C в химии металл или неметалл

Обновлено: 01.07.2024

Углерод — химический элемент № \(6\). Он расположен в IVА группе втором периоде Периодической системы.

На внешнем слое атома углерода содержатся четыре валентных электрона, и до его завершения не хватает четырёх электронов. Поэтому в соединениях с металлами углероду характерна степень окисления \(–4\), а при взаимодействии с более электроотрицательными неметаллами он проявляет положительные степени окисления: \( +2\) или \(+4\).

В природе углерод встречается как в виде простых веществ, так и в виде соединений. В воздухе содержится углекислый газ . В земной коре распространены карбонаты (например, Ca CO 3 образует мел, мрамор, известняк). Горючие ископаемые (уголь, торф, нефть, природный газ) состоят из органических соединений , главным элементом которых является углерод.

Углерод относится к жизненно важным элементам, так как входит в состав молекул всех органических веществ.

Существует несколько аллотропных видоизменений, образованных атомами углерода. Наиболее распространены алмаз и графит .

Алмаз имеет атомную кристаллическую решётку. Каждый атом углерода в алмазе связан четырьмя прочными ковалентными связями с соседними атомами, расположенными в вершинах тетраэдра.

Благодаря такому строению алмаз — самое твёрдое из известных природных веществ. Все четыре валентных электрона каждого атома углерода участвуют в образовании связей, поэтому алмаз не проводит электрический ток. Это бесцветное прозрачное кристаллическое вещество, хорошо преломляющее свет.

Графит тоже имеет атомную кристаллическую решётку, но устроена она иначе. Решётка графита слоистая. Каждый атом углерода соединён прочными ковалентными связями с тремя соседними атомами. Образуются плоские слои из шестиугольников, которые между собой связаны слабо. Один валентный электрон у атома углерода остаётся свободным.

Графит представляет собой тёмно-серое вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь. В отличие от алмаза графит непрозрачный, проводит электрический ток и оставляет серый след на бумаге. У графита очень высокая температура плавления (\(3700\) °С).

Алмаз и графит взаимопревращаемы. При сильном нагревании без доступа воздуха алмаз чернеет и превращается в графит. Графит можно превратить в алмаз при высокой температуре и большом давлении.

Из мельчайших частиц графита состоят сажа , древесный уголь и кокс . Сажа образуется при неполном сгорании топлива. Древесный уголь получают при нагревании древесины без доступа воздуха, а кокс — переработкой каменного угля.

Древесный уголь имеет пористое строение и обладает способностью поглощать газы и растворённые вещества. Такое свойство называется адсорбцией .

Аллотропные модификации углерода в химических реакциях могут проявлять и окислительные , и восстановительные свойства. Окислительные свойства углерода выражены слабее, чем у других неметаллов второго периода (азота, кислорода и фтора).

Углерод горит в кислороде с образованием углекислого газа и проявляет в этой реакции восстановительные свойства:

Химия углерода

В этой статье мы дадим характеристику углерода с точки зрения химии: узнаем, металл это или неметалл, какими свойствами он обладает, с какими веществами реагирует и где находят применение различные модификации углерода.

О чем эта статья:

Углерод — это химический элемент, неметалл, расположенный в таблице Д. И. Менделеева в главной подгруппе IV группы, во 2-м периоде, имеет порядковый номер 6.

Агрегатное состояние углерода при нормальных условиях — твердое вещество с атомной кристаллической решеткой. Молекула углерода одноатомна. Химическая формула углерода — С.

Строение углерода

В нейтральном атоме углерода находится шесть электронов. Два из них расположены вблизи ядра и образуют первый слой (1s-состояние). Следующие четыре электрона образуют второй электронный слой. Два из четырех электронов находятся в 2s-состоянии, а два других — в 2р-состоянии. Нейтральный атом углерода в основном состоянии двухвалентен и имеет электронно-графическую конфигурацию 1s 2 2s 2 2р 2 .

