Соединения углерода с отрицательной степенью окисления. (см.выше п.1)
Углерод и Кремний
План.
1. Углерод как химический элемент.
2. Простые вещества. Аллотропия углерода. Адсорбция.
3. Соединения углерода с отрицательной степенью окисления.
4. Оксиды углерода.
5. Угольная кислота и ее соли.
6. Жесткость воды.
7. Кругооборот углерода в природе.
8. Кремний как химический элемент.
9. Простые вещества. Аллотропия кремния.
10. Соединения кремния с отрицательной степенью окисления.
11. Оксид кремния.
12. Кремниевая кислота и ее соли.
13. Силикаты в природе. Силикатная промышленность.
1. Углерод как химический элемент.
Положение в ПС: №6, 2 период, 4 группа, главная подгруппа, Аr = 12. Состав атома: 6p, 6e-, 6n. Заряд ядра +6, два электронных слоя:2e-,4е-. Электронная формула 1s2 2s2 2p2.
Радиус атома углерода маленький, на внешнем слое 4 электрона, слой не завершен, заполнен только на половину => не очень высокая ЭО, но углерод относят к неметаллам. Два e- неспаренные => возможна валентность (II), но она проявляется только в оксиде углерода (П) - СО. Наличие свободной р-орбитали делает возможным переход S-электрона на нее и появление четырех неспаренных e-, и тогда возможна валентность (IV). Эта валентность более характерна для углерода и проявляется практически во всех его соединениях. У атома углерода возможна отрицательная с.о. (-4), она проявляется в соединениях с металлами – карбидах и в соединениях с водородом. Но это формально. Потому что степень окисления углерода в карбидах и в водородных соединениях нельзя рассчитать по обычным правилам. Карбиды в школьной программе не изучаются, а с водородными соединениями мы познакомимся подробней в курсе органической химии. Вам пока надо знать только простейшее ЛВС углерода – метан СН4. Положительные с.о. (+2, +4) углерод проявляет в соединениях с кислородом, азотом, серой и галогенами (кроме иода). Причем, +2 проявляется крайне редко.
Распространение в природе: углерод составляет 0,1% по массе на Земле (он не входит даже в первую десятку!). Встречается углерод и в свободном состоянии (в виде простого вещества), и в виде множества неорганических и органических соединений. По численности и разнообразию своих соединений углерод занимает в природе первое место. Это объясняется способностью его атомов образовывать между собой длинные цепи, прочностью и лабильностью этих связей, и способностью углерода легко терять и присоединять электроны. Соединения углерода с водородом и их производные мы будем изучать позже, в органической химии, а сейчас познакомимся с простыми веществами образованными этим элементом, оксидами, кислотой и солями, образованными элементом углеродом.
2. Простые вещества. Для углерода характерна аллотропия. Три основные модификации: алмаз, графит и аморфный углерод.
Алмаз: кристаллическая решетка – атомная, все четыре связи одинаковы и направлены к вершинам тетраэдра. Самое твердое вещество в природе, прозрачные бесцветные кристаллы, хрупкое, с высоким коэффициентом преломления света, плотность 3,5 г/см3, диэлектрик, не растворим. При нагревании до 1000-1500оС (без доступа воздуха) алмаз превращается в графит. Применяют алмазы в технике (для резки, бурения, шлифовки металлов, камня, стекла и т.д.), в ювелирном деле используют (около 10% от общей добычи). Графит: кристаллическая решетка – атомная, но связи не одинаковые, три из них находятся в одной плоскости и направлены к вершинам правильного треугольника. В результате получается решетка напоминающая пчелиные соты. Четвертая связь углерода не локализована. Поэтому графит имеет металлический блеск и хорошо проводит электрический ток и тепло. Он мягок, плотность 2,1-2,5 г/см3, структура слоистая, нерастворим в воде. Самая устойчивая при н.у. аллотропическая модификация. Графит можно превратить в алмаз при температуре около 3000оС и давлении порядка 100 000 атм. (1955г, США, Швеция). Применяют графит для изготовления электродов (аккумуляторы, гальвано-технологии и т.д.), как смазочный материал (при очень низких и очень высоких температурах), замедлитель нейтронов в АЭС, для рисования. В природе встречается достаточно часто, но этого технике не хватает. Графит получают из каменного угля при нагревании до 3000оС без доступа воздуха.
