонилов — чрезвычайно токсичных веществ.

Fe + CO → (t) Fe(CO)5

Оксид углерода IV — CO2

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

Получение

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

CaCO3 → (t) CaO + CO2↑

C6H12O6 → C2H5OH + CO2↑

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

CaCO3 + HCl → CaCl2 + H2O + CO2↑

Углекислый газ образуется при горении органических веществ:

C3H8 + O2 → CO2 + H2O

Химические свойства

  • Реакция с водой
  • В результате реакции с водой образуется нестойкая угольная кислота, которая сразу же распадается на воду и углекислый газ.CO2 + H2O ⇄ H2CO3

  • 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)Na2O + CO2 → Na2CO3

  • Окислительные свойства
  • 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

  • Качественная реакция
  • Определить наличие карбонат-иона можно с помощью кислоты: такая реакция сопровождается «закипанием» — появлением пузырьков бесцветного газа без запаха.MgCO3 + HCl → MgCl2 + CO2↑ + H2OЯ 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.Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 (осадок выпадает)CaCO3 + H2O + CO2 → Ca(HCO3)2 (осадок растворяется)

  • Средние и кислые соли
  • 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.LiHCO3 + LiOH → Li2CO3 + H2O

  • Нагревание солей угольной кислоты
  • При нагревании карбонаты распадаются на соответствующий оксид металла и углекислый газ, гидрокарбонаты — на соответствующий оксид металла, углекислый газ и воду.MgCO3 → (t) MgO + CO2KHCO3 → (t) K2CO3 + CO2↑ + H2O

Источник: https://studarium.ru/article/166

Графит и алмаз

Основные и хорошо изученные кристаллические модификации углерода— алмаз и графит. При нормальных условиях термодинамически устойчив только графит, а алмаз и другие формы метастабильны.

При атмосферном давлении и температуре выше 1200 Kалмаз начинает переходить в графит, выше 2100 Kпревращение совершается за секунды. ΔН0 перехода— 1,898 кДж/моль. При нормальном давлении углерод сублимируется при 3780 K. Жидкий углерод существует только при определенном внешнем давлении.

Тройные точки: графит-жидкость-пар Т =4130 K, р =10,7 МПа. Прямой переход графита в алмаз происходит при 3000 Kи давлении 11—12 ГПа.

При давлении свыше 60 ГПа предполагают образование весьма плотной модификации С III (плотность на 15—20% выше плотности алмаза), имеющей металлическую проводимость. При высоких давлениях и относительно низких температурах (ок.

1200 K) из высокоориентированного графита образуется гексагональная модификация углерода с кристаллической решеткой типа вюрцита— лонсдейлит (а =0,252 нм, с =0,412 нм, пространственная группа Р63/ттс), плотность 3,51 г/см³, то есть такая же, как у алмаза.

Лонсдейлит найден также в метеоритах.

Ультрадисперсные алмазы (наноалмазы)

В 1980-е гг. в СССР было обнаружено, что в условиях динамического нагружения углеродсодержащих материалов могут образовываться алмазоподобные структуры, получившие название ультрадисперсных алмазов (УДА). В настоящее время всё чаще применяется термин «наноалмазы». Размер частиц в таких матералах составляет единицы нанометров.

Условия образования УДА могут быть реализованы при детонации взрывчатых веществ с значительным отрицательным кислородным балансом, например смесей тротила с гексогеном. Такие условия могут быть реализованы также при ударах небесных тел о поверхность Земли в присутствии углеродсодержащих материалов (органика, торф, уголь и пр.).

Так, в зоне падения Тунгусского метеорита в лесной подстилке были обнаружены УДА.

Карбин

Кристаллическая модификация углерода гексагональной сингонии с цепочечным строением молекул называется карбин. Цепи имеют либо полиеновое строение (—C≡C—), либо поликумуленовое (=C=C=).

Известно несколько форм карбина, отличающихся числом атомов в элементарной ячейке, размерами ячеек и плотностью (2,68—3,30 г/см³).