Несмотря на наличие двух неспаренных электронов на внешнем уровне, в большинстве химических соединений углерод четырехвалентен. Возможность образовывать четыре связи углерод получает при переходе одного электрона из состояния 2s в 2р — происходит «распаривание», т. е. переход атома углерода из нейтрального состояния в возбужденное. Этому возбужденному состоянию атома углерода соответствует электронная конфигурация 1s 2 2s 1 2p 3 .

Возможные валентности: II, IV.

Аллотропия углерода

Углерод существует во множестве аллотропных модификаций с очень разнообразными физическими свойствами. Разнообразие модификаций обусловлено способностью углерода образовывать химические связи разного типа.

Выделяют два вида углерода в зависимости от образования модификаций:

Кристаллический углерод входит в состав твердых веществ (алмаз, графит, графен, фуллерен, карбин).

Аморфный углерод образует мягкие вещества (уголь, кокс, сажа).

Рассмотрим подробнее основные аллотропные модификации углерода, их физические свойства и применение.

Алмаз

Алмаз — трехмерный полимер, бесцветное кристаллическое вещество, самый твердый природный минерал, имеет высокую теплопроводность. Его используют в промышленности для обработки различных твердых материалов, для бурения горных пород. Несмотря на то что алмаз твердый, в то же время он хрупкий. Получающийся при измельчении алмаза порошок применяют для шлифовки драгоценных камней. Хорошо отшлифованные прозрачные алмазы называют бриллиантами.

В кристаллической решетке атомы углерода связаны ковалентной связью. Расстояние между всеми атомами одинаковое, поэтому связи прочные по всем направлениям.

Одно из уникальных свойств алмазов — способность преломлять свет (люминесценция). При действии излучения алмазы начинают светиться разными цветами. Такая игра света, хороший показатель преломления и прозрачность делают этот драгоценный камень одним из самых дорогих. При этом необработанный алмаз не обладает такими качествами.

В промышленных масштабах алмазы получают при высоком давлении (тысячи МПа) и высоких температурах (1 500–3 000 °С). Процесс протекает в присутствии катализатора (например, Ni).

При нагревании алмаза до 1 000 °С и высоком давлении без доступа воздуха получают графит. При температуре 1 750 °С переход из алмаза в графит протекает существенно быстрее. При прокаливании в кислороде алмаз сгорает, образуя диоксид углерода.

Графит

Графит — темно-серое мягкое кристаллическое вещество со слабым металлическим блеском. Хорошо электро- и теплопроводен, стоек при нагревании в вакууме. Имеет слоистую структуру. На поверхности оставляет черные черты. На ощупь графит жирный и скользкий.

Графит термодинамически устойчив, поэтому в расчетах термодинамических величин он принимается в качестве стандартного состояния углерода.

На воздухе графит не загорается даже при сильном накаливании, но легко сгорает в чистом кислороде с образованием диоксида углерода.

При температуре 3 000 °С в электрических печах получают искусственный графит из лучших сортов каменного угля.

Графен

Графен представляет собой монослой графита. Впервые графен был получен ручным механическим отщеплением в лабораторных условиях, что не предполагает широкого производства.

В более крупных масштабах графен получают при помощи нагревания кремниевых пластин, верхний слой которых состоит из карбида кремния. Под действием высоких температур происходит отщепление атомов углерода, которые остаются на пластинке в виде графена, а кремний испаряется. Графен представляет собой тонкое и прочное вещество с высокой электропроводностью. В настоящее время он широко используется в микроэлектронике и автомобилестроении.

Карбин

Карбин — твердое черное вещество. Состоит из линейных полимерных цепей, которые соединены чередующимися одинарными и тройными связями в линейные цепочки: −С≡С−С≡С−С≡С−.

Впервые карбин был открыт в 60-х годах, но его существование не признавали до тех пор, пока его не обнаружили в природе — в метеоритном веществе.

Карбин — полупроводник, под действием света его проводимость сильно увеличивается. Переход в графит возможен при нагревании до 2 300 °С.

Карбин применяют в медицине для изготовления искусственных кровеносных сосудов.

Уголь

Уголь — мельчайшие кристаллики графита, полученные путем термического разложения углеродсодержащих соединений без доступа воздуха.

