05. Углерод

На уроке будет рассматриваться тема «Углерод». При изучении этой темы вы узнаете электронное строение атома углерода и характерные степени окисления, аллотропные модификации углерода и их свойства, угольную кислоту и её соли – карбонаты.

Углерод в своих соединениях проявляет валентность II и IV. Двухвалентный углерод находится в своей основной электронной конфигурации, а IV-валентный находится в возбуждённой конфигурации. При переходе в возбуждённое состояние электрон с орбитали занимает вакантное место на орбитали. При образовании химической связи происходит гибридизация электронных облаков. Углерод может проявлять степени окисления от до . К неорганическим соединениям углерода относятся его оксиды, угольная кислота,  её соли – карбонаты и гидрокарбонаты и карбиды.

В неорганических соединениях углерод проявляет степень окисления , , и несколько отрицательных степеней окисления в карбидах. Одной из особенностей атомов углерода является его способность образовывать цепочки неограниченной длины. Из-за этого и существует огромное число органических соединений.

Аллотропия углерода

Для углерода простого вещества характерная аллотропия. Вопрос об аллотропии углерода очень спорный, потому что открываются все новые и новые аллотропные модификации углерода. Уголь и сажа аллотропной модификацией углерода сейчас уже не считаются, так как они не имеют чёткой молекулярной структуры. Подробно рассмотрим графит и алмаз (рис. 2-5). Эти вещества отличаются друг от друга не только по внешнему виду, но и по своим свойствам. Причиной отличия алмаза от графита является различие в кристаллических решётках этих веществ.

В кристалле алмаза каждый атом углерода находится в -гибридизации и образует равноценные «сигма» связи с атомами углерода. Эти связи направлены к вершинам тетраэдра. Симметричность и прочность связи в кристалле алмаза обуславливает его  исключительную прочность и отсутствие электронной проводимости.

В кристалле графита каждый атом углерода находится в гибридизации и образует равноценные связи с соседними атомами углерода в одной плоскости под углом В этой плоскости образуется слой, состоящий из шестичленных колец. Кроме того каждый атом углерода имеет один неспаренный электрон, находящийся на не гибридизованной орбитали, перпендикулярной плоскости слоя. Эти электроны образуют общую систему связей. Связь между слоями осуществляется за счёт относительно слабых межмолекулярных сил. И эти связи между слоями гораздо менее прочны, чем связи между атомами внутри слоя. Это обуславливает способность графита легко расслаиваться, его мягкость, металлический блеск, электропроводность и большую по сравнению с алмазом химическую активность.

Можно осуществлять переходы между различными аллотропными модификациями углерода. Графит при температуре около и огромном давлении до тыс. атм. под действием никелевого катализатора может частично переходить в алмаз. Такие алмазы пригодны только для технических целей, так как они очень мелкие и содержат большое количество примесей и дефектов.

Реакционно-способными модификациями углерода являются уголь и сажа. Для углерода характерна окислительно-восстановительная двойственность.

Углерод – восстановитель

При нагревании углерод реагирует с концентрированными серной и азотной кислотами.

Углерод – окислитель

(карбид кремния или карборунд)

Образование карбидов

При высокой температуре уголь взаимодействует с металлами, образуя карбиды.

(ацетиленид)

(метанид)

Оксид углерода (II)

Это вещество молекулярного строения. Связь ковалентная полярная – тройная. Две общие электронные пары образованы по обменному механизму, а третья – по донорно-акцепторному. Молекулы СО содержат активную неподелённую электронную пару (рис. 6). Она может выступать как донор этой электронной пары. Поэтому оксид углерода (II) может активно взаимодействовать с металлами.

 карбонил железа.

Карбонилы металлов – это комплексные неорганические соединения. Например, при нагревании карбонилы легко разлагаются, и таким образом можно получать высокочистые металлы. Они интересны и своими химическими свойствами.

При обычных условиях оксид углерода (II) – это газ, без цвета и запаха, плохо растворим в воде. Угарный газ очень ядовит. Размер молекулы СО близок размером к молекуле кислорода, поэтому он может взаимодействовать с гемоглобином, давая карбоксигемоглобин. И такой комплекс уже не может переносить кислород, и значит, нарушается транспорт кислорода в крови.