Карбин: кристаллическая решетка построена из линейных цепочек. Полупроводник. Черный порошок, плотность 1,9 г/см3. Встречается в природе очень редко. При нагревании до 2800оС (без доступа воздуха) карбин превращается в графит.
Фуллере́н (бакибо́л ) — молекулярное соединение, принадлежащее классу аллотропных форм углерода и представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода. После получения в лабораторных условиях такие молекулы углерода были найдены в некоторых образцах шунгитов Северной Карелии, в фульгуритах США и Индии, в метеоритах и донных отложениях. Но только в очень небольших количествах.
При термическом разложении органических веществ получается «черный графит» или «аморфный углерод». Это вещество состоит из мельчайших кристаллов графита. Оно встречается в виде сажи или угля (древесного, каменного, животного, активированного) …Свойства угля зависят очень сильно от источника и способа получения. Древесный уголь, кокс используют в металлургии как восстановитель. Сажу используют как пигмент для красок и наполнитель для полимеров (резина). В медицине и технике широко используют активированный уголь. Так называют древесный уголь, поверхность которого обработана перегретым водяным паром. После такой обработки появляются на поверхности микропоры и площадь поверхности угля резко увеличивается. Активированный уголь обладает высокой адсорбционной способностью, что позволяет его использовать как хороший адсорбент в различных производствах, в т.ч. и в медицине.
Химические свойства всех аллотропических модификаций одинаковы, но у них разная активность. Легче всего в реакции вступает аморфный углерод. Углерод - неметалл, он может быть и окислителем, и восстановителем.
Как окислитель углерод взаимодействует с металлами и водородом:
С +Н2 → СН4 (метан), при повышенной температуре и давлении, в присутствии катализатора.
С +Са → СаС2 (карбид кальция), при повышенной температуре
Как восстановитель углерод при нагревании взаимодействует с кислородом и другими активными неметаллами, с оксидами. Восстановительные свойства для него более характерны, чем окислительные. Например:
1) С + О2 → СО или С + О2 → СО2
2) С + CuО → СО + Cu или С + CuО → СО2 + Cu
3) С + Fe2O3→ СО2 + Fe или С + Fe2O3→ СО+ Fe
4) С + H2O→ СО + H2
Последнюю реакцию в промышленности обычно прерывают на первой стадии, потому что образовавшаяся смесь газов СО и H2 широко используется для синтеза органических соединений.
Получение углерода: В природе распространен каменный уголь (антрацит и др. виды), графит, остальные (алмаз, фуллере́н) - встречаются крайне редко. Поэтому углерод получают в промышленности при термическом разложении органических веществ без доступа воздуха (в виде сажи, древесного угля, кокса).
Применение (см.выше п.2).
Оксиды углерода.
СО – оксид углерода (II), угарный газ. С=О – структурная формула. Газ без цвета и запаха, чуть легче воздуха, температура кипения -192 0С, очень ядовит. Плохо растворяется в воде и не взаимодействует с ней.
Несолеобразующий оксид. Обладает восстановительными свойствами.
1) горит синим пламенем, выделяя много тепла:
СО + О2 →СО2
2) восстанавливает металлы из их оксидов:
СО + CuО → СО2 + Cu
СО +Fe2O3 → СО2 + Fe
Получение: при температуре 500-8000С и недостатке кислорода.
С + СО2 → СО (в газогенераторах и доменных печах, подземная газификация угля).
Применение:
1) как топливо;
2) как восстановитель в металлургии;
3) как сырье для органического синтеза.
СО2 - оксид углерода (IV), углекислый газ. О=С=О – структурная формула. Газ без цвета и запаха, при 200С и 60 атм давления он превращается в жидкость. Если эту жидкость вылить быстро из сосуда, то она превратится в твердую снегообразную массу - «сухой лед». Твердый оксид углерода (IV) возгоняется (т.е. не плавясь переходит сразу в газообразное состояние) при -78,5 0С. Углекислый газ содержится в воздухе (около 0,04%), растворим в воде (при 180С 1:1), при понижении температуры и повышении давления растворимость увеличивается.