Карбин встречается в природе в виде минерала чаоита (белые прожилки и вкрапления в графите) и получен искусственно— окислительной дегидрополиконденсацией ацетилена, действием лазерного излучения на графит, из углеводородов или CCl4 в низкотемпературной плазме.

Карбин представляет собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета (плотность 1,9-2 г/см³), обладает полупроводниковыми свойствами. Получен в искусственных условиях из длинных цепочек атомов углерода, уложенных параллельно друг другу.

Карбин— линейный полимер углерода. В молекуле карбина атомы углерода соединены в цепочки поочередно либо тройными и одинарными связями (полиеновое строение), либо постоянно двойными связями (поликумуленовое строение). Это вещество впервые получено советскими химиками В.В.Коршаком, А.М.Сладковым, В.И.

Касаточкиным и Ю.П.Кудрявцевым в начале 60-х гг. в Институте элементоорганических соединений Академии наук СССР .Карбин обладает полупроводниковыми свойствами, причём под воздействием света его проводимость сильно увеличивается.

На этом свойстве основано первое практическое применение— в фотоэлементах.

Фуллерены и углеродные нанотрубки

Углерод известен также в виде кластерных частиц С60, С70, C80, C90, C100 и подобных (фуллерены), а также графенов и нанотрубок.

Аморфный углерод

В основе строения аморфного углерода лежит разупорядоченная структура монокристаллического (всегда содержит примеси) графита. Это кокс, бурые и каменные угли, техуглерод, сажа, активный уголь.

Нахождение в природе

углерода в земной коре 0,1% по массе. Свободный углерод находится в природе в виде алмаза и графита.

Основная масса углерода в виде природных карбонатов (известняки и доломиты), горючих ископаемых— антрацит (94—97% С), бурые угли (64—80% С), каменные угли (76—95% С), горючие сланцы (56—78% С), нефть (82—87% С), горючих природных газов (до 99% метана), торф (53—56% С), а также битумы и др.

В атмосфере и гидросфере находится в виде диоксида углерода СО2, в воздухе 0,046% СО2 по массе, в водах рек, морей и океанов в ~60 раз больше. Углерод входит в состав растений и животных (~18%). В организм человека углерод поступает с пищей (в норме около 300 г в сутки).

Общее содержание углерода в организме человека достигает около 21% (15кг на 70кг массы тела). Углерод составляет 2/3 массы мышц и 1/3 массы костной ткани.

Выводится из организма преимущественно с выдыхаемым воздухом (углекислый газ) и мочой (мочевина)

Кругооборот углерода в природе включает биологический цикл, выделение СО2 в атмосферу при сгорании ископаемого топлива, из вулканических газов, горячих минеральных источников, из поверхностных слоев океанических вод и др. Биологический цикл состоит в том, что углерод в виде СО2 поглощается из тропосферы растениями. Затем из биосферы вновь возвращается в геосферу: с растениями углерод попадает в организм животных и человека, а затем при гниении животных и растительных материалов— в почву и в виде СО2— в атмосферу.

https://www.youtube.com/watch?v=8GszElpzC7A

В парообразном состоянии и в виде соединений с азотом и водородом углерод обнаружен в атмосфере Солнца, планет, он найден в каменных и железных метеоритах.

Большинство соединений углерода, и прежде всего углеводороды, обладают ярко выраженным характером ковалентных соединений. Прочность простых, двойных и тройных связей атомов С между собой, способность образовывать устойчивые цепи и циклы из атомов С обусловливают существования огромного числа углеродсодержащих соединений, изучаемых органической химией.

Химические свойства

При обычных температурах углерод химически инертен, при достаточно высоких соединяется со многими элементами, проявляет сильные восстановительные свойства. Химическая активность разных форм углерода убывает в ряду: аморфный углерод, графит, алмаз, на воздухе они воспламеняются при температурах соответственно выше 300—500 °C, 600—700 °C и 850—1000 °C.

Степени окисления +4, −4, редко +2 (СО, карбиды металлов), +3 (C2N2, галогенцианы); сродство к электрону 1,27 эВ; энергия ионизации при последовательном переходе от С0 к С4+ соответственно 11,2604, 24,383, 47,871 и 64,19 эВ.

