Урок 24 Бесплатно Углерод

Углерод как химический элемент

Углерод – химический элемент IV группы периодической системы химических элементов.

На внешнем электронном слое атома углерода – 4 электрона, 2 спаренных и 2 не спаренных, поэтому углерод проявляет степени окисления

+2, +4 и –4.

Он занимает ячейку номер 6.

Название «углерод» обозначает «рождающий уголь», поскольку природный каменный уголь представляет собой углерод почти на 100 %.

Углерод – один из самых распространённых элементов на Земле (0,3 % по массе). В земной коре он находится как в виде простого вещества, так и в соединениях. 

В природе углерод образует две аллотропные модификации: алмаз и графит.

Алмаз встречается очень редко в виде отдельных кристаллов. 

В России алмазы добывают в Якутии. 

Графит образует залежи каменного угля, бурого угля, сланцев.

Кроме того, углерод является основной составляющей частью горючих полезных ископаемых: торфа, нефти, природного газа.

Углерод содержится в каждой клетке растений и животных. Именно на основе цепочек из атомов углерода построены все вещества, на которых основана жизнь – органические вещества.

 

В виде органических и неорганических соединений он содержится в почвах. 

Из неорганических соединений наиболее распространены карбонаты: 

СаСO3– кальцит, известняк, мел, мрамор

MgCO3– доломит

(CuOH)2СO3– малахит

 

Природные воды содержат гидрокарбонаты Са(НСO3)2и Mg(HCO3)2.

В земной атмосфере находится 0,03% углекислого газа.

Пройти тест
Закрыть тест

Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации

Углерод как простое вещество

Наиболее распространённые аллотропные модификации углерода – алмаз и графит – имеют различное строение кристаллической решётки, поэтому они резко различаются по физическим свойствам

Алмаз имеет атомную кристаллическую решётку. 

Все четыре электрона каждого атома углерода образуют прочные ковалентные связи с четырьмя соседними атомами углерода. 

Расстояние между атомами углерода одинаковое. 

Поэтому алмаз – самое твёрдое вещество, найденное в природе. 

Он не проводит электрический ток, так как в его кристаллической решётке отсутствуют свободные электроны.

Графит – тёмно-серое вещество, жирное на ощупь, с металлическим блеском. 

В отличие от алмаза, в кристаллической решётке графита атомы углерода расположены слоями, состоящими из шестиугольников. 

Три электрона каждого атома углерода образуют прочные ковалентные связи с тремя соседними атомами, а четвёртый электрон остаётся свободным. 

Что интересно, графит, в противоположность алмазу, самое мягкое вещество.

Графит химически очень устойчив и тугоплавок. 

Температура плавления его около 3700 °С – это самое тугоплавкое простое вещество. 

И даже наиболее тугоплавкие сложные вещества представляют собой соединения металлов именно с углеродом.

 

Аллотропные модификации углерода взаимопревращаемы. 

При нагревании без доступа воздуха алмаз превращается в графит. 

При очень высоких давлении и температуре из графита получают алмаз.

В настоящее время ученые получили множество модификаций углерода, представляющие собой различные формы графита: карбин, фуллерен, нанотрубки и некоторые другие. 

Эти формы углерода обладают уникальными свойствами: высокая твёрдость, большая прочность, полупроводниковые свойства и представляют большой интерес для современной техники.

Совсем недавно из графена и нанотрубок учёные получили аэрогель. Это вещество легче воздуха, по твердости близкое к алмазу, способное впитать в себя жидкость по объему в 900 раз больше себя самого.

Природный уголь образовывался в земной коре миллионы лет путём постепенного испарения и вымывания веществ, состоящих из других химических элементов. 

Сейчас уголь получают и искусственно при нагревании углеродсодержаших соединений без доступа воздуха (чтобы предотвратить горение). 

Разложение органических веществ посредством нагревания без доступа воздуха называют сухой перегонкой.

Пройти тест
Закрыть тест

Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации

Химические свойства углерода

При обычных условиях углерод во всех модификациях химически не активен, но при повышенной температуре становится активным и реагирует со многими простыми и сложными веществами. 

Даже с самым сильным окислителем – фтором – углерод реагирует только при 900 °C.

 

В химических реакциях он может проявлять как восстановительные, так и окислительные свойства. 

Но восстановительные свойства для него более характерны.

 

Как восстановитель углерод взаимодействует с кислородом и оксидами металлов.

Углерод горит на воздухе с образованием оксида углерода (IV) – углекислого газа:

При недостатке кислорода образуется оксид углерода (II) – угарный газ СО.