Раствор углекислого газа в воде имеет кисловатый вкус, изменяет окраску индикатора, потому что происходит химическое взаимодействие:
СО2↑ + H2O ↔ H2СО3, причем равновесие этой реакции сильно сдвинуто в сторону образования углекислого газа. Образующаяся кислота называется угольной. Т.е. углекислый газ – это кислотный оксид.
Он взаимодействует с основными оксидами и основаниями:
СО2↑+Na2O → Na2CO3
СО2↑+2Са(OH)2 → СаCO3↓ + H2O – эту реакцию используют как качественную, для определения углекислого газа. Здесь Са(OH)2 – насыщенный раствор гидроксида кальция, «известковая вода», при пропускании через нее углекислого газа появляется белый осадок.
СО2↑+2NaOH → Na2CO3 + H2O
или в избытке углекислого газа СО2↑+NaOH + H2O → NaHCO3
При высоких температурах СО2 проявляет окислительные свойства, например, магний горит в углекислом газе: Mg + CO2↑→ MgO + C
Получение:
1) в промышленности при обжиге известняка СаСО3→ СаО + СО2↑
2) в лаборатории – действуя соляной кислотой на мрамор или мел
СаСО3 + HCl → СаCl2 + H2O + СО2↑
Применение.
1) производство карбонатов (сода, поташ и т.д.);
2) очистка сахара и других пищевых продуктов;
3) газирование воды;
4) тушение пожаров;
5) в переносных холодильниках (сухой лед).
Угольная кислота и ее соли.
H2СО3 - может существовать только в разбавленных растворах, т.е. равновесие смещено к оксиду и воде.
СО2↑ + H2O ↔ H2СО3+ QПри нагревании равновесие еще больше смещается в сторону углекислого газа и, в конце концов, вся кислота разлагается, углекислый газ улетучивается и остается только вода.
Поэтому принято говорить: угольная кислота нестойкая. Равновесие можно сместить в сторону образования кислоты создав повышенное давление углекислого газа (при повышении давления растворимость газов увеличивается!).
Кроме того, угольная кислота очень слабая, т.е. она в незначительной степени диссоциирует по первой ступени (К=10-7), а по второй еще меньше (К=10-11).
H2СО3↔ Н+ + НСО3-(гидрокарбонат-ион)
НСО3- ↔2Н+ + СО32- (карбонат-ион)
Угольная кислота образует два ряда солей: карбонаты (СаСО3 ,Na2CO3 ) и гидрокарбонаты (NaHCO3 , Са(НСО3)2). Между ними существует равновесие:
СаСО3 + СО2↑ + H2O ↔ Са(НСО3)2+ Q
Na2CO3 + СО2↑ + H2O ↔ 2NaHCO3 + Q
Т.е. в избытке кислоты (углекислого газа) средние соли превращаются в кислые, равновесие смещается к гидрокарбонатам. Чтобы сдвинуть равновесие к карбонатам – достаточно немного нагреть раствор. Этот процесс тем более важен, что все карбонаты (кроме солей щелочных металлов и аммония) – нерастворимы, а гидрокарбонаты – растворимы. Этот процесс играет очень важную роль в природе (процессы разрушения горных пород) и не менее важен для человека. На этом равновесии основана работа главной буферной системы организма – бикарбонатной.
Для определения присутствия карбонатов и гидрокарбонатов в растворе или в сухой смеси чаще всего пользуются какой-нибудь сильной кислотой. При этом наблюдается «вспенивание» - выделение пузырьков углекислого газа.
СаСО3 + HCl → СаCl2 + H2O + СО2↑
NaHCO3 + HNO3→ NaNO3 + H2O + СО2↑
Потому что 2Н+ + СО32-→ H2СО3 → СО2↑ + H2O
Все карбонаты, кроме солей щелочных металлов, разлагаются при нагревании: СаСО3→ СаО + СО2↑
Применение.
1) NaHCO3 – питьевая сода, в пищевой промышленности – разрыхлитель теста, пищевая добавка, моющее средство; в медицине – средство против изжоги;
2) Na2CO3 – кальцинированная сода, для производства СМС, мыла, стекла, бумаги в текстильной нефтехимической промышленности и т.д.; кристаллогидрат Na2CO3∙ 10H2O называют просто - содой.