Неорганические соединения

Углерод реагирует со многими элементами с образованием карбидов.

Продукты горения— оксид углерода CO и диоксид углерода СО2. Известен также неустойчивый оксид С3О2 (температура плавления −111°C, температура кипения 7°C) и некоторые другие оксиды. Графит и аморфный углерод начинают реагировать с Н2 при 1200°C, с F2— соответственно 900°C.

CO2 с водой образует слабую угольную кислоту— H2CO3, которая образует соли— Карбонаты. На Земле наиболее широко распространены карбонаты кальция (мел, мрамор, кальцит, известняк и др. минералы) и магния (доломит).

Графит с галогенами, щелочными металлами и др. веществами образует соединения включения. При пропускании электрического разряда между угольными электродами в среде N2 образуется циан, при высоких температурах взаимодействием углерода со смесью Н2 и N2 получают синильную кислоту.

С серой углерод дает сероуглерод CS2, известны также CS и C3S2. С большинством металлов, бором и кремнием углерод образует карбиды. Важна в промышленности реакция углерода с водяным паром: С +Н2О =СО +Н2 (Газификация твердых топлив).

При нагревании углерод восстанавливает оксиды металлов до металлов, что широко используется в металлургии.

Органические соединения

Благодаря способности углерода образовывать полимерные цепочки, существует огромный класс соединений на основе углерода, которых значительно больше, чем неорганических, и изучением которых занимается органическая химия. Среди них наиболее обширные группы: углеводороды, белки, жиры и др.

Соединения углерода составляют основу земной жизни, а их свойства во многом определяют спектр условий, в которых подобные формы жизни могут существовать. По числу атомов в живых клетках доля углерода около 25%, по массовой доле— около 18%.

Применение

Графит используется в карандашной промышленности. Также его используют в качестве смазки при особо высоких или низких температурах.

Алмаз, благодаря исключительной твердости, незаменимый абразивный материал. Алмазным напылением обладают шлифовальные насадки бормашин. Кроме этого, ограненные алмазы — бриллианты используются в качестве драгоценных камней в ювелирных украшениях.

Благодаря редкости, высоким декоративным качествам и стечению исторических обстоятельств, бриллиант неизменно является самым дорогим драгоценным камнем. Исключительно высокая теплопроводность алмаза (до 2000 Вт/м•К) делает его перспективным материалом для полупроводниковой техники в качестве подложек для процессоров.

Но относительно высокая цена (около 50 долларов/грамм) и сложность обработки алмаза ограничивают его применение в этой области.
В фармакологии и медицине широко используются различные соединения углерода— производные угольной кислоты и карбоновых кислот, различные гетероциклы, полимеры и другие соединения.

Так, карболен (активированный уголь), применяется для абсорбции и выведения из организма различных токсинов; графит (в виде мазей)— для лечения кожных заболеваний; радиоактивные изотопы углерода— для научных исследований (радиоуглеродный анализ).

Углерод играет огромную роль в жизни человека. Его применения столь же разнообразны, как сам этот многоликий элемент.

Углерод является основой всех органических веществ. Любой живой организм состоит в значительной степени из углерода. Углерод— основа жизни. Источником углерода для живых организмов обычно является СО2 из атмосферы или воды.

В результате фотосинтеза он попадает в биологические пищевые цепи, в которых живые существа пожирают друг друга или останки друг друга и тем самым добывают углерод для строительства собственного тела.

Биологический цикл углерода заканчивается либо окислением и возврашением в атмосферу, либо захоронением в виде угля или нефти.

Углерод в виде ископаемого топлива: угля и углеводородов (нефть, природный газ)— один из важнейших источников энергии для человечества.

Токсическое действие

Углерод входит в состав атмосферных аэрозолей, в результате чего может изменяться региональный климат, уменьшаться количество солнечных дней.

Углерод поступает в окружающую среду в виде сажи в составе выхлопных газов автотранспорта, при сжигании угля на ТЭС, при открытых разработках угля, подземной его газификации, получении угольных концентратов и др.