 

Углерод восстанавливает многие металлы из их оксидов, что широко используют в металлургии.

Как окислитель углерод взаимодействует с металлами и водородом. 

С металлами он образует карбиды металлов:

С водородом образуется метан:

Пройти тест
Закрыть тест

Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации

Оксиды углерода

Углерод образует несколько оксидов, два из них: угарный газ СО и углекислый газ СO2 химически устойчивы.

Известен недооксид углерода С3O2– ядовитый газ с удушливым запахом. 

Это вещество в малых количествах образуется во всех биологических процессах. Учёные считают, что полимер этого вещества способен защищать живые клетки от вредного воздействия ядов.

Известны также вещества с формулами

С12O12

С12O9

C5O2.

 

Оксид углерода (II) – угарный газ – бесцветный газ без запаха, легче воздуха, нерастворим в воде.

Это сильный яд!

Он прочно связывается с гемоглобином крови и кровь перестает доставлять кислород к тканям. 

Угарный газ может образоваться при неполном сгорании топлива, в том числе автомобильного.

При работе с оксидом углерода (II) необходимо соблюдать особые меры предосторожности. Например, нельзя долго находиться в закрытом гараже с автомобилем при включенном двигателе.

 

Угарному газу не соответствует никакая кислота, и он не образует солей.

Поскольку для углерода наиболее характерна степень окисления +4, оксид углерода (II) является восстановителем. 

Он горит голубоватым пламенем, окисляясь до углекислого газа CO2.

Углекислый газ CO2– оксид углерода (IV). 

Он образуется при горении угля в избытке кислорода, а также при термическом разложении карбонатов. 

Это бесцветный газ без запаха. 

Он хорошо растворим в воде, на этом основано его применение в изготовлении напитков.

При растворении в воде он реагирует с ней, образуя очень слабую угольную кислоту H2CO3, которая существует только в виде солей (карбонатов) или в виде водного раствора углекислого газа.

При обычной температуре и высоком давлении углекислый газ сжижается. 

При его испарении поглощается очень много теплоты и часть его превращается в снегообразную массу – «сухой лёд».

Сухой лёд применяют для хранения скоропортящихся продуктов. 

Назван он так из-за того, что не плавится, а возгоняется, то есть сразу переходит в газообразное состояние. 

Углекислый газ не горит и не поддерживает горение, поэтому его используют для тушения пожаров.

Углекислый газ – типичный кислотный оксид: взаимодействует с щелочами и основными оксидами.

Карбонаты щелочных металлов хорошо растворимы в воде и термически устойчивы.

Карбонаты всех остальных металлов нерастворимы в воде и при нагревании разлагаются.

 

Из карбонатов наиболее широко применяют кристаллическую соду Na2CO3x10Н2О, кальцинированную соду Na2CO3– в стекольной и целлюлозно-бумажной промышленности.

Питьевая сода – это гидрокарбонат натрия NaHCO3.

Карбонат калия (поташ) – К2СO3– используют для получения мыла, при изготовлении тугоплавкого стекла. 

Карбонат кальция – CaCO3– известен как известняк, мел и мрамор.

Пройти тест
Закрыть тест

Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации

Применение углерода

Алмазы из-за своей твёрдости применяют для изготовления наконечников инструментов. 

Излишне будет упомянуть, что шлифованные алмазы (бриллианты) очень высоко ценятся в ювелирном деле.

Электропроводность графита используют для изготовления электродов, которые дешевле металлических. Кроме того, графит используют для изготовления технической смазки.

Уголь различается по своим свойствам в зависимости от природного месторождения и способа обработки. 

Важнейшие технические сорта угля: кокс, сажа, древесный уголь.

Кокс получают сухой перегонкой природного каменного угля и применяют в качестве восстановителя в металлургии.

Сажа (копоть) образуется при неполном сгорании многих органических веществ. 

Её применяют для приготовления чёрной краски. 

Добавка сажи к резине повышает прочность автопокрышек и увеличивает срок их службы.

Древесный уголь получают сухой перегонкой древесины. 

Благодаря пористой поверхности древесный уголь обладает способностью поглощать газы и растворённые вещества.

Для увеличения поглотительной способности  древесный уголь обрабатывают водяным паром. 

Полученный таким способом уголь называют активированным. 

Активированный уголь хорошо поглощает различные газы и растворённые вещества, поэтому его применяют в различных областях техники для очистки. 

Русский химик Зелинский использовал активированный уголь в противогазах, чем спас тысячи жизней в период Первой мировой войны.

Пройти тест
Закрыть тест

Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации

Заключительный тест

Пройти тест