3) К2CO3 – поташ, изготовление жидкого мыла, стекла, в фотографии;
4) СаСО3 – известняк (строительный материал (ракушка, инкерманский камень, бут) и сырье для получения цемента, негашеной и гашеной извести), мел (строительный материал), мрамор (строительный и поделочный материал);
5) MgСО3 – магнезит (для получения цемента), FeСО3 – шпатовый железняк (железная руда), ZnСО3- галмей (цинковая руда).
Жесткость воды.
Жесткость воды обусловлена присутствием в ней растворимых солей Са и Mg. Иногда ее называют общей жесткостью. Общая жесткость состоит из карбонатной (временной) жесткости и некарбонатной (постоянной) жесткости. Карбонатная жесткость обусловлена присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния, некарбонатная – всех остальных растворимых солей кальция и магния.
Смягчение воды (удаление из нее карбонатов и гидрокарбонатов кальция и магния) можно достигнуть простым кипячением:
Са(НСО3)2 → СаСО3↓ + СО2↑ + H2O
или добавлением гашеной извести:
Са(НСО3)2 + Ca(OH)2 → СаСО3↓ + H2O.
Существуют и более эффективные способы смягчения воды. Добавление соды, фосфатов переводит в осадок не только гидрокарбонаты, но и другие соли кальция и магния, полностью очищая от них воду. Например:
Са(НСО3)2 + Na2CO3→ СаСО3↓ + NaHCO3
CaCl2 + Na2CO3→ СаСО3↓ + 2NaCl
Са(НСО3)2 + Na3PO4→ Са3(PO4)2↓ + NaHCO3
CaCl2 +Na3PO4→ Са3(PO4)2↓ + 2NaCl
Удалять из воды ионы кальция и магния необходимо, чтобы не образовывалось накипи в трубах и котлах водонагревательных приборов и тепловых двигателей (из-за этого увеличивается расход топлива и возникает угроза аварии), чтобы повысить моющее действие стиральных порошков и мыла (часть моющего средства идет в жесткой воде на образование малорастворимых соединений Са и Mg). Экологические проблемы, связанные с повышением содержания углекислого газа в атмосфере.Парниковый эффект. Повышение среднегодовой температуры. Таяние ледников. Повышение уровня мирового океана
Применение.
1. Монокристаллы кремния с соответствующими добавками служат для изготовления фотоэлементов (солнечные батареи и прочее…), диодов и триодов (выпрямители и усилители в электрических устройствах).
2. В металлургии кремний используют для «раскисления» сталей и придания им повышенной коррозионной стойкости.
9. Соединения кремния с отрицательной степенью окисления.Силициды (соединения кремния с активными металлами) используются для получения жаростойких и кислотоупорных сплавов, высокотемпературных полупроводниковых материалов.
10. Гораздо чаще и в природе, и на производстве мы имеем дело с кислородными соединениями кремния в которых он имеет устойчивую положительную степень окисления.
SiО2- оксид кремния, кремнезем.Атомная кристаллическая решетка. Температура плавления около 17230С. В природе существует в виде крупных прозрачных кристаллов – горный хрусталь. Горный хрусталь, окрашенный примесями в лиловый цвет, называют аметистом, в бурый – дымчатым топазом.
Более мелкие кристаллы оксида кремния встречаются чаще, их называют кварцем, а очень мелкие кристаллы – кварцевым пескомСпрессованный при высоком давлении в недрах земли этот песок называюткварцевой галькой. Иногда она окрашена примесями в розовато-желтые тона.
Особой разновидностью оксида кремния является кремень, минеральное образование, состоящее из кристаллического и аморфного кремнезёма (SiO2) в осадочных горных породах. Часто окрашен окислами железа и марганца в разные цвета. Это непрозрачная, очень твердая горная порода, дающая острые сколы. Древние люди использовали ее для получения огня и изготовления орудий труда.