Концентрация углерода над источниками горения 100—400 мкг/м³, крупными городами 2,4—15,9 мкг/м³, сельскими районами 0,5— 0,8 мкг/м³. С газоаэрозольными выбросами АЭС в атмосферу поступает (6—15)•109 Бк/сут 14СО2.

Высокое содержание углерода в атмосферных аэрозолях ведет к повышению заболеваемости населения, особенно верхних дыхательных путей и легких. Профессиональные заболевания— в основном антракоз и пылевой бронхит.

В воздухе рабочей зоны ПДК, мг/м³: алмаз 8,0, антрацит и кокс 6,0, каменный уголь 10,0, технический углерод и углеродная пыль 4,0; в атмосферном воздухе максимальная разовая 0,15, среднесуточная 0,05 мг/м³.

Токсическое действие 14С, вошедшего в состав молекул белков (особенно в ДНК и РНК), определяется радиационным воздействием бета частиц и ядер отдачи азота (14С (β) → 14N) и трансмутационным эффектом— изменением химического состава молекулы в результате превращения атома С в атом N. Допустимая концентрация 14С в воздухе рабочей зоны ДКА 1,3 Бк/л, в атмосферном воздухе ДКБ 4,4 Бк/л, в воде 3,0•104 Бк/л, предельно допустимое поступление через органы дыхания 3,2•108 Бк/год.

Дополнительная информация

Источник: http://himsnab-spb.ru/article/ps/c

Углерод как химический элемент таблицы Менделеева

Углерод как химический элемент
У Углерод является химическим элементом таблицы Менделеева с атомным номером 6 и условным обозначением C. Углерод является неметаллическим веществом с 4 свободными электронами 14-ой группы периодической таблицы.

Как был открыт углерод

Такой химический элемент как углерод был известен людям еще с доисторических времен. Вероятно, он является самым древним химическим элементом, который известен людям. Этот элемент был известен доисторическим людям в форме золы и древесного угля.

Об известности алмазов судить сложно, но есть вероятность того, что он был известен в Китае приблизительно в 2500 году до нашей эры.  Есть сведения, что получение чистого углерода было уже во времена Римской империи.

Его производство было такое же как и сейчас: нагревали дрова в пирамиде покрытой глиной, удалив воздух.

В 1722 году Рене Антуан Фершо де Реомюр продемонстрировал то, что железо превратилось в сталь в результате поглощения  какого-то вещества, которое на сегодняшний день известно как углерод.

Антуан Лавуазье в свою очередь доказал, что алмаз является одной из форм углерода в 1772 году.

Он сжег образцы угля и алмаза у обнаружил, что ни один не образует воды и оба выпускают одинаковое количество углекислого газа.

В 1779 году Карл Вильгельм Шееле доказал, что графит является идентичным древесному углю, а не свинцу как предполагали в то время. Единственным отличием от древесного угля являлась небольшая примесь железа. В 1786 году французские ученые Клод Луи Бертолье, Гаспар Монж и К.А.

Вандермонд подтвердили, что графит являлся в большей части является углеродом. Они окисляли графит кислородом почти как Лавуазье с алмазом. В публикации своего открытия ученые предложили элементу название «carbonum». Антуан Лавуазье, в своем учебнике 1789 года, перечислил углерод как отдельный элемент с таким названием.

В дальнейшем открывались только новые аллотропы углерода.

Где и как добывают углерод

Углерод как химический элемент содержится в природе исключительно в виде соединений. Основными экономически важными углеродными соединениями являются графит и алмаз.

Распространенность графита в природе достаточно велика. Основнымти странами, которые приуспели в добыче графита являются Китай, Индия, Бразилия и Северная Корея. Графит обычно обнаруживается в связи с кварцем, слюдой полевыми штапами в песчаниках и известняках в виде жил и линз толщиной в 1 метр.

На сегодняшний день классификация графита дробится на три части: аморфный, чешуйчатый и кусковой. Аморфный графит является самым распространенным, но с самым низким качеством и самым дешевым. Этот вид графита используется для изделий с низкой стоимостью.

Крупные залежи аморфного гранита имеются в Китае, Европе, Мексике и США.

