Углерод как пишется в химии

Углерод

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 + CO₂

ZnO + C → Zn + CO

FeO + C → Fe + CO

Углерод восстанавливает не только металлы из их оксидов, но и неметаллы подобным образом:

SiO₂ + C → (t) Si + CO

Может 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 + H₂O

C + HNO₃ → CO₂ + NO + H₂O

C + H₂SO_4(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↑ + H₂O

Я 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 карбонат металла, углекислый газ и воду.

MgCO₃ → (t) MgO + CO₂

KHCO₃ → (t) K₂CO₃ + CO₂↑ + H₂O

Углерод (от латинского: carbo «уголь») представляет собой химический элемент с символом С и атомным номером 6. Для образования ковалентных химических связей, доступны четыре электрона. Вещество является неметаллическим и четырехвалентным. Три изотопа углерода встречаются естественным образом, 12С и 13С стабильны, а 14С – радиоактивный изотоп, затухающий с периодом полураспада около 5730 лет ¹⁾. Углерод – один из немногих элементов, известных с древности.
Углерод – это 15-й наиболее распространенный элемент в земной коре, и четвертый наиболее распространенный элемент во Вселенной по массе после водорода, гелия и кислорода. Обилие углерода, уникальное разнообразие его органических соединений и его необычная способность образовывать полимеры при температурах, обычно встречающихся на Земле, позволяют этому элементу служить общим элементом для всех известных форм жизни. Это второй наиболее распространенный элемент в человеческом теле по массе (около 18,5%) после кислорода. ²⁾
Атомы углерода могут связываться по-разному, называясь при этом аллотропами углерода. Наиболее известными аллотропами являются графит, алмаз и аморфный углерод. Физические свойства углерода широко варьируются в зависимости от аллотропной формы. Например, графит непрозрачен и черный, а алмаз – очень прозрачный. Графит достаточно мягкий, чтобы образовывать полосу на бумаге (отсюда и его название, от греческого глагола «γράφειν», что означает «писать»), в то время как алмаз является самым твердым известным в природе материалом. Графит является хорошим электрическим проводником, а алмаз имеет низкую электропроводность. В обычных условиях, алмаз, углеродные нанотрубки и графен имеют самую высокую теплопроводность среди всех известных материалов. Все углеродные аллотропы являются твердыми веществами в нормальных условиях, причем графит является наиболее термодинамически стабильной формой. Они химически устойчивы и требуют высокой температуры, чтобы реагировать даже с кислородом.
Наиболее распространенное состояние окисления углерода в неорганических соединениях составляет +4, и +2 – в карбоксильных комплексах монооксида углерода и переходного металла. Крупнейшими источниками неорганического углерода являются известняки, доломиты и двуокись углерода, но значительные количества происходят из органических отложений угля, торфа, нефти и метанатных клатратов. Углерод образует огромное количество соединений, больше, чем любой другой элемент, с почти десятимиллионным количеством соединений, описанных до настоящего времени, и, тем не менее, это число является лишь частью числа теоретически возможных соединений в стандартных условиях. По этой причине, углерод часто упоминается как «царь элементов» ³⁾.

Характеристики

Аллотропы углерода

Атомный углерод является очень недолговечным видом, и поэтому углерод стабилизируется в различных многоатомных структурах с различными молекулярными конфигурациями, называемыми аллотропами. Три относительно известных аллотропа углерода – аморфный углерод, графит и алмаз. Ранее считавшиеся экзотическими, фуллерены в настоящее время обычно синтезируются и используются в исследованиях; они включают бакиболы, ⁷⁾ углеродные нанотрубки, углеродные наноточки и нановолокна. Также было обнаружено несколько других экзотических аллотропов, таких как лонсалетит, стеклоуглерод, углеродный нанофаум и линейный ацетиленовый углерод (карбин).
По состоянию на 2009 год, графен считается наиболее сильным материалом среди всех, когда-либо протестированных. ⁹⁾ Процесс отделения его от графита потребует некоторого дальнейшего технологического развития, прежде чем он станет экономичным для промышленных процессов. В случае успеха, графен можно будет использовать при строительстве космических лифтов. Он также может быть использован для безопасного хранения водорода для использования в двигателях на основе водорода в автомобилях.
Аморфная форма представляет собой набор атомов углерода в некристаллическом, нерегулярном, стекловидном состоянии, а не содержащихся в кристаллической макроструктуре. Она присутствует в виде порошка и является основным компонентом таких веществ, как древесный уголь, ламповая копоть (сажа) и активированный уголь. При нормальных давлениях, углерод имеет форму графита, в котором каждый атом тригонально связан тремя другими атомами в плоскости, состоящей из сплавленных гексагональных колец, как и в ароматических углеводородах ¹⁰⁾. Полученная сеть является двухмерной, и полученные плоские листы складываются и свободно связываются через слабые силы Ван-дер-Ваальса. Это дает графиту его мягкость и свойства расщепления (листы легко проскальзывают друг за другом). Из-за делокализации одного из внешних электронов каждого атома с образованием π-облака, графит проводит электричество, но только в плоскости каждого ковалентно связанного листа. Это приводит к более низкой удельной электропроводности для углерода, чем для большинства металлов.
Делокализация также объясняет энергетическую стабильность графита над алмазом при комнатной температуре.
При очень высоких давлениях, углерод образует более компактный аллотроп, алмаз, имеющий почти вдвое большую плотность, чем графит. Здесь каждый атом тетраэдрически соединен с четырьмя другими, образуя трехмерную сеть сморщенных шестичленных колец атомов. Алмаз имеет ту же кубическую структуру, что кремний и германий, и из-за прочности углерод-углеродных связей он является самым твердым природным веществом, что измеряется по сопротивлению царапинам. Вопреки распространенному мнению, что «алмазы вечны», они термодинамически нестабильны в нормальных условиях и превращаются в графит. Из-за высокого энергетического барьера активации, переход в форму графита настолько медленный при нормальной температуре, что он незаметен. При некоторых условиях, углерод кристаллизуется как лонсалейт, гексагональная кристаллическая решетка со всеми ковалентно связанными атомами и свойствами, аналогичными свойствам алмаза. Фуллерены представляют собой синтетическое кристаллическое образование с графитоподобной структурой, но вместо шестиугольников фуллерены состоят из пятиугольников (или даже семиугольников) атомов углерода. Отсутствующие (или дополнительные) атомы деформируют листы в сферы, эллипсы или цилиндры. Свойства фуллеренов (разделенных на бакиболы, бакитубы и нанобады) еще не полностью проанализированы и представляют собой интенсивную область исследований наноматериалов. Названия «фуллерен» и «бакибол» связаны с именем Ричарда Бакминстера Фуллера, популяризатора геодезических куполов, которые напоминают структуру фуллеренов. Бакиболы представляют собой довольно крупные молекулы, образованные полностью из углеродных связей тригонально, образуя сфероиды (наиболее известным и простейшим является баксинистерфеллерен C60 с формой футбольного мяча). Углеродные нанотрубки структурно подобны бакиболам, за исключением того, что каждый атом связан тригонально в изогнутом листе, который образует полый цилиндр. ¹¹⁾ Нанобады впервые были представлены в 2007 году и представляют собой гибридные материалы (бакиболы ковалентно связаны с внешней стенкой нанотрубки), которые сочетают свойства обоих в одной структуре. Из других обнаруженных аллотропов, углеродная нанопена является ферромагнитным аллотропом, обнаруженным в 1997 году. Она состоит из кластерной сборки атомов углерода с низкой плотностью, натянутых вместе в рыхлую трехмерную сеть, в которой атомы тригонально связаны в шести- и семичленных кольцах. Она относится к числу самых легких твердых веществ с плотностью около 2 кг / м3. Аналогичным образом, стеклообразный углерод содержит высокую долю закрытой пористости, но, в отличие от обычного графита, графитовые слои не сложены в виде страниц в книге, но имеют более случайное расположение. Линейный ацетиленовый углерод имеет химическую структуру — (C ::: C) n-. Углерод в этой модификации является линейным с орбитальной гибридизацией sp и является полимером с чередующимися одиночными и тройными связями. Этот карбин представляет значительный интерес для нанотехнологий, поскольку его модуль Юнга в сорок раз больше, чем у самого твердого материала – алмаза. В 2015 году команда из Университета Северной Каролины объявила о разработке еще одного аллотропа, который они назвали Q-углерод, созданный высокоэнергетическим лазерным импульсом низкой длительности на аморфной углеродной пыли. Сообщается, что Q-углерод проявляет ферромагнетизм, флуоресценцию и имеет твердость, превосходящую алмазы.

Распространенность

Углерод является четвертым по распространенности химическим элементом во Вселенной по массе после водорода, гелия и кислорода. Углерод изобилует в Солнце, звездах, кометах и атмосферах большинства планет. Некоторые метеориты содержат микроскопические алмазы, которые были сформированы, когда солнечная система все еще была протопланетным диском. Микроскопические алмазы также могут образовываться при интенсивном давлении и высокой температуре в местах воздействия метеорита. В 2014 году, НАСА объявила об обновленной базе данных для отслеживания полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) во Вселенной. Более 20% углерода во Вселенной могут быть связаны с ПАУ, комплексными соединениями углерода и водорода без кислорода ¹²⁾. Эти соединения фигурируют в мировой гипотезе ПАУ, где они, предположительно, играют роль в абиогенезе и формировании жизни. Похоже, что ПАУ были сформированы «через пару миллиардов лет» после Большого взрыва, широко распространены во вселенной и связаны с новыми звездами и экзопланетами. По оценкам, твердая оболочка земли, в целом, содержит 730 чнм углерода, при этом 2000 чнм содержатся в сердцевине и 120 чнм – в комбинированной мантии и коре ¹³⁾. Поскольку масса земли составляет 5,9 72 × 1024 кг, это будет означать 4360 миллионов гигатонн углерода. Это намного больше, чем количество углерода в океанах или атмосфере (ниже). В сочетании с кислородом в углекислом газе, углерод находится в атмосфере Земли (приблизительно 810 гигатонн углерода) и растворяется во всех водоемах (приблизительно 36000 гигатонн углерода). В биосфере присутствует около 1900 гигатонн углерода. Углеводороды (такие как уголь, нефть и природный газ) также содержат углерод. Угольные «резервы» (а не «ресурсы») составляют около 900 гигатонн с, возможно, 18 000 Гт ресурсов. Запасы нефти составляют около 150 гигатонн. Доказанные источники природного газа составляют около 175 1012 кубических метров (содержащих около 105 гигатонн углерода), однако в исследованиях оценивается еще 900 1012 кубических метров «нетрадиционных» месторождений, таких как сланцевый газ, что составляет около 540 гигатонн углерода. Углерод также был обнаружен в гидратах метана в полярных регионах и под морями. По разным оценкам, количество этого углерода составляет 500, 2500 Гт, или 3000 Гт ¹⁴⁾. В прошлом, количество углеводородов было больше. Согласно одному источнику, в период с 1751 по 2008 годы около 347 гигатонн углерода было выброшено в атмосферу в виде углекислого газа в атмосферу от сжигания ископаемого топлива. Другой источник добавляет количество, добавленное в атмосферу в период с 1750 года до 879 Гт, а общее количество в атмосфере, море и земле (например, торфяные болота) составляет почти 2000 Гт ¹⁵⁾. Углерод является составной частью (12% по массе) очень больших масс карбонатных пород (известняк, доломит, мрамор и т. д.). Уголь содержит очень большое количество углерода (антрацит содержит 92-98% углерода) и является крупнейшим коммерческим источником минерального углерода, на который приходится 4000 гигатонн или 80% ископаемого топлива. Что касается индивидуальных аллотропов углерода, графит содержится в больших количествах в Соединенных Штатах (в основном, в Нью-Йорке и Техасе), в России, Мексике, Гренландии и Индии.
Природные алмазы встречаются в горном кимберлите, содержащемся в древних вулканических «шеях» или «трубах». Большинство алмазных месторождений находится в Африке, особенно в Южной Африке, Намибии, Ботсване, Республике Конго и Сьерра-Леоне. Алмазные месторождения также обнаружены в Арканзасе, Канаде, Российской Арктике, Бразилии, а также в Северной и Западной Австралии. Теперь бриллианты также извлекают со дна океана у мыса Доброй Надежды. Алмазы встречаются естественным образом, но сейчас производится около 30% всех промышленных алмазов, используемых в США. Углерод-14 образуется в верхних слоях тропосферы и стратосферы на высотах 9-15 км в реакции, которая осаждается космическими лучами. ¹⁶⁾ Производятся тепловые нейтроны, которые сталкиваются с ядрами азота-14, образуя углерод-14 и протон. Таким образом, 1,2 × 1010% атмосферного углекислого газа содержит углерод-14. [23] Астероиды, богатые углеродом, относительно преобладают во внешних частях пояса астероидов в нашей солнечной системе. Эти астероиды еще не были напрямую исследованы учеными. Астероиды могут использоваться в гипотетической угледобыче на основе космического пространства, что может быть возможно в будущем, но в настоящее время технологически невозможно.