Кристаллы кварца имеют высокий коэффициент преломления света, пропускают ультрафиолетовые лучи, поэтому их используют в оптических приборах. Из них часто изготавливают ювелирные изделия, имитирующие (довольно успешно) бриллианты. А еще монокристаллы кварца обладают пьезоэлектрическим эффектом (т.е. эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (и наоборот)). Этот эффект используют в акустических приборах, пьезозажигалках и стиральных машинках…
Структура оксида кремния лежит и в основе полудрагоценных камней (агат, яшма), но структурные единицы в них расположены неупорядоченно, это аморфные или поликристаллические соединения. При охлаждении расплава оксида кремния образуется кварцевое стекло, в котором тетраэдрические элементы кремния тоже расположены неупорядоченно. Кварцевое стекло, в отличии от обычного, пропускает ультрафиолетовые лучи. Этот эффект мы используем в так называемых «кварцевых лампах». Кроме того, кварцевое стекло имеет очень маленький коэффициент расширения при нагревании. Т.е. стакан из такого стекла можно раскалить до красна и бросить в воду… Из этого стекла изготавливают химическую посуду. Мелкодисперсный аморфный кремнезем в природе образуется из остатков диатомовых водорослей и называется трепел. В промышленности такой кремнезем получают в виде мелких белых хлопьев и называют силикагелем. А прессованный в гранулы – гидрогелем. Используют его как адсорбент в медицине и не только в ней.
Оксид кремния химически инертен, в воде не растворяется. Но при сплавлении он взаимодействует со щелочами, т.е. оксид кремния является кислотным оксидом.
SiО2+2NaOH → Na2SiO3 + H2O
При высоких температурах кремний со степенью окисления +4 окисляет активные металлы, т.е. может проявлять окислительные свойства, но слабо:
Mg + SiО2 →MgО + Si
Особым химическим свойством оксида кремния является его способность растворяться в плавиковой кислоте. Этот процесс используют для травления стекла.
SiО2+ HF→SiF4 +H2O
Применение:
1). песок - в строительстве;
2). песок - в производстве стекла;
3). песок - в производстве керамики (фарфор, фаянс, кирпич);
4). песок - в производстве цемента;
5). монокристаллы - в радиотехнике и радиоэлектроника (выпрямители и усилители, звукозаписывающая и звуковоспроизводящая аппаратура), приборостроении (ультразвуковые приборы: коллоидные мельницы, стиральные машины, УЗИ и т.д.);
6). кварцевое стекло - оптические и химические приборы
7). в аморфном виде – как осушители и адсорбенты.
Силикаты в природе.
Нерастворимые силикаты широко распространены в природе в виде горных пород: полевые шпаты, глины, слюда, асбест, гранит, базальт, сланцы… Состав силикатов не соответствует формальной формуле, поэтому их обычно записывают несколько иначе, чем обычные соли. Например: не Na2SiO3 – а Na2О∙ SiО2, не СаSiO3 – а СаО∙SiО2. Тем более что природные силикаты – это обычно смесь кристаллогидратов нескольких силикатов, например калия и алюминия.
Состав наиболее распространенных природных силикатов:
белая глина (каолин) – Al2O3∙2SiО2∙2H2O
полевой шпат – К2О∙ Al2O3∙6SiО2
нефелин – Na2O∙ Al2O3∙2SiО2
слюда - К2О∙ 3Al2O3∙6SiО2∙2H2O
асбест - СаО∙3MgО∙4 SiО2
Роль кремния в организме и применение его соединений в медицине.Содержание кремния в организме – 10-3 %. Один из важнейших микроэлементов. Кремний влияет на образование и функционирование эпителиальных и соединительных тканей, придавая им прочность и пластичность, он препятствует проникновение липидов в плазму крови и отложению их на стенках сосудов; с нарушением обмена кремния связывают возникновение гипертонии, атеросклероза, ревматизма, язвы, малокровия и т. д. Оксид кремния (силикагель) используется как хороший адсорбент. Тальк используют как присыпку, он входит в состав многих косметических препаратов.
13.Применение.
1) глина – при изготовлении фарфора, фаянса, керамики; как строительный вяжущий материал;
2) гранит – как строительный материал;
3) слюда и асбест – электро- и теплоизоляционные материалы;
4) алюмосиликаты – для смягчения и очистки воды;
5) в химических процессах – как адсорбенты и носители катализаторов.
Силикатная промышленность
Углерод и Кремний
План.
1. Углерод как химический элемент.
2. Простые вещества. Аллотропия углерода. Адсорбция.
3. Соединения углерода с отрицательной степенью окисления.
4. Оксиды углерода.