Оксид углерода (II) – это несолеобразующий оксид. При обычных условиях он не взаимодействует ни с кислотами, ни с основаниями. Но при нагревании и под давлением может реагировать со щёлочью.

(формиат калия)

Угарный газ обладает ярко выраженными восстановительными свойствами. Восстановительные свойства выражены даже сильнее, чем у водорода. При нагревании он способен восстанавливать металлы из их оксидов. На этом основана выплавка чугуна из железных руд в домнах.

Получение в лаборатории

Углекислый газ и угольная кислота

Углекислый газ – это вещество молекулярного строения. При обычных условиях – это газ без цвета и запаха, значительно тяжелее воздуха, плохо растворим в воде. При твердый углекислый газ сублимируется. На этом основано его использование в качестве удобного хладагента. Его называют «сухой лёд».

Химические свойства оксида углерода (IV)

Углекислый газ – это кислотный оксид. Но только небольшая его часть, менее , взаимодействует с водой с образованием угольной кислоты.

Оксид углерода (IV) взаимодействует со щелочами с образованием карбонатов или гидрокарбонатов.

Взаимодействует с основными оксидами с образованием солей.

Для нехарактерны окислительные свойства. Один из немногих случаев, когда он проявляет окислительные свойства, – когда горящий магний продолжает гореть в углекислом газе

Качественная реакция на углекислый газ – это помутнение известковой воды, вследствие образования нерастворимых карбонатов.

, но при пропускании избытка углекислого газа, карбонат переходит в растворимый гидрокарбонат, и осадок исчезает.

Получение в лаборатории

На мел или мрамор действуют сильными кислотами.

Соли угольной кислоты – карбонаты и гидрокарбонаты

Соли угольной кислоты – карбонаты и гидрокарбонаты – вещества ионного строения, белого цвета, если ион металла не окрашен. Растворимые карбонаты подвергаются в водных растворах гидролизу по аниону с образованием щелочной среды.

В быту при приготовлении теста часто проводится реакция гашения соды:

Карбонаты разлагаются при нагревании

Различные карбонаты встречаются в природе и имеют тривиальные названия (см. рис. 7). Многие карбонаты имеют важное практическое значение.

Применение солей угольной кислоты

Кальцинированную соду применяют при производстве стекла, мыла, моющих средств, красителей, для обработки руд при получении некоторых металлов.

Питьевая сода широко используется в пищевой промышленности, медицине, быту. Питьевая сода входит в состав препаратов для огнетушителей.

Поташ применяют в производстве стекла, мыла, в фотографии.

Карбонат кальция является основным компонентом природных материалов: известняка, мела и мрамора. Эти вещества используются в строительстве. Известняк вносят в почву для снижения её кислотности и улучшения структуры.

Итоги урока

На уроке была рассмотрена тема «Углерод». При изучении этой темы вы узнали электронное строение атома углерода и характерные степени окисления, аллотропные модификации углерода и их свойства, угольную кислоту и её соли – карбонаты.

Список литературы

1. Рудзитис Г. Е. Химия. Основы общей химии. 11 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фельдман. – 14-е изд. – М.: Просвещение, 2012.

2. Попель П. П. Химия: 8 кл.: учебник для общеобразовательных учебных заведений / П. П. Попель, Л. С. Кривля. – К.: ИЦ «Академия», 2008. – 240 с.: ил.

3. Габриелян О. С. Химия. 11 класс. Базовый уровень. 2-е изд., стер. – М.: Дрофа, 2007. – 220 с.

Полезные ссылки

1. Интернет-портал «chemport.ru».

Проверь себя

1. № 1 а, б, в (с. 143) Рудзитис Г. Е. Химия. Основы общей химии. 11 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фельдман. – 14-е изд. – М.: Просвещение, 2012.

2. Назовите области применения угольной кислоты и её солей.

3. Сравните свойства аллотропных модификаций углерода.