Угли имеют разные свойства в зависимости от веществ, из которых получены. Наиболее важные сорта угля — кокс, древесный уголь, сажа.

Кокс получается при нагревании каменного угля без доступа воздуха. Применяется в металлургии при выплавке металлов из руд.

Древесный уголь образуется при нагревании дерева без доступа воздуха. Благодаря пористому строению он обладает высокой адсорбционной способностью.

Сажа — очень мелкий графитовый кристаллический порошок. Образуется при сжигании углеводородов (природного газа, ацетилена, скипидара и др.) с ограниченным доступом воздуха.

Активные угли — пористые промышленные адсорбенты, получаемые из твердого топлива, дерева и продуктов его переработки. Применяются для поглощения паров летучих жидкостей из воздуха.

Сравнение основных аллотропных модификаций углерода

Нахождение углерода в природе

Согласно справочнику Дж. Эмсли «Элементы», углерод занимает 11-е место по распространенности в природе. Содержание углерода составляет 0,1% массы земной коры. Свободный углерод представлен в виде алмаза и графита.

Основная масса углерода существует в виде природных карбонатов кальция CaCO₃ (мела, мрамора, известняка) и магния MgCO₃, а также горючих ископаемых.

Простые и сложные вещества

Из этой статьи вы узнаете, какие вещества называются простыми, а какие сложными, в чем их различия и особенности строения.

Прежде чем переходить к понятиям простых и сложных веществ и к их строению, давайте вспомним, что такое химический элемент.

Химический элемент — это группа атомов с одинаковым зарядом ядра, который обусловливает его (элемента) химические свойства.

В зависимости от того, как соединяются друг с другом химические элементы, выделяют два типа веществ: простые и сложные.

Что такое простые вещества

Простые вещества — это вещества, образованные атомами только одного типа химического элемента. Например: H₂, Na, P, Al.

Простые вещества делятся на два типа: металлы и неметаллы.

Металлы

Имеют общие между собой физические свойства. Обладают металлическим блеском, высокой тепло- и электропроводностью, твердые (за исключением ртути), пластичные и ковкие.

К простым веществам — металлам относятся: Na, Ca, Fe и т. д.

Почти все металлы имеют немолекулярное строение, т. е. состоят из атомов или ионов.

Неметаллы

Среди неметаллов выделить общие физические свойства практически невозможно. Они могут находиться в разных агрегатных состояниях, обладать различным цветом и т. д.

К простым веществам — неметаллам относятся: P, C, F₂ и т. д.

Большинство неметаллов имеют молекулярное строение, т. е. состоят из молекул. При этом молекулы могут быть:

одноатомные: He, Si, Ar и другие;

двухатомные: F₂, O₂, H₂, N₂, Cl₂, Br₂, I₂. Эти простые вещества всегда пишутся с индексом 2, их необходимо запомнить;

трехатомные — например, молекула озона O₃;

и другие многоатомные.

Некоторые неметаллы имеют немолекулярное (атомное) строение: красный фосфор, кремний, алмаз и графит.

Металлы и неметаллы сильно отличаются друг от друга физическими и химическими свойствами.

При этом запоминать, к какому типу относится то или иное вещество, не нужно, достаточно посмотреть в таблицу Менделеева:

Проведите диагональ от 5-го до 85-го номера химических элементов.

Все химические элементы, находящиеся ниже и левее проведенной диагонали, образуют простые вещества — металлы (кроме водорода).

Выше диагонали химические элементы, находящиеся в главных подгруппах, образуют простые вещества — неметаллы, а в побочных — металлы.

Например, фосфор (порядковый номер — 15) расположен в таблице Менделеева выше диагонали и в главной подгруппе V группы. Значит, простое вещество фосфор — неметалл.

В большинстве случаев названия химического элемента и простого вещества совпадают. Поэтому необходимо научиться различать характеристики простого вещества и химического элемента.