5. Угольная кислота и ее соли.
6. Жесткость воды.
7. Кругооборот углерода в природе.
8. Кремний как химический элемент.
9. Простые вещества. Аллотропия кремния.
10. Соединения кремния с отрицательной степенью окисления.
11. Оксид кремния.
12. Кремниевая кислота и ее соли.
13. Силикаты в природе. Силикатная промышленность.
1. Углерод как химический элемент.
Положение в ПС: №6, 2 период, 4 группа, главная подгруппа, Аr = 12. Состав атома: 6p, 6e-, 6n. Заряд ядра +6, два электронных слоя:2e-,4е-. Электронная формула 1s2 2s2 2p2.
Радиус атома углерода маленький, на внешнем слое 4 электрона, слой не завершен, заполнен только на половину => не очень высокая ЭО, но углерод относят к неметаллам. Два e- неспаренные => возможна валентность (II), но она проявляется только в оксиде углерода (П) - СО. Наличие свободной р-орбитали делает возможным переход S-электрона на нее и появление четырех неспаренных e-, и тогда возможна валентность (IV). Эта валентность более характерна для углерода и проявляется практически во всех его соединениях. У атома углерода возможна отрицательная с.о. (-4), она проявляется в соединениях с металлами – карбидах и в соединениях с водородом. Но это формально. Потому что степень окисления углерода в карбидах и в водородных соединениях нельзя рассчитать по обычным правилам. Карбиды в школьной программе не изучаются, а с водородными соединениями мы познакомимся подробней в курсе органической химии. Вам пока надо знать только простейшее ЛВС углерода – метан СН4. Положительные с.о. (+2, +4) углерод проявляет в соединениях с кислородом, азотом, серой и галогенами (кроме иода). Причем, +2 проявляется крайне редко.
Распространение в природе: углерод составляет 0,1% по массе на Земле (он не входит даже в первую десятку!). Встречается углерод и в свободном состоянии (в виде простого вещества), и в виде множества неорганических и органических соединений. По численности и разнообразию своих соединений углерод занимает в природе первое место. Это объясняется способностью его атомов образовывать между собой длинные цепи, прочностью и лабильностью этих связей, и способностью углерода легко терять и присоединять электроны. Соединения углерода с водородом и их производные мы будем изучать позже, в органической химии, а сейчас познакомимся с простыми веществами образованными этим элементом, оксидами, кислотой и солями, образованными элементом углеродом.
2. Простые вещества. Для углерода характерна аллотропия. Три основные модификации: алмаз, графит и аморфный углерод.
Алмаз: кристаллическая решетка – атомная, все четыре связи одинаковы и направлены к вершинам тетраэдра. Самое твердое вещество в природе, прозрачные бесцветные кристаллы, хрупкое, с высоким коэффициентом преломления света, плотность 3,5 г/см3, диэлектрик, не растворим. При нагревании до 1000-1500оС (без доступа воздуха) алмаз превращается в графит. Применяют алмазы в технике (для резки, бурения, шлифовки металлов, камня, стекла и т.д.), в ювелирном деле используют (около 10% от общей добычи). Графит: кристаллическая решетка – атомная, но связи не одинаковые, три из них находятся в одной плоскости и направлены к вершинам правильного треугольника. В результате получается решетка напоминающая пчелиные соты. Четвертая связь углерода не локализована. Поэтому графит имеет металлический блеск и хорошо проводит электрический ток и тепло. Он мягок, плотность 2,1-2,5 г/см3, структура слоистая, нерастворим в воде. Самая устойчивая при н.у. аллотропическая модификация. Графит можно превратить в алмаз при температуре около 3000оС и давлении порядка 100 000 атм. (1955г, США, Швеция). Применяют графит для изготовления электродов (аккумуляторы, гальвано-технологии и т.д.), как смазочный материал (при очень низких и очень высоких температурах), замедлитель нейтронов в АЭС, для рисования. В природе встречается достаточно часто, но этого технике не хватает. Графит получают из каменного угля при нагревании до 3000оС без доступа воздуха.
Карбин: кристаллическая решетка построена из линейных цепочек. Полупроводник. Черный порошок, плотность 1,9 г/см3. Встречается в природе очень редко. При нагревании до 2800оС (без доступа воздуха) карбин превращается в графит.