Изотопы углерода

Изотопы углерода представляют собой атомные ядра, которые содержат шесть протонов плюс ряд нейтронов (от 2 до 16). У углерода есть два устойчивых, встречающихся в природе, изотопа. Изотоп углерод-12 (12С) образует 98,93% углерода на Земле, а углерод-13 (13С) образует оставшиеся 1,07%. Концентрация 12С еще больше увеличивается в биологических материалах, потому что биохимические реакции дискриминируют 13С. В 1961 году, Международный союз чистой и прикладной химии (ИЮПАК) принял изотопный углерод-12 в качестве основы для атомных весов. ¹⁷⁾ Идентификация углерода в экспериментах с ядерным магнитным резонансом (ЯМР) проводится с изотопом 13С. Углерод-14 (14С) представляет собой природный радиоизотоп, созданный в верхней атмосфере (нижняя стратосфера и верхняя тропосфера) путем взаимодействия азота с космическими лучами. Он находится в следовых количествах на Земле в количестве до 1 части на триллион (0,0000000001%), в основном, в атмосфере и поверхностных отложениях, в частности, торфе и других органических материалах. Этот изотоп распадается в ходе β-эмиссии 0,158 МэВ. Из-за относительно короткого периода полураспада, 5730 лет, 14С практически отсутствует в древних скалах. В атмосфере и в живых организмах, количество 14С почти постоянное, но снижается в организмах после смерти.
Этот принцип используется в радиоуглеродном датировании, изобретенном в 1949 году, которое широко использовалось для определения возраста углеродистых материалов с возрастом до 40000 лет ¹⁸⁾. Существует 15 известных изотопов углерода и наименьший срок жизни из них имеет 8C, который распадается за счет эмиссии протонов и альфа-распада и имеет период полураспада 1,98739 × 10-21 с. Экзотический 19C демонстрирует ядерный ореол, что означает, что его радиус значительно больше, чем можно было бы ожидать, если бы ядро было сферой постоянной плотности. ¹⁹⁾

Образование в звездах

Формирование атомного ядра углерода требует почти одновременного тройного столкновения альфа-частиц (ядер гелия) внутри ядра гигантской или сверхгигантской звезды, что известно как тройной альфа-процесс, поскольку продукты дальнейших реакций ядерного синтеза гелия с водородом или другим ядром гелия производят литий-5 и бериллий-8 соответственно, оба из которых очень неустойчивы и почти мгновенно затухают обратно в более мелкие ядра ²⁰⁾. Это происходит в условиях температур более 100 мегакальвин и концентрации гелия, что недопустимо в условиях быстрого расширения и охлаждения ранней Вселенной, и поэтому во время Большого взрыва не было создано значительных количеств углерода. Согласно современной теории физической космологии, углерод образуется внутри звезд в горизонтальной ветви путем столкновения и трансформации трех ядер гелия. Когда эти звезды умирают как сверхновая, углерод рассеивается в космос в виде пыли. Эта пыль становится составным материалом для образования звездных систем второго или третьего поколения с аккрецированными планетами. Солнечная система – одна из таких звездных систем с обилием углерода, позволяющая существование жизни, как мы ее знаем. Цикл CNO является дополнительным механизмом слияния, который управляет звездами, где углерод работает как катализатор. Ротационные переходы различных изотопических форм монооксида углерода (например, 12CO, 13CO и 18CO) обнаруживаются в субмиллиметровом диапазоне длин волн и используются при изучении новообразующихся звезд в молекулярных облаках ²¹⁾.

Углеродный цикл

В земных условиях, конверсия одного элемента в другой – явление очень редкое. Поэтому количество углерода на Земле эффективно постоянное. Таким образом, в процессах, которые используют углерод, он должен получаться откуда-то и утилизироваться в другом месте. Пути углерода в окружающей среде образуют углеродный цикл. Например, фотосинтетические установки извлекают углекислый газ из атмосферы (или морской воды) и строят его в биомассу, как в цикле Кальвина, процессе фиксации углерода. Некоторая часть этой биомассы съедается животными, в то время как некоторая часть углерода выдыхается животными в виде двуокиси углерода. Цикл углерода значительно сложнее, чем этот короткий цикл; например, некоторое количество двуокиси углерода растворяется в океанах; если бактерии не поглощают его, мертвое растительное или животное вещество может стать нефтью или углем, которое выделяет углерод при сжигании. ²²⁾

Соединения углерода

Углерод может образовывать очень длинные цепи взаимосвязанных углерод-углеродных связей, свойство, которое называется образованием цепочек. Углерод-углеродные связи устойчивы. Благодаря катанации (образованию цепочек), углерод образует бесчисленное количество соединений. Оценка уникальных соединений показывает, что большее количество из них содержат углерод. ²³⁾ Аналогичное утверждение может быть сделано для водорода, потому что большинство органических соединений также содержат водород. Простейшая форма органической молекулы представляет собой углеводород – большое семейство органических молекул, которые состоят из атомов водорода, связанных с цепочкой атомов углерода. Длина цепи, боковые цепи и функциональные группы влияют на свойства органических молекул. Углерод встречается во всех формах известной органической жизни и является основой органической химии. При объединении с водородом, углерод образует различные углеводороды, которые важны для промышленности как хладагенты, смазочные материалы, растворители, как химическое сырье для производства пластмасс и нефтепродуктов, а также как ископаемое топливо. В сочетании с кислородом и водородом, углерод может образовывать множество групп важных биологических соединений, включая сахара, лигнаны, хитины, спирты, жиры и ароматические сложные эфиры, каротиноиды и терпены. С азотом, углерод образует алкалоиды, а с добавлением серы также образует антибиотики, аминокислоты и резиновые изделия. С добавлением фосфора к этим другим элементам, он образует ДНК и РНК, носители химического кода жизни и аденозинтрифосфат (АТФ), самую важную молекулу переноса энергии во всех живых клетках.

Неорганические соединения

Обычно углеродсодержащие соединения, которые связаны с минералами или которые не содержат водорода или фтора, обрабатываются отдельно от классических органических соединений; это определение не является строгим. Среди них простые оксиды углерода. Наиболее известным оксидом является двуокись углерода (CO2). Когда-то это вещество было главной составляющей палеоатмосферы, но сегодня является второстепенным компонентом атмосферы Земли ²⁴⁾. При растворении в воде, это вещество образует углекислоту (H2CO3), но, как и большинство соединений с несколькими односвязными кислородами на одном углероде, оно неустойчиво. Однако, через это промежуточное вещество образуются резонансные стабилизированные карбонатные ионы. Некоторыми важными минералами являются карбонаты, особенно кальциты. Углерод дисульфид (CS2) аналогичен. Другим распространенным оксидом является окись углерода (СО). Она образуется при неполном сгорании и является бесцветным газом без запаха. Каждая молекула содержит тройную связь и является довольно полярной, что приводит к тому, что она постоянно связывается с молекулами гемоглобина, вытесняя кислород, который имеет более низкую аффинность связывания. ²⁵⁾ Цианид (CN-) имеет сходную структуру, но ведет себя подобно ионам галогенида (псевдогалоген). Например, он может образовывать молекулу нитрида цианогена (CN) 2), аналогичную диатомовым галогенидам. Другими необычными оксидами являются субоксид углерода (C3O2), неустойчивый монооксид углерода (C2O), ²⁶⁾ триоксид углерода (CO3), циклопентанпептон (C5O5), циклогексангексон (C6O6) и меллитовый ангидрид (C12O9). С реактивными металлами, такими как вольфрам, углерод образует либо карбиды (C4-), либо ацетилиды (C2-2) с образованием сплавов с высокими температурами плавления. Эти анионы также связаны с метаном и ацетиленом, оба из которых являются очень слабыми кислотами. При электроотрицательности 2,5, углерод предпочитает образовывать ковалентные связи. Несколько карбидов представляют собой ковалентные решетки, такие как карборунд (SiC), который напоминает алмаз. Тем не менее, даже самые полярные и солеобразные карбиды не являются полностью ионными соединениями ²⁷⁾.

Металлоорганические соединения

Органометаллические соединения, по определению, содержат, по меньшей мере, одну связь углерод-металл. Существует широкий спектр таких соединений; основные классы включают простые соединения алкил-металл (например, тетраэтилэлид), η2-алкеновые соединения (например, соль Zeise) и η3-аллильные соединения (например, димер хлорида аллилпалладия); металлоцены, содержащие циклопентадиенильные лиганды (например, ферроцен); и карбеновые комплексы переходных металлов. Существует много карбонилов металлов (например, тетракарбонилникель); некоторые работники считают, что лиганд монооксида углерода является чисто неорганическим, а не металлоорганическим, соединением. В то время как считается, что углерод исключительно образует четыре связи, сообщается об интересном соединении, содержащем октаэдрический гексакоординированный атом углерода. Катион этого соединения представляет собой [Ph3PAu) 6C] 2+. Это явление объясняется аурофильностью золотых лигандов. В 2016 году было подтверждено, что гексаметилбензол содержит атом углерода с шестью связями, а с не обычными четырьмя. ²⁸⁾

История и этимология

Английское название углерода (carbon) происходит от латинского carbo, обозначающего «уголь» и «древесный уголь» ²⁹⁾, отсюда же и французское слово charbon, что означает «древесный уголь». На немецком, голландском и датском языках названия углерода – Kohlenstoff, koolstof и kulstof соответственно, все в буквальном смысле означают угольную субстанцию. Углерод был обнаружен в доисторических временах и был известен в формах сажи и древесного угля в самых ранних человеческих цивилизациях. Алмазы были известны, вероятно, уже в 2500 г. до н.э. в Китае, а углерод в виде древесного угля был изготовлен в римские времена путем той же химии, что и сегодня, путем нагрева древесины в пирамиде, покрытой глиной, чтобы исключить воздух.
В 1722 году Рене Антуан Ферхо де Реамур продемонстрировал, что железо превращается в сталь через поглощение какого-либо вещества, которое теперь известно как углерод. В 1772 году Антуан Лавуазье показал, что алмазы являются формой углерода; когда он сжигал образцы древесного угля и алмаза и обнаружил, что ни один из них не производил никакой воды, и что оба вещества выпускали равное количество углекислого газа на грамм. В 1779 году Карл Вильгельм Шееле показал, что графит, который считался формой свинца, вместо этого был идентичен древесному углю, но с небольшой примесью железа и что он давал «воздушную кислоту» (что является диоксидом углерода) при окислении азотной кислотой. ³⁰⁾
В 1786 году французские ученые Клод Луи Бертолле, Гаспард Мондж и К. А. Вандермонд подтвердили, что графит, в основном, был углеродом, при окислении его в кислороде почти так же, как Лавуазье делал с алмазом.
Некоторое количество железа снова оставалось, что, по мнению французских ученых, было необходимо для структуры графита. В своей публикации они предложили название carbone (латинское слово carbonum) для элемента в графите, который выделялся как газ при сжигании графита. Затем Антуан Лавуазье перечислил углерод как элемент в своем учебнике 1789 года. Новый аллотроп углерода, фуллерен, который был обнаружен в 1985 году, включает наноструктурные формы, такие как баккиболы и нанотрубки. Их первооткрыватели – Роберт Керл, Гарольд Крото и Ричард Смолли – получили Нобелевскую премию по химии в 1996 году. ³¹⁾ Возникший в результате возобновленный интерес к новым формам приводит к открытию дополнительных экзотических аллотропов, включая стеклообразный углерод, и осознанию того, что «аморфный углерод» не является строго аморфным.

Производство

Графит

Коммерчески жизнеспособные природные отложения графита встречаются во многих частях мира, но наиболее экономически важные источники находятся в Китае, Индии, Бразилии и Северной Корее. Графитовые отложения имеют метаморфическое происхождение, обнаруженное в сочетании с кварцем, слюдой и полевыми шпатами в сланцах, гнейсах и метаморфизованных песчаниках и известняках в виде линз или жил, иногда толщиной в несколько метров или более. Запасы графита в Борроудейл, Камберленд, Англия, были вначале достаточного размера и чистоты, поэтому до 19-го века карандаши делались просто путем распиливания блоков из натурального графита на полоски перед обклеиванием полос в древесине. Сегодня меньшие отложения графита получают путем измельчения родительской породы и плавания более легкого графита на воде. ³²⁾ Существует три типа натурального графита – аморфный, чешуйчатый или кристаллический.
Аморфный графит имеет самое низкое качество и является наиболее распространенным. В отличие от науки, в промышленности «аморфный» относится к очень маленькому размеру кристалла, а не к полному отсутствию кристаллической структуры. Слово «аморфный» используется для обозначения продуктов с низким количеством графита и является самым дешевым графитом. Крупные месторождения аморфного графита находятся в Китае, Европе, Мексике и США. Плоский графит реже встречается и имеет более высокое качество, чем аморфный; он выглядит как отдельные пластины, которые кристаллизуются в метаморфических породах. Цена гранулированного графита может в четыре раза превышать цену аморфного. Чешуйчатый графит хорошего качества может быть переработан в расширяемый графит для многих применений, таких как антипирены.
Первичные месторождения графита находятся в Австрии, Бразилии, Канаде, Китае, Германии и на Мадагаскаре. Жидкий или кусковой графит – самый редкий, самый ценный и высококачественный тип природного графита. Он находится в жилах вдоль интрузивных контактов в твердых кусках, и коммерчески добывается только в Шри-Ланке. Согласно USGS, мировое производство природного графита в 2010 году составило 1,1 миллиона тонн, при этом в Китае было добыто 800 000 тонн, в Индии – 130 000 т, в Бразилии – 76 000 т, в Северной Корее – 30 000 т и в Канаде – 25 000 т. Никакого природного графита не было добыто в Соединенных Штатах, но в 2009 году было добыто 118 000 т синтетического графита с оценочной стоимостью 998 млн. долл. США.

Алмаз

Поставки алмазов контролируются ограниченным числом бизнесов, а также высоко концентрируются в небольшом количестве мест по всему миру. Только очень небольшая доля алмазной руды состоит из реальных алмазов. Руда измельчается, во время чего необходимо принять меры для предотвращения разрушения крупных алмазов в этом процессе, а затем частицы сортируются по плотности. Сегодня алмазы добывают во фракции богатой алмазами с помощью рентгеновской флуоресценции, после чего последние шаги сортировки выполняются вручную. До распространения использования рентгеновских лучей, разделение проводилось с помощью смазочных лент; известно, что алмазы были обнаружены только в аллювиальных отложениях на юге Индии. Известно, что алмазы более склонны прилипать к массе, чем другие минералы в руде. Индия была лидером в производстве алмазов с момента их открытия примерно в IX веке до нашей эры до середины 18 века нашей эры, но коммерческий потенциал этих источников был исчерпан к концу 18 века, и к тому времени Индия была затомлена Бразилией, где первые алмазы были найдены в 1725 году. ³³⁾
Алмазное производство первичных месторождений (кимберлитов и лампроитов) началось только в 1870-х годах, после открытия алмазных месторождений в Южной Африке.
Производство алмазов увеличивалось с течением времени, и с этой даты было накоплено всего 4,5 млрд каратов. Около 20% от этого количества было добыто только за последние 5 лет, и в течение последних десяти лет начали производство 9 новых месторождений, и еще 4 ждут скорого открытия.
Большинство из этих месторождений находятся в Канаде, Зимбабве, Анголе и одно – в России. ³⁴⁾ В Соединенных Штатах, алмазы были обнаружены в Арканзасе, Колорадо и Монтане. ³⁵⁾ В 2004 году поразительное открытие микроскопического алмаза в Соединенных Штатах привело к выпуску в январе 2008 года массового отбора проб кимберлитовых труб в отдаленной части Монтаны. Сегодня большинство коммерчески жизнеспособных алмазных месторождений находятся в России, Ботсване, Австралии и Демократической Республике Конго. В 2005 году, Россия произвела почти одну пятую мирового запаса алмазов, по сообщению Британской Геологической Службы. В Австралии самая богатая диамантированная труба достигла пиковых уровней производства в 42 метрических тонны (41 тонна, 46 коротких тонн) в год в 1990-х годах.
Существуют также коммерческие месторождения, активные добычи которых осуществляются на Северо-Западных территориях Канады, Сибири (в основном, на территории Якутии, например, в Трубе «Мир» и в Удачной трубе), в Бразилии, а также в Северной и Западной Австралии.

Применения

Углерод необходим для всех известных живых систем. Без него невозможно существование жизни, такой, как мы ее знаем. Основное экономическое использование углерода, кроме продуктов питания и древесины, относится к углеводородам, в первую очередь, к ископаемому топливу метановому газу и сырой нефти. Сырая нефть перерабатывается нефтеперерабатывающими заводами для производства бензина, керосина и других продуктов. Целлюлоза представляет собой природный углеродсодержащий полимер, производимый растениями в виде дерева, хлопка, льна и конопли. Целлюлоза используется, в основном, для поддержания структуры растений. Коммерчески ценные углеродные полимеры животного происхождения включают шерсть, кашемир и шелк. Пластмассы изготавливают из синтетических углеродных полимеров, часто с атомами кислорода и азота, включенными через регулярные интервалы в основную полимерную цепь. Сырье для многих из этих синтетических веществ поступает из сырой нефти. Использование углерода и его соединений чрезвычайно разнообразно. Углерод может образовывать сплавы с железом, наиболее распространенным из которых является углеродистая сталь. Графит сочетается с глинами, образуя «свинец», используемый в карандашах, используемых для письма и рисования. Он также используется в качестве смазки и пигмента в качестве формовочного материала при производстве стекла, в электродах для сухих батарей и гальванизации и гальванопластики, в щетках для электродвигателей и в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах. Уголь используется как материал для изготовления произведений искусства, в качестве гриля для барбекю, для выплавки железа и имеет множество других применений. Древесина, уголь и нефть используются в качестве топлива для производства энергии и для отопления. Алмазы высокого качества используются в производстве ювелирных изделий, а промышленные алмазы используются для сверления, резки и полировки инструментов для обработки металлов и камня. Пластмассы изготавливаются из ископаемых углеводородов, а углеродное волокно, изготовленное путем пиролиза синтетических полиэфирных волокон, используется для армирования пластмасс с образованием передовых, легких композиционных материалов. Углеродное волокно изготавливается путем пиролиза экструдированных и растянутых нитей полиакрилонитрила (PAN) и других органических веществ. Кристаллическая структура и механические свойства волокна зависят от типа исходного материала и последующей обработки. Углеродные волокна, изготовленные из PAN, имеют структуру, напоминающую узкие нити графита, но термическая обработка может переупорядочить структуру в непрерывный лист. В результате, волокна имеют более высокую удельную прочность на растяжение, чем сталь. ³⁶⁾ Углеродная сажа используется в качестве черного пигмента в печатных красках, масляной краске и акварелях художников, углеродной бумаге, автомобильной отделке, чернилах и лазерных принтерах. Углеродная сажа также используется в качестве наполнителя в резиновых изделиях, таких как шины и в пластмассовых соединениях. Активированный уголь используется в качестве абсорбента и адсорбента в фильтровальных материалах в таких разнообразных применениях, как противогазы, очистка воды и кухонные вытяжки, а также в медицине для поглощения токсинов, ядов или газов из пищеварительной системы. Углерод используется при химическом восстановлении при высоких температурах. Кокс используется для восстановления железной руды в железе (плавка). Затвердевание стали достигается за счет нагрева готовых стальных компонентов в углеродном порошке. Карбиды кремния, вольфрама, бора и титана входят в число самых твердых материалов и используются в качестве абразивов для резки и шлифования. Углеродные соединения составляют большую часть материалов, используемых в одежде, таких как натуральный и синтетический текстиль и кожа, а также почти все внутренние поверхности в среде, отличной от стекла, камня и металла.

Бриллианты

Алмазная промышленность подразделяется на две категории, одна из которых – алмазы высокого качества (драгоценные камни), а другая – алмазы промышленного класса. Хотя существует большая торговля обоими типами алмазов, оба рынка действуют совершенно по-разному.
В отличие от драгоценных металлов, таких как золото или платина, бриллианты драгоценных камней не торгуются как товар: в продаже алмазов имеется существенная надбавка, и рынок перепродажи алмазов не очень активен.
Промышленные алмазы ценятся, в основном, за их твердость и теплопроводность, при этом геммологические качества ясности и цвета, в основном, неактуальны. Около 80% добытых алмазов (равно примерно 100 млн каратов или 20 тонн в год) непригодны для использования, и используются в промышленности (алмазный лом). Синтетические алмазы, изобретенные в 1950-х годах, почти сразу нашли промышленные применения; Ежегодно производится 3 млрд каратов (600 тонн) синтетических алмазов. ³⁷⁾
Доминирующим промышленным использованием алмаза является резка, сверление, шлифовка и полировка. Большинство этих применений не требуют больших алмазов; на самом деле, большинство алмазов драгоценного качества, за исключением алмазов небольшого размера, могут использоваться в промышленности. Алмазы вставляются в наконечники сверл или пильные диски или измельчаются в порошок для использования в шлифовании и полировке. Специализированные применения включают использование в лабораториях в качестве хранилища для экспериментов высокого давления, высокопроизводительных подшипников и ограниченное использование в специализированных окнах. Благодаря достижениям в области производства синтетических алмазов, новые применения становятся практически осуществимыми. Большое внимание уделяется возможному использованию алмаза в качестве полупроводника, подходящего для микрочипов, и из-за его исключительной теплопроводности в качестве радиатора в электронике. ³⁸⁾

Меры предосторожности

Содержание:

1. Углерод и его соединения
2. Химические свойства углерода
3. Оксиды углерода

Соединения углерода весьма распространены: все живые организмы, каменный уголь, торф, нефть и др. содержат углерод. Углерод входит в состав многих неорганических веществ (известняк, мел, мрамор и др). ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УГЛЕРОДА. Углерод — малоактивен, на холоде реагирует только со фтором; химическая активность проявляется при высоких температурах.

На странице -> решение задач по химии собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам химии.

Углерод и его соединения

Охарактеризуйте  углерод по его месту в Периодической системе. Назовите соединения углерода и валентность углерода в этих соединениях.

Углерод в виде угля, копоти, сажи известен человечеству с незапамятных времен. Элементарная природа углерода была установлена А. Лавуазье в конце 1780-х годов. Свое название элемент получил в 1824 г., в переводе с латинского оно означает «уголь».

Положение в периодической системе. Углерод – элемент 2-го периода главной подгруппы IV группы (IVА), атомный номер 6, относительная атомная масса 12, в ядре атома содержится 6 протонов и 6 нейтронов  общее число электронов также 6.

Строение атома.  Электронная конфигурация атома углерода:  Углерод – неметалл, p-элемент. 

Валентные электроны (II, IV) размещены по орбиталям:

При возбуждении один электрон переходит с 2s-подуровня на 2p-подуровень. Поэтому в основном состоянии атом углерода двухвалентен (CО), а в возбужденном состоянии – четырехвалентен 

Нахождение в природе. Углерод входит в состав всех живых организмов. В свободном состоянии углерод встречается в виде алмаза, графита и карбина (аллотропные видоизменения, рис. 69). Природные соединения углерода – доломит  мрамор  магнезит  Нефть, каменный уголь и природный газ содержат углерод в связанном состоянии.

В свободном виде углерод не токсичен, а вот многие его соединения обладают значительной токсичностью. 

Аллотропные видоизменения углерода  характеризуются  различным строением кристаллических решеток. Этим и объясняется резкое различие их физических свойств.

Физические свойства.  Алмаз – самое твердое природное соединение на Земле. Это прозрачное, бесцветное, кристаллическое вещество, имеет тетраэдрическое строение, не электропроводен.

Графит – мягкий, непрозрачный, серого цвета, маслянистый и блестящий (рис. 68). Графит при температуре 2000оС и низком давлении превращается в карбин.

В последние годы открыли еще одну форму – фуллерен. У него структура‚ как у футбольного мяча.

К этим разновидностям можно прибавить аморфный углерод, простейшим представителем  которого  является  древесный  уголь.  При  сухой  перегонке древесины образуется древесный уголь, у которого сильно выражена способность к адсорбции (поглощение на поверхности) газов, паров и растворенных веществ.

Получение. Сажа  –  аморфный  углерод,  продукт  неполного  сгорания углеводорода. Кокс – твердое искусственное топливо, продукт термической обработки каменного угля.

Запомни! Площадь поверхности активированного угля массой 1 г составляет 800 м2, поэтому он обладает повышенной адсорбционной способностью. Адсорбент — это вещество, способное поглощать на своей поверхности газы и жидкости. Таблетки активированного угля применяют для подготовки желудочно-кишечного тракта к рентгеновскому обследованию и УЗИ; для очистки спирта. Активированный уголь не поглощает угарный газ (СО).
 

Аллотропные видоизменения углерода.

Химические свойства углерода

Углерод может вступать в реакцию со многими простыми и сложными веществами (схема 9).

Далее приводятся некоторые уравнения реакций с простыми веществами:

1) а) при неполном сгорании углерода:

б) при полном сгорании углерода в избытке кислорода:

2) углерод при освещении соединяется с хлором:

3)  с металлами образуются карбиды:

4)  с серой образуется сероуглерод:

Сероуглерод применяется для получения вискозного волокна и как растворитель;

5) с водородом образуется метан:

Метан – газообразное топливо (основа природного газа).

Углерод также взаимодействует со сложными веществами:

1)  с водой образуется водяной газ, который является ценным топливом. 
Именно поэтому уголь смачивают водой, когда топят печь.

2) Углерод с углекислым газом образует оксид углерода (II).

3) С оксидами железа (этот процесс происходит в доменной печи). Углерод выделяет железо в свободном состоянии:

Применение. Алмаз используют для резки стекла, изготовления наконечников буровых установок. Из ограненного алмаза делают  великолепные 

Графит применяют для изготовления электродов, а также грифелей карандашей. Кокс (С) получают при сухой перегонке (нагревание без доступа воздуха). Используется в производстве металлов как восстановитель. Адсорбционная способность активированного угля находит применение в медицине, а также в противогазах (рис. 69).

Фуллерены  –  это  наночастицы,  имеющие  очень ценные особенности.

Каждая  молекула  содержит  60  атомов  углерода, упорядоченных в виде пяти и шестиугольников и позволяет  изготавливать  кристаллы,  которые  применяются в электронике, в компьютерах.

Практическая работа №6 
Физические и химические свойства углерода

Цель: Знать условия образования диоксида и монооксида углерода при сжигании углерода. 

Ход работы 

Опыт 1. изучение древесного угля
1. В коническую колбу налейте водный раствор какой-нибудь краски.
2.  Всыпьте  в  раствор  0,3–0,5  г  мелко  истолченного  древесного  угля, взболтайте содержимое в течение 2–3 минут.
3. Отфильтруйте, наблюдайте исчезновение окраски.

Опыт 2. Восстановительные свойства угля.
1. Примерно одинаковые по массе порции оксида меди (II) и измельченного древесного угля перемешать на листе бумаги. 
2. Смесь пересыпьте в сухую пробирку, укрепите горизонтально в штативе.
3. Закройте пробирку пробкой с газоотводной трубкой, изогнутой под прямым углом.
4. Конец трубки опустите в раствор известковой воды.
5. Пробирку сильно нагрейте до прекращения выделения газа. 
6. Дайте пробирке остыть, отметьте цвет содержимого.

Вопросы и задания
1. Как изменился цвет раствора красителя? Дайте объяснения.
2. Напишите уравнения реакций опыта №2.
3. Каким химическим свойством обладает углерод?

Оксиды углерода

Какие оксиды углерода вы знаете? К каким оксидам они относятся? Какой из оксидов углерода (II, IV) тяжелее воздуха?

Углерод образует два оксида: угарный газ СО и углекислый газ  (диоксид углерода), которые соответствуют двух- и четырехвалентному состоянию атома углерода. 

Оксид углерода (II) – угарный газ СО.

Впервые он был получен французским химиком Жаком де Лассаном в 1776 году при нагревании оксида цинка с углем.

Нахождение  в  природе.  В  естественных  условиях,  на  поверхности Земли,  СО  образуется  при  неполном  анаэробном  разложении  органических соединений и при сгорании биомассы, например, при лесных и степных пожарах.

В атмосфере СО является продуктом ряда реакций с участием метана и других углеводородов. Основным антропогенным источником СО служат выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания.

Получение:   

Физические свойства. Оксид углерода (II) – бесцветный,  плохо  растворимый  в  воде  ядовитый  газ, чуть легче воздуха  Он называется угарным газом, потому что связывает ион железа в молекуле гемоглобина крови, вызывая тем самым удушье, его предельно  допустимая  концентрация  (ПДК)  =  2%. В выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания обнаружено CO (рис. 70). Признаки отравления угарным газом: кровь становится алой, головокружение, иногда потеря сознания. В первую очередь человека необходимо вывести на свежий воздух.

Химические свойства. Угарный газ СО – несолеобразующий оксид. При обычных условиях СО не взаимодействует с водой, щелочами или кислотами. При нагревании он восстанавливает металлы из их оксидов:

Оксид углерода (II) на воздухе горит голубоватым пламенем:

Оксид углерода (IV) – углекислый газ  Он бесцветный, без запаха, тяжелее воздуха (D (возд.) = 1,52).

Оксид углерода не поддерживает горения. Он используется при огнетушении. Выделяется при дыхании животных и человека. Из-за того  что углекислый  газ  тяжелее  воздуха,  он  накапливается  в подвалах, шахтах, колодцах. Углекислый газ легко переходит в жидкое (при давлении 50 атм.), а затем в твердое  состояние («сухой лед»). Углекислый газ, растворенный 
в воде, придает воде кислый привкус (рис. 71).

Графическая формула:  O = C = OКонцентрация  углекислого  газа  в  атмосфере  Земли 
составляет  0,039%.  При  большой  концентрации  оксида углерода (IV) люди и животные задыхаются. При его концентрации до 3% у человека наблюдается учащенное дыхание, более 10% – потеря сознания и даже смерть.

Повышение концентрации углекислого газа в атмосфере вызывает «парниковый эффект», что приводит к повышению температуры и таянию ледников. Концентрация углекислого газа в атмосфере растет из-за автомобильного транспорта, количество которого увеличивается из года в год.

Получение: 
1) при сгорании углерода:

2) при разложении карбонатов:

3) из карбонатов под действием сильных кислот (рис. 73):

Это лабораторный способ получения 
4) при разложении основных солей:

5) при горении органических веществ:

Химические  свойства.  – кислотный оксид, ему соответствует угольная кислота  которая существует только в растворе . Вступает в следующие реакции:

 1) с основными оксидами образует соли: 

2) с растворимыми основаниями образуются соль и вода:

Гидроксид кальция (известковая вода) является реагентом на углекислый газ (выделяется белый осадок). Помутнение известковой воды – качественная реакция на .

3) при избытке углекислого газа карбонат превращается в растворимую кислую соль: 

4) с водой образуется слабая, неустойчивая угольная кислота:  

Применение. Углекислый газ  применяется при тушении пожаров, в производстве прохладительных напитков, в холодильных установках и других областях.

 Угарный, углекислый газы; ПДК угарного газа, метан, физические и химические свойства оксидов углерода, качественная реакция на 

Практическая работа №7 
Получение углекислого газа и изучение его свойств

Цель: получить углекислый газ, доказать его наличие и изучить свойства.

Ход работы 

1. В пробирку с газоотводной трубкой положите кусочки мрамора и налейте раствор соляной кислоты, наблюдайте выделение газа (рис. 73). 

2.  Наполните  два  сухих  стакана  углекислым  газом. Каким способом его можно собирать? Наполненность проверьте горящей лучиной и затем закройте стеклянными пластинками. 

3. В сухой  стакан  бросьте кусочек  ваты, смоченной спиртом, и подожгите его горящей лучинкой. 

4. Затем возьмите стакан с углекислым газом и осторожно перелейте в стакан, где горит вата? Что происходит? 

5. В стакан, наполненный углекислым газом, поместите подожженную магниевую ленту, держа ее шипцами. Наблюдайте за горением магния.

6. Продукты реакции залейте разбавленным раствором соляной кислоты. Что остается на дне стакана?

Вопросы и задания 
1. Напишите все уравнения реакций, определите типы реакций. 
2. К каким оксидам относится углекислый газ? 
3. Можно ли собирать углекислый газ методом вытеснения воды? Ответ мотивируйте. 
4. Углекислый газ тяжелее или легче воздуха? На каких этапах работы вы это наблюдали?

ДЕЛЛЕМ ВЫВОДЫ

• 1.    Углерод встречается в четырех аллотропных видоизменениях (алмаз, графит, карбин). Фуллерен — это искусственная модификация углерода, не существующая в природе.
• 2.    В соединениях углерод проявляет валентность II, IV (СН4, СО, со2).
• 3.    СО — угарный (ядовитый) газ, несолеобразующий оксид. СО., -кислотный оксид.
• 4.    Углекислому газу соответствует угольная кислота Н„СО3. Она непрочная, разлагается. Соли этой кислоты называются карбонатами.
• 5.    Активированный уголь — хороший адсорбент.

Услуги по химии:

1. Заказать химию
2. Заказать контрольную работу по химии
3. Помощь по химии

Лекции по химии:

1. Основные понятия и законы химии
2. Атомно-молекулярное учение
3. Периодический закон Д. И. Менделеева
4. Химическая связь
5. Скорость химических реакций
6. Растворы
7. Окислительно-восстановительные реакции
8. Дисперсные системы
9. Атомно-молекулярная теория
10. Строение атома в химии
11. Простые вещества
12. Химические соединения
13. Электролитическая диссоциация
14. Химия и электрический ток
15. Чистые вещества и смеси
16. Изменения состояния вещества
17. Атомы. Молекулы. Вещества
18. Воздух
19. Химические реакции
20. Закономерности химических реакций
21. Периодическая таблица химических элементов
22. Относительная атомная масса химических элементов
23. Химические формулы
24. Движение электронов в атомах
25. Формулы веществ и уравнения химических реакций
26. Химическая активность металлов 
27. Количество вещества
28. Стехиометрические расчёты
29. Энергия в химических реакциях
30. Вода 
31. Необратимые реакции
32. Кинетика
33. Химическое равновесие
34. Разработка новых веществ и материалов
35. Зеленая химия
36. Термохимия
37. Правило фаз Гиббса
38. Диаграммы растворимости
39. Законы Рауля
40. Растворы электролитов
41. Гидролиз солей и нейтрализация
42. Растворимость электролитов
43. Электрохимические процессы
44. Электрохимия
45. Кинетика химических реакций
46. Катализ
47. Строение вещества в химии
48. Строение твердого тела и жидкости
49. Протекание химических реакций
50. Комплексные соединения

Лекции по неорганической химии:

1. Важнейшие классы неорганических соединений
2. Водород и галогены
3. Подгруппа кислорода
4. Подгруппа азота
5. Подгруппа углерода
6. Общие свойства металлов
7. Металлы главных подгрупп
8. Металлы побочных подгрупп
9. Свойства элементов первых трёх периодов периодической системы
10. Классификация неорганических веществ
11. Качественный анализ неорганических соединений
12. Металлы и сплавы
13. Металлы и неметаллы
14. Производство металлов
15. Переходные металлы
16. Элементы 1 (1А), 2 IIA и 13 IIIA групп и соединения
17. Элементы 17(VIIA), 16(VIA) 15(VA), 14(IVA) групп и их соединения
18. Важнейшие S -элементы и их соединения
19. Важнейшие d элементы и их соединения
20. Важнейшие р-элементы и их соединения
21. Производство неорганических соединений и сплавов
22. Главная подгруппа шестой группы
23. Главная подгруппа пятой группы
24. Главная подгруппа четвертой группы
25. Первая группа периодической системы
26. Вторая группа периодической системы
27. Третья группа периодической системы
28. Побочные подгруппы четвертой, пятой, шестой и седьмой групп
29. Восьмая группа периодической системы
30. Водород
31. Кислород
32. Озон
33. Водород
34. Галогены
35. Естественные семейства химических элементов и их свойства
36. Химические элементы и соединения в организме человека
37. Геологические химические соединения

Лекции по органической химии:

1. Органическая химия
2. Углеводороды
3. Кислородсодержащие органические соединения
4. Азотсодержащие органические соединения
5. Теория А. М. Бутлерова
6. Соединения ароматического ряда
7. Циклические соединения
8. Карбонильные соединения
9. Амины и аминокислоты
10. Химия живого вещества
11. Синтетические полимеры
12. Органический синтез
13. Элементы 14(IVA) группы
14. Азот и сера
15. Растворы кислот и оснований

УГЛЕРОД, С (а. carbon; н. Kohlenstoff; ф. carbone; и. carbono), — химический элемент IV группы периодической системы Менделеева, атомный номер 6, атомная масса 12,041. Природный углерод состоит из смеси 2 стабильных изотопов: ¹²С (98,892%) и ¹³С (1,108%). Известно также 6 радиоактивных изотопов углерода, из которых наиболее важным является изотоп ¹⁴С с периодом полураспада 5,73•10³ лет (этот изотоп в небольших количествах постоянно образуется в верхних слоях атмосферы в результате облучения ядер ¹⁴N нейтронами космического излучения).

Углерод известен с глубокой древности. Древесный уголь использовался для восстановления металлов из руд, а алмаз — как драгоценный камень. Признание углерода в качестве химического элемента связано с именем французского химика А. Лавуазье (1789).

Модификации и свойства углерода

Известны 4 кристаллические модификации углерода: графит, алмаз, карбин и лонсдейлит, сильно различающиеся по своим свойствам. Карбин — искусственно полученная разновидность углерода, представляющая собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета, кристаллическая структура которого характеризуется наличием длинных цепочек атомов углерода, расположенных параллельно друг другу. Плотность 3230-3300 кг/м³, теплоёмкость 11,52 Дж/моль•К. Лонсдейлит обнаружен в метеоритах и получен искусственно; его структура и физические свойства окончательно не установлены. Для углерода характерно также состояние с неупорядоченной структурой — т.н. аморфный углерод (сажа, кокс, древесный уголь). Физические свойства «аморфного» углерода в сильной степени зависят от дисперсности частиц и от наличия примесей.

Химические свойства углерода

В соединениях углерод имеет степени окисления +4 (наиболее распространённая), +2 и +3. При обычных условиях углерод химически инертен, при высоких температурах соединяется со многими элементами, проявляя сильные восстановительные свойства. Химическая активность углерода убывает в ряду «аморфный» углерод, графит, алмаз; взаимодействие с кислородом воздуха у этих разновидностей углерода происходит соответственно при температурах 300-500°С, 600-700°С и 850-1000°С с образованием диоксида (CO₂) и монооксида (CO) углерода. Диоксид растворяется в воде с образованием угольной кислоты. Все формы углерода устойчивы к щелочам и кислотам. С галогенами углерод практически не взаимодействует (кроме графита, который с F₂ выше 900°С реагирует), поэтому его галогениды получают косвенным путём. Среди азотсодержащих соединений важное практическое значение имеют цианистый водород HCN (синильная кислота) и его многочисленные производные. При температурах выше 1000°С углерод взаимодействует со многими металлами, образуя карбиды. Все формы углерода нерастворимы в обычных неорганических и органических растворителях.

Важнейшее свойство углерода — способность его атомов образовывать прочные химические связи между собой, а также между собой и другими элементами. Способность углерода образовывать 4 равнозначные валентные связи с другими атомами углерода позволяет строить углеродные скелеты разных типов (линейные, разветвлённые, циклические); именно этими свойствами и объясняется исключительная роль углерода в строении всех органических соединений и, в частности, всех живых организмов.

Углерод в природе

Среднее содержание углерода в земной коре 2,3•10 % (по массе); при этом основная масса углерода концентрируется в осадочных горных породах (1%), тогда как в других горных породах существенно более низкие и примерно одинаковые (1-3•10%) концентрации этого элемента. Углерод накапливается в верхней части земной коры, где его присутствие связано в основном с живым веществом (18%), древесиной (50%), каменным углём (80%), нефтью (85%), антрацитом (96%), а также с доломитами и известняками. Известно свыше 100 минералов углерода, из которых наиболее распространены карбонаты кальция, магния и железа (кальцит CaCO₃, доломит (Ca, Mg)CO₃ и сидерит FeCO₃). С накоплением углерода в земной коре часто связано и накопление других элементов, сорбируемых органическим веществом и осаждающихся после его захоронения на дне водоёмов в виде нерастворимых соединений. Большие количества диоксида CO₂ выделяются в атмосферу из недр Земли при вулканической деятельности и при сжигании органических топлив. Из атмосферы CO₂ усваивается растениями в процессе фотосинтеза и растворяется в морской воде, слагая тем самым важнейшие звенья общего круговорота углерода на Земле. Важную роль играет углерод и в космосе; на Солнце углерод занимает 4-е место по распространённости после водорода, гелия и кислорода, участвуя в ядерных процессах.

Применение и использование

Важнейшее народно-хозяйственное значение углерода определяется тем, что около 90% всех первичных источников энергии, потребляемой человеком, приходится на органическое топливо. Наблюдается тенденция использовать нефть и газ не как топливо, а как сырьё для разнообразных химических производств. Меньшую, но тем не менее весьма существенную роль в народном хозяйстве играет углерод, добываемый в виде карбонатов (металлургия, строительство, химические производства), алмазов (ювелирные украшения, техника) и графита (ядерная техника, жаропрочные тигли, карандаши, некоторые виды смазок и т.д.). По удельной активности изотопа ¹⁴С в остатках биогенного происхождения определяют их возраст (радиоуглеродный метод датирования). ¹⁴С широко используется в качестве радиоактивного индикатора. Важное значение имеет наиболее распространённый изотоп ¹²С — одна двенадцатая часть массы атома этого изотопа принята за единицу атомной массы химических элементов.