Характеристика химического элемента

Характеристика простого вещества

Расположение в периодической системе (атомный номер, номер группы или периода)

Относительная атомная масса

Строение атома (число электронов, протонов или нейтронов, количество заполненных энергетических уровней)

Распространенность в природе

Содержание в соединении (например, в растительных белках или аминокислотах)

Значения электроотрицательности, сродства к электрону, энергии ионизации

Как правило, когда мы характеризуем простое вещество, то говорим о его физических или химических свойствах:

Влияние на живой организм

Температуры кипения и плавления

Взаимодействие с другими веществами

Содержание в каких-либо смесях веществ (например, газов)

Аллотропия

Аллотропия — это возможность образования химическим элементом нескольких простых веществ, которые отличаются друг от друга строением и свойствами.

Образующиеся простые вещества называют аллотропными модификациями.

Аллотропия характерна для следующих химических элементов:

углерод (алмаз, графит, графен, углеродные нанотрубки, фуллерен и другие);

фосфор (красный, белый и черный);

кислород (кислород и озон);

кремний (аморфный и кристаллический);

Рассмотрим две аллотропные модификации углерода:

The image 1 is a derivative of "Crystal" by manfredxy on Envato Elements.

The image 2 is a derivative of "Rough Graphite rock" by vvoennyy on Envato Elements.

Алмаз — бесцветное прозрачное вещество. Является одним из самых твердых веществ. Не проводит электрический ток.

Графит представляет собой вещество серо-черного цвета, обладает металлическим блеском. Имеет высокую тепло- и электропроводность.

Что такое сложные вещества

Сложные вещества — это вещества, образованные атомами нескольких химических элементов.

Например, молекула HNO₃ состоит из одного атома водорода, одного атома азота и трех атомов кислорода.

К сложным веществам в химии относятся две большие группы веществ: неорганические и органические.

Неорганические вещества

Неорганические вещества делятся на 4 вида:

Оксиды — вещества, молекулы которых состоят из двух химических элементов, один из которых — кислород в степени окисления −2.

Основания — вещества, молекулы которых состоят из катиона металла и гидроксильной группы (—OH).

Кислоты — вещества, молекулы которых состоят из катиона водорода (H+), способного замещаться атомом металла, и кислотного остатка.

Соли — вещества, состоящие из катиона металла и кислотного остатка.

Кратко о классификации веществ можно узнать из схемы:

Номенклатура неорганических веществ

Названия простых веществ чаще всего совпадают с названием химического элемента, а для сложных веществ существует два вида номенклатуры: тривиальная и систематическая.

В тривиальной номенклатуре вещества названы в соответствии с их особенностями, например специфическим запахом или окраской.

В систематической номенклатуре название зависит от вида неорганического вещества.

Оксиды

Примеры названий оксидов:

Fe₂O₃ — оксид железа (III). Читается: феррум два о три;

Na₂O — оксид натрия. Читается: натрий два о.

Основания

Примеры названий гидроксидов:

Fe(OH)₃ — гидроксид железа (III). Читается: феррум о аш трижды;

NaOH — гидроксид натрия. Читается: натрий о аш.

Соли

Примеры названий солей:

KNO₃ — нитрат калия. Читается: калий эн о три;

AlCl₃ — хлорид алюминия. Читается: алюминий хлор три.

Кислоты

Названия кислот, кислотных остатков и их формулы необходимо выучить, они приведены в таблице ниже.

Химические свойства металлов

Свойства металлов начинают изучать на уроках химии в 8–9 классе. В этом материале мы подробно разберем химические свойства этой группы элементов, а в конце статьи вы найдете удобную таблицу-шпаргалку для запоминания.

8 класс, 9 класс, ЕГЭ/ОГЭ

Металлы — это химические элементы, атомы которых способны отдавать электроны с внешнего энергетического уровня, превращаясь в положительные ионы (катионы) и проявляя восстановительные свойства.

В окислительно-восстановительных реакциях металлы способны только отдавать электроны, являясь сильными восстановителями. В роли окислителей выступают простые вещества — неметаллы (кислород, фосфор) и сложные вещества (кислоты, соли и т. д.).