Фуллере́н (бакибо́л ) — молекулярное соединение, принадлежащее классу аллотропных форм углерода и представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода. После получения в лабораторных условиях такие молекулы углерода были найдены в некоторых образцах шунгитов Северной Карелии, в фульгуритах США и Индии, в метеоритах и донных отложениях. Но только в очень небольших количествах.
При термическом разложении органических веществ получается «черный графит» или «аморфный углерод». Это вещество состоит из мельчайших кристаллов графита. Оно встречается в виде сажи или угля (древесного, каменного, животного, активированного) …Свойства угля зависят очень сильно от источника и способа получения. Древесный уголь, кокс используют в металлургии как восстановитель. Сажу используют как пигмент для красок и наполнитель для полимеров (резина). В медицине и технике широко используют активированный уголь. Так называют древесный уголь, поверхность которого обработана перегретым водяным паром. После такой обработки появляются на поверхности микропоры и площадь поверхности угля резко увеличивается. Активированный уголь обладает высокой адсорбционной способностью, что позволяет его использовать как хороший адсорбент в различных производствах, в т.ч. и в медицине.
Химические свойства всех аллотропических модификаций одинаковы, но у них разная активность. Легче всего в реакции вступает аморфный углерод. Углерод - неметалл, он может быть и окислителем, и восстановителем.
Как окислитель углерод взаимодействует с металлами и водородом:
С +Н2 → СН4 (метан), при повышенной температуре и давлении, в присутствии катализатора.
С +Са → СаС2 (карбид кальция), при повышенной температуре
Как восстановитель углерод при нагревании взаимодействует с кислородом и другими активными неметаллами, с оксидами. Восстановительные свойства для него более характерны, чем окислительные. Например:
1) С + О2 → СО или С + О2 → СО2
2) С + CuО → СО + Cu или С + CuО → СО2 + Cu
3) С + Fe2O3→ СО2 + Fe или С + Fe2O3→ СО+ Fe
4) С + H2O→ СО + H2
Последнюю реакцию в промышленности обычно прерывают на первой стадии, потому что образовавшаяся смесь газов СО и H2 широко используется для синтеза органических соединений.
Получение углерода: В природе распространен каменный уголь (антрацит и др. виды), графит, остальные (алмаз, фуллере́н) - встречаются крайне редко. Поэтому углерод получают в промышленности при термическом разложении органических веществ без доступа воздуха (в виде сажи, древесного угля, кокса).
Применение (см.выше п.2).
Соединения углерода с отрицательной степенью окисления. (см.выше п.1)
Оксиды углерода.
СО – оксид углерода (II), угарный газ. С=О – структурная формула. Газ без цвета и запаха, чуть легче воздуха, температура кипения -192 0С, очень ядовит. Плохо растворяется в воде и не взаимодействует с ней.
Несолеобразующий оксид. Обладает восстановительными свойствами.
1) горит синим пламенем, выделяя много тепла:
СО + О2 →СО2
2) восстанавливает металлы из их оксидов:
СО + CuО → СО2 + Cu
СО +Fe2O3 → СО2 + Fe
Получение: при температуре 500-8000С и недостатке кислорода.
С + СО2 → СО (в газогенераторах и доменных печах, подземная газификация угля).
Применение:
1) как топливо;
2) как восстановитель в металлургии;
3) как сырье для органического синтеза.
СО2 - оксид углерода (IV), углекислый газ. О=С=О – структурная формула. Газ без цвета и запаха, при 200С и 60 атм давления он превращается в жидкость. Если эту жидкость вылить быстро из сосуда, то она превратится в твердую снегообразную массу - «сухой лед». Твердый оксид углерода (IV) возгоняется (т.е. не плавясь переходит сразу в газообразное состояние) при -78,5 0С. Углекислый газ содержится в воздухе (около 0,04%), растворим в воде (при 180С 1:1), при понижении температуры и повышении давления растворимость увеличивается.
Раствор углекислого газа в воде имеет кисловатый вкус, изменяет окраску индикатора, потому что происходит химическое взаимодействие:
СО2↑ + H2O ↔ H2СО3, причем равновесие этой реакции сильно сдвинуто в сторону образования углекислого газа. Образующаяся кислота называется угольной. Т.е. углекислый газ – это кислотный оксид.