Чешуйчатый графит является более редким и более качественным по сравнению с аморфным. Его извлекают из горных попод в виде пластин. Чешуйчатый графит, обычно, раза в 4 дороже чем аморфный. Основные месторождения этой разновидности находятся в Австрии, Бразилии, Канаде, Китае, Германии и на острове Мадагаскар.

Кусковой графит является самым ценным, самым редким и качественным видом природного графита. Он был найден в жилах интрузивных контактов в твердых породах. Единственное место в мире, где его добывают является Шри-Ланка.

Еще одним экономически важным углеродным соединением является алмаз. Он является редким и очень ценным аллотропом углерода. Алмазы добываются из алмазной руды, но в самой руде не каждый камень является алмазом. Россия является лидером по производству алмазов, как драгоценных камней, в мире. К сведению один карат, а он равняется 0.2 грамма, оценивается приблизительно в 90$ США.

Распространенность углерода

Углерод является довольно распространенным химическим элементом. Если говорить про вселенский масштаб, то можно отметить, что он занимает почетное 4 место в распространенности по массе. Его опережают только водород, гелий и кислород.

Что же касается земной коры, он занимает 15 место в списке самых распространенных элементов. Если брать человеческий организм, как масштаб распространенности, то углерод занимает второе место после кислорода и составляет около 18%.

Как уже говорилось выше, углерод на нашей планете не встречается в свободной форме. Он встречается в природе в виде различных соединений, причем этих соединений огромное множество. Углерод является неотъемлемой частью жизни на Зелмле.

Основными формами углеродосодержащих элементов являются твердые аллотропы, известняки, доломиты и углекислый газ. Большая часть углеродосодержащих элементов приходится на месторождение угля, нефти, торфа и природного газа.

Применение углерода

Углерод необходим для всех известных живых систем, и без него жизнь, как мы знаем, не могла бы существовать.  Разнообразие его применения наверное самое большое из всех элементов таблицы Менделеева. Основное экономическое использование углерода, кроме продовольствия и древесины, приходится на природные углеводороды.

К ним относится ископаемое топливо, природный газ и нефть. Углерод входит в состав почти всех повседневных вещей жизнедеятельности человека. К примеру все пластмассовые и металлические изделия, а так же шерсть, кашемир, шелк и многое другое. Сажа входит состав красок для печатных устройств.

Углерод содержится во многих медицинских препаратах, самый яркий пример активированный уголь. Углерод является составной частью всех резиновых изделий. Кокс используется для превращения руды в железо, а обогащение углеродом делает из железа сталь. Поэтому все металлические предметы содержат атомы углерода.

В ядерной промышленности углерод используется как замедлитель нейтронов, или изотоп углерода как топливо.

Интересные факты

Интересных фактов связанных с углеродом очень много. Все их перечислить просто невозможно. Стоит начатб с того что некоторые аллотропы углерода являеются рекордсменами. К примеру графит является одним из самых мягких веществ на планете, а алмаз является самым твердым веществом.

Бриллиант «розовая звезда» является одним из самых дорогих камней в мире. В 2013 году его продали с аукциона за 83 миллиона долларов. Бриллиант является обработанной формой алмаза. При высокой температуре и давлении в бескислорлдном пространстве алмазы преобразуются в графит.

  Графит в свою очередь является хорошим смазывающим веществом. Плюс к этому, он хорошо проводит электричество.

В середине 40-х годов был обнаружен новый аллотроп углерода и назвали его «Графен», но получить его неудавалось целых 50 лет. Он обладает большой механической жесткостью и рекордно большой теплопроводностью. Предполагается, что это вещество заменит кремний в электрических приборах.

За открытие метода получения графена и исследование этого вещества русские ученые Андрей Константинович Гейм и Константин Сергеевич Новоселов получили Нобелевскую премию в 2010 году. Метод получения графена был разработан в 2004 году, а реальные испытания в 2005.

Возможно, графен станет «вторым дыханием» в области наноэлектроники.

Источник: https://biobloger.ru/uglerod.html

Делаем просто
Добавить комментарий

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