Металлы в природе встречаются в виде простых веществ и соединений. Активность металла в химических реакциях определяют, используя электрохимический ряд, который предложил русский ученый Н. Н. Бекетов. По химической активности выделяют три группы металлов.

Ряд активности металлов

Металлы средней активности

Общие химические свойства металлов

Взаимодействие с неметаллами

Щелочные металлы сравнительно легко реагируют с кислородом, но каждый металл проявляет свою индивидуальность:

оксид образует только литий

натрий образует пероксид

калий, рубидий и цезий — надпероксид

Остальные металлы с кислородом образуют оксиды:

2Zn + O₂ = 2ZnO (при нагревании)

Металлы, которые в ряду активности расположены левее водорода, при контакте с кислородом воздуха образуют ржавчину. Например, так делает железо:

С галогенами металлы образуют галогениды:

Медный порошок реагирует с хлором и бромом (в эфире):

При взаимодействии с водородом образуются гидриды:

Взаимодействие с серой приводит к образованию сульфидов (реакции протекают при нагревании):

Реакции с фосфором протекают до образования фосфидов (при нагревании):

Основной продукт взаимодействия металла с углеродом — карбид (реакции протекают при нагревании).

Из щелочноземельных металлов с углеродом карбиды образуют литий и натрий:

Калий, рубидий и цезий карбиды не образуют, могут образовывать соединения включения с графитом:

С азотом из металлов IA группы легко реагирует только литий. Реакция протекает при комнатной температуре с образованием нитрида лития:

Взаимодействие с водой

Все металлы I A и IIA группы реагируют с водой, в результате образуются растворимые основания и выделяется H2. Литий реагирует спокойно, держась на поверхности воды, натрий часто воспламеняется, а калий, рубидий и цезий реагируют со взрывом:

Металлы средней активности реагируют с водой только при условии, что металл нагрет до высоких температур. Результат данной реакции — образование оксида.

Неактивные металлы с водой не взаимодействуют.

Взаимодействие с кислотами

Если металл расположен в ряду активности левее водорода, то происходит вытеснение водорода из разбавленных кислот. Данное правило работает в том случае, если в реакции с кислотой образуется растворимая соль.

2Na + 2HCl = 2NaCl + H₂

При взаимодействии с кислотами-окислителями, например, азотной, образуется продукт восстановления кислоты, хотя протекание реакции также неоднозначно.

Металлы IА группы:

Металлы IIА группы

Такие металлы, как железо, хром, никель, кобальт на холоде не взаимодействуют с серной кислотой, но при нагревании реакция возможна.

Взаимодействие с солями

Металлы способны вытеснять из растворов солей другие металлы, стоящие в ряду напряжений правее, и могут быть вытеснены металлами, расположенными левее:

Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu

На металлы IА и IIА группы это правило не распространяется, так как они реагируют с водой.

Реакция между металлом и солью менее активного металла возможна в том случае, если соли — как вступающие в реакцию, так и образующиеся в результате — растворимы в воде.

Взаимодействие с аммиаком

Щелочные металлы реагируют с аммиаком с образованием амида натрия:

Взаимодействие с органическими веществами

Металлы IА группы реагируют со спиртами и фенолами, которые проявляют в данном случае кислотные свойства:

Также они могут вступать в реакции с галогеналканами, галогенпроизводными аренов и другими органическими веществами.

Взаимодействие металлов с оксидами

Для металлов при высокой температуре характерно восстановление неметаллов или менее активных металлов из их оксидов.

3Са + Cr₂O₃ = 3СаО + 2Cr (кальциетермия)

Вопросы для самоконтроля

С чем реагируют неактивные металлы?

С чем связаны восстановительные свойства металлов?

Верно ли утверждение, что щелочные и щелочноземельные металлы легко реагируют с водой, образуя щелочи?

Методом электронного баланса расставьте коэффициенты в уравнении реакции по схеме:

Mg + HNO3 → Mg(NO3)2 + NH4NO3 + Н2O

Как металлы реагируют с кислотами?