Он взаимодействует с основными оксидами и основаниями:
СО2↑+Na2O → Na2CO3
СО2↑+2Са(OH)2 → СаCO3↓ + H2O – эту реакцию используют как качественную, для определения углекислого газа. Здесь Са(OH)2 – насыщенный раствор гидроксида кальция, «известковая вода», при пропускании через нее углекислого газа появляется белый осадок.
СО2↑+2NaOH → Na2CO3 + H2O
или в избытке углекислого газа СО2↑+NaOH + H2O → NaHCO3
При высоких температурах СО2 проявляет окислительные свойства, например, магний горит в углекислом газе: Mg + CO2↑→ MgO + C
Получение:
1) в промышленности при обжиге известняка СаСО3→ СаО + СО2↑
2) в лаборатории – действуя соляной кислотой на мрамор или мел
СаСО3 + HCl → СаCl2 + H2O + СО2↑
Применение.
1) производство карбонатов (сода, поташ и т.д.);
2) очистка сахара и других пищевых продуктов;
3) газирование воды;
4) тушение пожаров;
5) в переносных холодильниках (сухой лед).
Угольная кислота и ее соли.
H2СО3 - может существовать только в разбавленных растворах, т.е. равновесие смещено к оксиду и воде.
СО2↑ + H2O ↔ H2СО3+ QПри нагревании равновесие еще больше смещается в сторону углекислого газа и, в конце концов, вся кислота разлагается, углекислый газ улетучивается и остается только вода.
Поэтому принято говорить: угольная кислота нестойкая. Равновесие можно сместить в сторону образования кислоты создав повышенное давление углекислого газа (при повышении давления растворимость газов увеличивается!).
Кроме того, угольная кислота очень слабая, т.е. она в незначительной степени диссоциирует по первой ступени (К=10-7), а по второй еще меньше (К=10-11).
H2СО3↔ Н+ + НСО3-(гидрокарбонат-ион)
НСО3- ↔2Н+ + СО32- (карбонат-ион)
Угольная кислота образует два ряда солей: карбонаты (СаСО3 ,Na2CO3 ) и гидрокарбонаты (NaHCO3 , Са(НСО3)2). Между ними существует равновесие:
СаСО3 + СО2↑ + H2O ↔ Са(НСО3)2+ Q
Na2CO3 + СО2↑ + H2O ↔ 2NaHCO3 + Q
Т.е. в избытке кислоты (углекислого газа) средние соли превращаются в кислые, равновесие смещается к гидрокарбонатам. Чтобы сдвинуть равновесие к карбонатам – достаточно немного нагреть раствор. Этот процесс тем более важен, что все карбонаты (кроме солей щелочных металлов и аммония) – нерастворимы, а гидрокарбонаты – растворимы. Этот процесс играет очень важную роль в природе (процессы разрушения горных пород) и не менее важен для человека. На этом равновесии основана работа главной буферной системы организма – бикарбонатной.
Для определения присутствия карбонатов и гидрокарбонатов в растворе или в сухой смеси чаще всего пользуются какой-нибудь сильной кислотой. При этом наблюдается «вспенивание» - выделение пузырьков углекислого газа.
СаСО3 + HCl → СаCl2 + H2O + СО2↑
NaHCO3 + HNO3→ NaNO3 + H2O + СО2↑
Потому что 2Н+ + СО32-→ H2СО3 → СО2↑ + H2O
Все карбонаты, кроме солей щелочных металлов, разлагаются при нагревании: СаСО3→ СаО + СО2↑
Применение.
1) NaHCO3 – питьевая сода, в пищевой промышленности – разрыхлитель теста, пищевая добавка, моющее средство; в медицине – средство против изжоги;
2) Na2CO3 – кальцинированная сода, для производства СМС, мыла, стекла, бумаги в текстильной нефтехимической промышленности и т.д.; кристаллогидрат Na2CO3∙ 10H2O называют просто - содой.
3) К2CO3 – поташ, изготовление жидкого мыла, стекла, в фотографии;
4) СаСО3 – известняк (строительный материал (ракушка, инкерманский камень, бут) и сырье для получения цемента, негашеной и гашеной извести), мел (строительный материал), мрамор (ст