Подведем итоги

От активности металлов зависит их химические свойства. Простые вещества — металлы в окислительно-восстановительных реакциях являются восстановителями. По положению металла в электрохимическом ряду можно судить о том, насколько активно он способен вступать в химические реакции (т. е. насколько сильно у металла проявляются восстановительные свойства).

Напоследок поделимся таблицей, которая поможет запомнить, с чем реагируют металлы, и подготовиться к контрольной работе по химии.

Таблица «Химические свойства металлов»

Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Ni, Sn, Pb

Cu, Hg, Ag, Pt, Au

Восстановительная способность металлов в свободном состоянии

Возрастает справа налево

Взаимодействие металлов с кислородом

Быстро окисляются при обычной температуре

Медленно окисляются при обычной температуре или при нагревании

Взаимодействие с водой

Выделяется водород и образуется гидроксид

При нагревании выделяется водород и образуются оксиды

Водород из воды не вытесняют

Взаимодействие с кислотами

Вытесняют водород из разбавленных кислот (кроме HNO₃)

Не вытесняют водород из разбавленных кислот

Реагируют с концентрированными азотной и серной кислотами

С кислотами не реагируют, растворяются в царской водке

Взаимодействие с солями

Не могут вытеснять металлы из солей

Более активные металлы (кроме щелочных и щелочноземельных) вытесняют менее активные из их солей

Взаимодействие с оксидами

Для металлов (при высокой температуре) характерно восстановление неметаллов или менее активных металлов из их оксидов

1. Общая характеристика элементов неметаллов

Из \(118\) известных на данный момент химических элементов \(96\) являются металлическими, и только \(22\) химических элемента относятся к неметаллическим.

Кислород и кремний составляют около \(76\) % (практически три четверти) от массы земной коры (\(O\) — \(49,4\) % , \(Si\) — \(25,8\) % ).

Такие химические элементы, как углерод \(C\), водород \(H\), кислород \(O\), азот \(N\), фосфор \(P\) и сера \(S\), составляют \(98,5\) % от массы растений и \(97,6\) % от массы тела человека.

В состав земной атмосферы входят как простые, так и сложные вещества, образованные элементами-неметаллами.

В объёмных долях на азот N 2 приходится \(78\) % , на кислород O 2 — \(21\) % , а инертные газы составляют \(0,96\) % от объёма воздуха. В состав земной атмосферы также постоянно входит углекислый газ CO 2 , доля которого (по разным оценкам) составляет около \(0,04\) % от состава чистого воздуха.

Следует иметь в виду, что в воздухе постоянно содержится водяной пар H 2 O и другие соединения неметаллов, доля которых не является постоянной.

Главный химический элемент Вселенной — это водород. Из него образованы Солнце и другие звёзды, газовые облака и т. д. И на нашей планете из каждых \(100\) атомов \(17\) — это атомы водорода.

В Периодической системе химических элементов неметаллы занимают правый верхний угол и находятся только в главных (А) группах.

В электронной оболочке атомов неметаллов на внешнем энергетическом уровне, как правило, содержится от \(4\) до \(8\) электронов. Исключение составляют только водород \(H\), у которого в электронной оболочке атома вообще только один электрон, гелий \(He\) с двумя электронами и бор \(B\), у которого на наружном энергетическом уровне имеются три электрона.

Радиусы атомов неметаллов меньше, чем у металлов того же периода, поэтому в силу близости положительно заряженного ядра атома неметаллы хорошо удерживают свои валентные электроны (электроны внешнего энергетического уровня).

Радиусы атомов неметаллов существенно меньше, чем радиусы атомов металлов, находящихся в том же периоде.

Главное отличительное свойство неметаллов — это их высокая электроотрицательность , т. е. способность в химических соединениях притягивать электроны.

Рис. \(6\). Величины относительных электроотрицательностей (ОЭО) некоторых химических элементов (по Л. Полингу)

ОЭО неметаллических химических элементов (выделены красным цветом) превосходит соответствующую величину металлических химических элементов

Атомы неметаллов способны как принимать, так и отдавать электроны, а значит, химические вещества, содержащие такие атомы, в ходе превращений могут выступать как в роли окислителей, так и в роли восстановителей.

Читайте также: