Углерод это металл или газ
Обновлено: 02.07.2024
(лат. Carboneum), химический элемент IV группы периодической системы. Основные кристаллические модификации — алмаз и графит. При обычных условиях углерод химически инертен; при высоких температурах соединяется со многими элементами (сильный восстановитель). Содержание углерода в земной коре 6,5·10 16 т. Значительное количество углерода (около 10 13 т) входит в состав горючих ископаемых (уголь, природный газ, нефть и др.), а также в состав углекислого газа атмосферы (6·10 11 т) и гидросферы (10 14 т). Главные углеродсодержащие минералы — карбонаты. Углерод обладает уникальной способностью образовывать огромное количество соединений, которые могут состоять практически из неограниченного числа атомов углерода. Многообразие соединений углерода определило возникновение одного из основных разделов химии — органической химии. Углерод — биогенный элемент; его соединения играют особую роль в жизнедеятельности растительных и животных организмов (среднее содержание углерода — 18%). Углерод широко распространён в космосе; на Солнце он занимает 4-е место после водорода, гелия и кислорода.УГЛЕРО́Д (лат. Carboneum, от cаrbo — уголь), С (читается «це»), химический элемент с атомным номером 6, атомная масса 12,011. Природный углерод состоит из двух стабильных нуклидов: 12 С, 98,892% по массе и 13 C — 1,108%. В природной смеси нуклидов в ничтожных количествах всегда присутствует радиоактивный нуклид 14 C (b - -излучатель, период полураспада 5730 лет). Он постоянно образуется в нижних слоях атмосферы при действии нейтронов космического излучения на изотоп азота 14 N:
14 7N + 1 0n = 14 6C + 1 1H.
Углерод расположен в группе IVA, во втором периоде периодической системы. Конфигурация внешнего электронного слоя атома в основном состоянии 2s 2 p 2 . Важнейшие степени окисления +2 +4, –4, валентности IV и II.
Радиус нейтрального атома углерода 0,077 нм. Радиус иона C 4+ 0,029 нм (координационное число 4), 0,030 нм (координационное число 6). Энергии последовательной ионизации нейтрального атома равны 11,260, 24,382, 47,883, 64,492 и 392,09 эВ. Электроотрицательность по Полингу (см. ПОЛИНГ Лайнус) 2,5.
Историческая справка
Углерод известен с глубокой древности. Древесный уголь использовали для восстановления металлов из руд, алмаз (см. АЛМАЗ (минерал)) — как драгоценный камень. В 1789 французский химик А. Л. Лавуазье (см. ЛАВУАЗЬЕ Антуан Лоран) сделал вывод об элементарной природе углерода.
Искусственные алмазы впервые были получены в 1953 шведскими исследователями, но результаты они не успели опубликовать. В декабре 1954 искусственные алмазы получили, а в начале 1955 опубликовали результаты сотрудники компании «Дженерал электрик». (см. ДЖЕНЕРАЛ ЭЛЕКТРИК)
В СССР искусственные алмазы впервые были получены в 1960 группой ученых под руководством В. Н. Бакуля и Л. Ф. Верещагина (см. ВЕРЕЩАГИН Леонид Федорович) .
В 1961 группой советских химиков под руководством В. В. Коршака была синтезирована линейная модификация углерода — карбин. Вскоре карбин был обнаружен в метеоритном кратере Рис (Германия). В 1969 в СССР были синтезированы нитевидные кристаллы алмаза при обычном давлении, обладающие высокой прочностью и практически лишенные дефектов.
В 1985 Г. Крото (см. КРОТО Гаролд) обнаружил новую форму углерода —фуллерены (см. ФУЛЛЕРЕНЫ) С60 и С70 в масс-спектре испаряемого при облучении лазером графита. При высоких давлениях получен лонсдейлит.
Нахождение в природе
Содержание в земной коре 0,48% по массе. Накапливается в биосфере: в живом веществе 18% угля, в древесине 50%, торфе 62%, природных горючих газах 75%, горючих сланцах 78%, каменном и буром угле 80%, нефти 85%, антраците 96%. Значительная часть угля литосферы сосредоточена в известняках и доломитах. Углерод в степени окисления +4 входит в состав карбонатных пород и минералов (мел, известняк, мрамор, доломиты). Углекислый газ CO2 (0,046% по массе) постоянный компонент атмосферного воздуха. Углекислый газ в растворенном виде всегда присутствует в воде рек, озер и морей.
В атмосфере звезд, планет и в метеоритах обнаружены вещества, содержащие углерод.
Получение
С древности уголь получали при неполном сгорании древесины. В 19 веке древесный уголь в металлургии заменили каменным углем (коксом).
В настоящее время для промышленного получения чистого углерода используют крекинг (см. КРЕКИНГ) природного газа метана (см. МЕТАН) СН4:
СН4 = С + 2Н2
Уголь для медицинских целей готовят сжиганием кожуры кокосовых орехов. Для лабораторных нужд чистый уголь, не содержащий несгораемых примесей, получают неполным сжиганием сахара.
Физические и химические свойства
Углерод — неметалл.
Многообразие соединений углерода объясняется способностью его атомов связываться между собой, образуя объемные структуры, слои, цепи, циклы. Известны четыре аллотропические модификации углерода: алмаз, графит, карбин и фуллерит. Древесный уголь состоит из мельчайших кристалликов с неупорядоченной структурой графита. Его плотность 1,8—2,1 г/см 3 . Сажа представляет собой сильно измельченный графит.
Алмаз — минерал с кубической гранецентрированной решеткой. Атомы С в алмазе находятся в sp 3 -гибридизованном состоянии. Каждый атом образует 4 ковалентные s-связи с четырьмя соседними атомами С, расположенными по вершинам тетраэдра, в центре которого находится атом С. Расстояния между атомами в тетраэдре 0,154 нм. Электронная проводимость отсутствует, ширина запрещенной зоны 5,7 эВ. Из всех простых веществ алмаз имеет максимальное число атомов, приходящихся на единицу объема. Его плотность 3,51 г/см 3. . Твердость по минералогической шкале Мооса (см. МООСА ШКАЛА) принята за 10. Алмаз можно поцарапать только другим алмазом; но он хрупок и при ударе раскалывается на куски неправильной формы. Термодинамически устойчив лишь при высоких давлениях. Однако, при 1800 °C превращение алмаза в графит происходит быстро. Обратное превращение графита в алмаз происходит при 2700°C и давлении 11—12 ГПа.
Графит — слоистое темно-серое вещество с гексагональной кристаллической решеткой. Термодинамически устойчив в широком интервале температур и давлений. Состоит из параллельных слоев, образованных правильными шестиугольниками из атомов С. Углеродные атомы каждого слоя расположены против центров шестиугольников, находящихся в соседних слоях; положение слоев повторяется через один, а каждый слой сдвинут относительно другого в горизонтальном направлении на 0,1418 нм. Внутри слоя связи между атомами ковалентные, образованы sp 2 -гибридными орбиталями. Связи между слоями осуществляются слабыми ван-дер-ваальсовыми (см. МЕЖМОЛЕКУЛЯРНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ) силами, поэтому графит легко расслаивается. Такое состояние стабилизирует четвертая делокализованная p-связь. Графит обладает хорошей электрической проводимостью. Плотность графита 2,1—2,5 кг/дм 3 .
Во всех аллотропических модификациях при обычных условиях углерод химически малоактивен. В химические реакции вступает только при нагревании. При этом химическая активность углерода убывает в ряду сажа—древесный уголь—графит—алмаз. Сажа на воздухе воспламеняется при нагревании до 300°C, алмаз — при 850—1000°C. При горении образуется углекислый газ СО2 и CO. Нагревая СО2 с углем, также получают оксид углерода (II) CО:
СО2+ С = 2СО
С + Н2О (перегретый пар) = СО +Н2
Синтезирован оксид углерода С2О3.
СО2 — кислотный оксид, ему отвечает слабая неустойчивая, существующая только в сильно разбавленных холодных водных растворах угольная кислота Н2СО3. Соли угольной кислоты — карбонаты (см. КАРБОНАТЫ) (К2СО3, СаСО3) и гидрокарбонаты (см. ГИДРОКАРБОНАТЫ) (NaHCO3, Са(НСО3)2).
С водородом (см. ВОДОРОД) графит и древесный уголь реагируют при температуре выше 1200°C, образуя смесь углеводородов. Реагируя со фтором при 900°C, образует смесь фторуглеродных соединений. Пропуская электрический разряд между угольными электродами в атмосфере азота, получают газ циан (CN)2; если в газовой смеси присутствует водород, образуется синильная кислота HCN. При очень высоких температурах графит реагирует с серой, (см. СЕРА) кремнием, бором, образуя карбиды — CS2, SiC, В4С.
Карбиды получают взаимодействием графита с металлами при высоких температурах: карбид натрия Na2C2, карбид кальция CaC2, карбид магния Mg2C3, карбид алюминия Al4C3. Эти карбиды легко разлагаются водой на гидроксид металла и соответствующий углеводород:
Al4C3 + 12Н2О = 4Al(ОН)3 + 3СН4
С переходными металлами углерод образует металлоподобные химически стойкие карбиды, например, карбид железа (цементит) Fe3C, карбид хрома Cr2C3, карбид вольфрама WС. Карбиды — кристаллические вещества, природа химической связи может быть различной.
При нагревании уголь восстанавливает многие металлы из их оксидов:
FeO + C = Fe + CO,
2CuO+ C = 2Cu+ CO2
При нагревании восстанавливает серу(VI) до серы(IV) из концентрированной серной кислотой:
2H2SO4+ C = CO2+ 2SO2+ 2H2O
При 3500°C и нормальном давлении углерод сублимирует.
Применение
Свыше 90% всех первичных источников потребляемой в мире энергии приходится на органическое топливо. 10% добываемого топлива используется в качестве сырья для основного органического и нефтехимического синтеза, для получения пластмасс.
Физиологическое действие
Углерод — важнейший биогенный элемент, является структурной единицей органических соединений, участвующих в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности (биополимеры, витамины, гормоны, медиаторы и другие). Содержание углерода в живых организмах в расчете на сухое вещество составляет 34,5—40% у водных растений и животных, 45,4—46,5% у наземных растений и животных и 54% у бактерий. В процессе жизнедеятельности организмов происходит окислительный распад органических соединений с выделением во внешнюю среду CO2. Углекислый газ (см. УГЛЕРОДА ДИОКСИД) , растворенный в биологических жидкостях и природных водах, участвует в поддержании оптимальной для жизнедеятельности кислотности среды. В составе CaCO3 углерод образует наружный скелет многих беспозвоночных, содержится в кораллах, яичной скорлупе.
При различных производственных процессах частицы угля, сажи, графита, алмаза попадают в атмосферу и находятся в ней в виде аэрозолей. ПДК для углеродной пыли в рабочих помещениях 4,0 мг/м 3 , для каменного угля 10 мг/м 3 .
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.
· Обновлено 12 июля 2022
Ждём вас 8 октября в 13:00. Вместе с педагогами, психологами и другими экспертами в образовании и воспитании ответим на главные вопросы мам и пап.
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.
Бесплатный курс для современных мам и пап от Екатерины Мурашовой. Запишитесь и участвуйте в розыгрыше 8 уроков
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.
Углерод элемент. Свойства углерода. Применение углерода
Его называют основой жизни. Он есть во всех органических соединениях. Только он способен формировать молекулы из миллионов атомов, такие, как ДНК.
Узнали героя статьи ? Это углерод. Число его соединений, известных науке, приближается к 10 000 000.
Столько не наберется у всех остальных, вместе взятых элементов. Не удивительно, что один из двух разделов химии изучает исключительно соединения углерода и проходится в старших классах.
Предлагаем вспомнить школьную программу, а так же, дополнить ее новыми фактами.
Что такое углерод
Во-первых, элемент углерод – составная таблицы Менделеева . В ее новом стандарте, вещество располагается в 14-ой группе.
В устаревшем варианте системы, углерод стоит в главной подгруппе 4-ой группы.
Обозначение элемента – буква С. Порядковый номер вещества – 6, относится к группе неметаллов.
Органический углерод соседствует в природе с минеральным. Так, графит , алмаз и камень фуллерен – 6-ой элемент в чистом виде.
Различия во внешности обусловлены несколькими типами строения кристаллической решетки. От нее зависят и полярные характеристики минерального углерода.
Графит, к примеру, мягок, не зря же добавляется в пишущие карандаши, а алмаз тверже всех остальных камней на Земле. Поэтому, логично рассмотреть свойства самого углерода, а не его модификаций.
Свойства углерода
Начнем со свойств, общих для всех неметаллов. Они электроотрицательны, то есть, оттягивают на себя общие электронные пары, образованные с другими элементами.
Получается, углерод может восстановить оксиды неметаллов до состояния металлов.
Однако, делает это 6-ой элемент лишь при нагреве. В обычных условиях вещество химически инертно.
На внешних электронных уровнях неметаллов больше электронов, чем у металлов.
Именно поэтому, атомы 6-го элемента стремятся достроить толику собственных орбиталей, чем отдавать свои частицы кому-то.
Металлам же, с минимумом электронов на внешних оболочках проще отдать отдаленные частицы, чем перетягивать на себя чужие.
Главная форма 6-го вещества – атом. По идее, речь должна идти о молекуле углерода. Из молекул составлено большинство неметаллов.
Однако, углерод с бором и кремнием – исключения, имеют атомную структуру. Именно за счет нее соединения элементов отличаются высокими температурами плавления.
Еще одно отличительное свойство многих форм углерода – твердость . У того же алмаза она максимальна, равна 10-ти баллам по шкале Мооса .
Раз разговор зашел о формах 6-го вещества, укажем, что кристаллическая – лишь одна из.
Атомы углерода не всегда выстраиваются в кристаллическую решетку. Встречается аморфная разновидность.
Примеры таковой: — древесный уголь , кокс, стеклоуглерод. Это твердые соединения, но не имеющие упорядоченной структуры.
Если же вещество соединено с другими, могут получиться и газы. Кристаллический углерод переходит в них при температуре в 3700 градусов.
В обычных условиях элемент газообразен, если это, к примеру, оксид углерода.
В народе его именуют угарным газом. Однако, реакция его образования активнее и быстрее, если, все же, поддать жару.
Газообразных соединений углерода с кислородом несколько. Есть еще, к примеру, монооксид.
Этот газ бесцветный и ядовитый, причем, при обычных условиях. Такая окись углерода имеет тройную связь в молекуле.
Но, вернемся к чистому элементу. Будучи довольно инертным в химическом плане, он, все же, может взаимодействовать не только с металлами, но и их оксидами, солями , и как видно из разговора про газы, с кислородом.
Реакция возможна и с водородом. Углерод вступит во взаимодействие, если «сыграет» один из факторов, или все вместе: температура, аллотропное состояние, дисперсность.
Под последней, подразумевается отношение площади поверхности частиц вещества к занимаемому ими объему.
Аллотропия – возможность нескольких форм одного и того же вещества, то есть, имеется в виду кристаллический, аморфный, или газообразный углерод.
Однако, как не совпадай факторы, с кислотами и щелочами элемент не реагирует вовсе. Игнорирует углерод и почти все галогены.
Чаще всего, 6-ое вещество связывается само с собой, образовывая те самые масштабные молекулы из сотен и миллионов атомов.
Сформированные молекулы, углерода реагируют с еще меньшим числом элементов и соединений.
Применение углерода
Применение элемента и его производных столь же обширно, как их число. Содержание углерода в жизни человека больше, чем может казаться.
Активированный уголь из аптеки – 6-е вещество. Бриллиант в кольце из ювелирного магазина – он же.
Графит в карандашах – тоже углерод, нужный, так же, в ядерных реакторах и контактах электрических машин.
Метановое топливо тоже в списке. Диоксид углерода нужен для производства соды и может быть сухим льдом, то есть, хладагентом.
Углекислый газ служит консервантом, заполняя овощные хранилища, а еще, нужен для получения карбонатов.
Последние, используют в строительстве, к примеру, известняк . А карбонат натрия пригождается в мыловарении и стекольном производстве.
Формула углерода соответствует еще и коксу. Он пригождается металлургам.
Кокс служит восстановителем во время переплавки руды, извлечения из нее металлов.
Даже обычная сажа – углерод, используемый в качестве удобрения и наполнителя резин .
Не задумывались, почему автомобильные шины черного цвета? Это сажа. Она придает резине прочность.
Сажа, так же, входит в крема для обуви, краски для печати, туши для ресниц. Народное название употребляется не всегда. Промышленники зовут сажу техническим углеродом.
Масса углерода начинает использоваться в сфере нанотехнологий. Сделаны сверхмалые транзисторы, а еще трубки, которые в 6-7 раз прочнее стали .
Вот вам и неметалл. К наноизысканиям, кстати, подключились ученые из Китая . Из углеродных трубок и графена они создали аэрогель.
Это твердый и прочный материал. Звучит увесисто. Но, на самом деле, аэрогель легче воздуха.
В железо углерод добавляют, чтобы получить так называемую углеродистую сталь. Она тверже обычной.
Однако, массовая доля 6-го элемента в сплаве не должна превышать пары, тройки процентов. Иначе, свойства стали идут на спад.
Список можно продолжать бесконечно. Но, где бесконечно брать углерод? Добывают его или синтезируют? На эти вопросы ответим в отдельной главе.
Добыча углерода
Двуокись углерода, метан, отдельно углерод, можно получать химическим путем, то есть, намеренным синтезом. Однако, это не выгодно.
Газ углерод и его твердые модификации проще и дешевле добывать попутно с каменным углем.
Из земных недр этого ископаемого извлекают примерно 2 миллиарда тонн ежегодно. Хватает, чтобы обеспечить мир техническим углеродом.
Что касается алмазов , их извлекают из кимбирлитовых трубок. Это вертикальные геологические тела, сцементированные лавой осколки породы.
Именно в таких встречаются алмазы . Поэтому, ученые предполагают, что минерал формируется на глубинах в тысячи километров, там же, где и магма.
Месторождения графита, напротив, горизонтальны, располагаются у поверхности.
Поэтому, добыча минерала довольно проста и не затратна. В год из недр извлекают около 500 000 тонн графита.
Чтобы получить активированный уголь, приходится нагреть каменный уголь и обработать струей водяного пара.
Ученые даже разобрались, как воссоздать белки человеческого тела. Их основа – тоже углерод. Азот и водород – аминогруппа, к нему примыкающая.
Нужен, так же, кислород. То есть, белки построены на аминокислоте. Она не у всех на слуху, но для жизни куда важнее остальных.
Популярные серная, азотная, соляная кислоты, к примеру, организму нужны куда меньше.
Так что, углерод – то, за что стоит платить. Узнаем, на сколько велик разброс цен на разные товары из 6-го элемента.
Цена углерода
Для жизни, как несложно понять, углерод бесценен. Что же касается остальных сфер бытия, ценник зависит от наименования продукции и ее качества.
За бриллианты , к примеру, платят больше, если камни не содержат сторонних включений.
Образцы аэрогеля, пока, стоят десятки долларов за несколько квадратных сантиметров.
Но, в будущем, производители обещают поставлять материал рулонами и просить недорого.
Технический углерод, то есть, сажа, реализуется по 5-7 рублей за кило. За тонну, соответственно, отдают около 5000-7000 рублей.
Однако, углеродный налог, вводимый в большинстве развитых стран, может обеспечить рост цен.
Углеродную промышленность считают причиной парникового эффекта. Предприятия обязывают платить за выбросы, в частности, CO2.
Это главный парниковый газ и, одновременно, индикатор загрязнения атмосферы. Эта информация – ложка дегтя в бочке меда.
Она позволяет понять, что у углерода, как и всего в мире, есть обратная сторона, а не только плюсы.
Углерод: физические и химические свойства
Углерод – важнейший химический элемент периодической таблицы Менделеева. Без него, как и без кислорода и водорода немыслимой была бы сама Жизнь. Можно без преувеличения сказать, что жизнь всех живых существ от амебы до человека построена именно из соединений углерода. Углерод – биогенный элемент составляющий основу жизни на нашей планете. Будучи структурной единицей огромного числа различных органических соединений, он участвует и в построении живых организмов и в обеспечении их жизнедеятельности. Даже возникновение самой Жизни рассматривается учеными как сложный процесс эволюции углеродных соединений. А какие химические и физические свойства этого чудесного элемента, история его открытие и современное применение в химии, читайте об этом далее.
История открытия
На самом деле углерод был известен человеку еще с глубокой древности в виде своих аллотропных модификаций: алмаза и графита. Помимо этого углерод в виде древесного угля активно применялся при выплавке металлов. От угля происходит и само название углерода, как химического элемента.
Но в те далекие времена люди пользовались углеродом в виде угля, или любовались им же, в виде алмазов, неосознанно, без понимания того, какой важный химический элемент стоит за всем этим.
Научное открытие углерода произошло в 1791 году, когда английский химик Теннант впервые получил свободный углерод. Для получения углерода он пропускал пары фосфора над прокаленным мелом. В результате этой химической реакции образовались фосфат кальция и чистый углерод. Впрочем, этому опыту предшествовали и другие искания, например выдающийся французский химик Лавуазье поставил опыт по сжиганию алмаза при помощи большой зажигательной машины. Драгоценный алмаз сгорел без остатка, после чего ученый пришел к выводу, что алмаз представляет собой ничто иное как кристаллический углерод.
Интересно, что в этих опытах совместно с алмазом пробовали сжигать и другие драгоценные камни, к примеру, рубин. Но другие камни выдерживали высокую температуру, только алмаз сгорал без остатка, что и обратило внимание на его отличную химическую природу.
Место в таблице Менделеева
В основе расположения химических элементов в периодической системе Менделеева лежит их атомный вес, рассчитанный относительно атомного веса водорода. Атомная масса углерода составляет 12,011, согласно ней он занимает почетное 6-е место в таблице Менделеева и обозначается латинской литерой С.
Помимо этого следует обратить внимание на следующие характеристики углерода:
- Природный углерод состоит из смеси двух стабильных изотопов 12 С (98,892%) и 13 С (1,108%)
- Помимо этого известно 6 радиоактивных изотопов углерода. Один из них, изотоп 14 С с периодом полураспада 5,73*10 3 лет в небольших количествах образуется в верхних слоях атмосферы нашей планеты под действием космического излучения.
Строение атома
Атом углерода имеет 2 оболочки (как впрочем, и все элементы, расположенные во втором периоде) и 6 электронов: 1s 2 2s 2 2p 2 . Четыре валентных электрона находятся на внешнем электронном уровне атома углерода. А оставшиеся два электрона находятся на отдельных p-орбиталях, при этом они являются неспаренными.
Так на картинке изображена схема электронного строения атома углерода.
Физические свойства
Своими физическими свойствами углерод типичный неметалл. При этом он образует множество аллотропных модификаций («аллотропные» означает существование двух и более разных веществ из одного химического элемента): наиболее популярными из них являются алмаз, графит, уголь, сажа. При этом алмаз – одно из самых твердых веществ, представляющих углерод.
Разумеется, разные аллотропные модификации углерода имеют и разные физические свойства. Если алмаз типичное твердое тело, то, к примеру, жидкий углерод, который можно получить только при определенном внешнем давлении, обладает совершенно иными физическими свойствами, нежели алмаз или графит.
Химические свойства
В обычных условиях углерод, как правило, химически инертен, но при высоких температурах он может вступать в химические взаимодействия со многими другими элементами, обычно проявляя сильные восстановительные свойства. Приведем примеры химических реакций углерода как восстановителя с:
— с кислородом
C 0 + O2 – t° = CO2 углекислый газ
при недостатке кислорода — неполное сгорание:
2C 0 + O2 – t° = 2C +2 O угарный газ
— с водяным паром
C 0 + H2O – 1200° = С +2 O + H2 водяной газ
— с оксидами металлов. Таким образом, выплавляют металл из руды.
C 0 + 2CuO – t° = 2Cu + C +4 O2
— с серой образует сероуглерод:
С + 2S2 = СS2.
Порой углерод может выступать и как окислитель, образуя карбиды при вступлении в химические реакции с некоторыми металлами:
Ca + 2C 0 = CaC2 -4
Вступая в реакцию с водородом, углерод образует метан:
Роль в природе
В земной коре содержание углерода составляет всего лишь 0,15%. Несмотря на эту кажущуюся маленькой цифру, стоит заметить, что углерод непрерывно участвует в природном круговороте из земной коры через биосферу в атмосферу и наоборот. Также именно из углерода состоят такие ценные ресурсы как нефть, уголь, торф, известняки и природный газ. И как мы писали в начале нашей статьи, углерод – основа жизни. Скажем, в теле взрослого человека с весом в 70 кг имеется около 13 кг углерода. Это только в одном человека, примерно в таких же пропорциях углерод содержится в телах всех других живых существ, растений и животных.
Применение
Можно сказать, что углерод неразрывно связан с самим развитием человеческой цивилизации. Именно из соединений с участием углерода образованы основные топлива, благодаря которым ездят машины, летают самолеты, вы можете приготовить себе еду и обогреть свой дом в холодную пору – это нефть и газ. Помимо этого соединения углерода активно используются в химической и металлургической промышленности, в фармацевтике и строительстве. Алмазы, будучи аллотропной модификацией углерода используются в ювелирном деле и ракетостроении. В целом промышленность современности не может обойтись без углерода, он необходим практически везде.
Рекомендованная литература и полезные ссылки
- Savvatimskiy, A (2005). “Measurements of the melting point of graphite and the properties of liquid carbon (a review for 1963–2003)”. Carbon. 43 (6): 1115–1142. doi:10.1016/j.carbon.2004.12.027
- Химическая энциклопедия / Редкол.: Кнунянц И.Л. и др.. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — 623 с.
- ChemNet. Углерод: история открытия элемента.
- Лейпунский О. И. Об искусственных алмазах (рус.) // Успехи химии. — Российская академия наук, 1939. — Вып. 8. — С. 1519—1534.
- Seal M. The effect of surface orientation on the graphitization of diamond. // Phis. Stat. Sol., 1963, v. 3, p. 658.
Видео
И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.
Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка
Углерод. Химия углерода и его соединений
Углерод расположен в главной подгруппе IV группы (или в 14 группе в современной форме ПСХЭ) и во втором периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.
Электронное строение углерода
Электронная конфигурация углерода в основном состоянии :
+6С 1s 2 2s 2 2p 2 1s 2pЭлектронная конфигурация углерода в возбужденном состоянии :
+6С * 1s 2 2s 1 2p 3 1s 2p
Атом углерода содержит на внешнем энергетическом уровне 2 неспаренных электрона и 1 неподеленную электронную пару в основном энергетическом состоянии и 4 неспаренных электрона в возбужденном энергетическом состоянии.
Степени окисления атома углерода — от -4 до +4. Характерные степени окисления -4, 0, +2, +4.
Физические свойства
Углерод в природе существует в виде нескольких аллотропных модификаций: алмаз, графит, карбин, фуллерен.
Алмаз — это модификация углерода с атомной кристаллической решеткой. Алмаз — самое твердое минеральное кристаллическое вещество, прозрачное, плохо проводит электрический ток и тепло. Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии sp 3 -гибридизации.
Графит — это аллотропная модификация, в которой атомы углерода находятся в состоянии sp 2 -гибридизации. При этом атомы связаны в плоские слои, состоящие из шестиугольников, как пчелиные соты. Слои удерживаются между собой слабыми связями. Это наиболее устойчивая при нормальных условиях аллотропная модификация углерода.
Графит — мягкое вещество серо-стального цвета, с металлическим блеском. Хорошо проводит электрический ток. Жирный на ощупь.
Карбин — вещество, в составе которого атомы углерода находятся в sp-гибридизации. Состоит из цепочек и циклов, в которых атомы углерода соединены двойными и тройными связями. Карбин — мелкокристаллический порошок серого цвета.
[=C=C=C=C=C=C=]n или [–C≡C–C≡C–C≡C–]n
Фуллерен — это искусственно полученная модифицикация углерода. Молекулы фуллерена — выпуклые многогранники С60, С70 и др. Многогранники образованы пяти- и шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода.
Фуллерены — черные вещества с металлическим блеском, обладающие свойствами полупроводников.
В природе углерод встречается как в виде простых веществ (алмаз, графит), так и в виде сложных соединений (органические вещества — нефть, природные газ, каменный уголь, карбонаты).
Качественные реакции
Качественная реакция на карбонат-ионы CO3 2- — взаимодействие солей-карбонатов с сильными кислотами . Более сильные кислоты вытесняют угольную кислоту из солей. При этом выделяется бесцветный газ, не поддерживающий горение – углекислый газ.
Например , карбонат кальция растворяется в соляной кислоте:
Видеоопыт взаимодействия карбоната кальция с соляной кислотой можно посмотреть здесь.
Качественная реакция на углекислый газ CO2 – помутнение известковой воды при пропускании через нее углекислого газа:
При дальнейшем пропускании углекислого газа осадок растворяется, т.к. карбонат кальция под действием избытка углекислого газа переходит в растворимый гидрокарбонат кальция:
Видеоопыт взаимодействия гидроксида кальция с углекислым газом (качественная реакция на углекислый газ) можно посмотреть здесь.
Углекислый газ СО2 не поддерживает горение . Угарный газ CO горит голубым пламенем.
Соединения углерода
Основные степени окисления углерода — +4, +2, 0, -1 и -4.
Наиболее типичные соединения углерода:
карбиды металлов (карбид алюминия Al4C3)
Химические свойства
При нормальных условиях углерод существует, как правило, в виде атомных кристаллов (алмаз, графит), поэтому химическая активность углерода — невысокая.
1. Углерод проявляет свойства окислителя (с элементами, которые расположены ниже и левее в Периодической системе) и свойства восстановителя (с элементами, расположенными выше и правее). Поэтому углерод реагирует и с металлами , и с неметаллами .
1.1. Из галогенов углерод при комнатной температуре реагирует с фтором с образованием фторида углерода:
1.2. При сильном нагревании углерод реагирует с серой и кремнием с образованием бинарного соединения сероуглерода и карбида кремния соответственно:
C + 2S → CS2
C + Si → SiC
1.3. Углерод не взаимодействует с фосфором .
При взаимодействии углерода с водородом образуется метан. Реакция идет в присутствии катализатора (никель) и при нагревании:
1.4. С азотом углерод реагирует при действии электрического разряда, образуя дициан:
2С + N2 → N≡C–C≡N
1.5. В реакциях с активными металлами углерод проявляет свойства окислителя. При этом образуются карбиды:
2C + Ca → CaC2
1.6. При нагревании с избытком воздуха графит горит , образуя оксид углерода (IV):
при недостатке кислорода образуется угарный газ СО:
2C + O2 → 2CO
Алмаз горит при высоких температурах:
Горение алмаза в жидком кислороде:
Графит также горит:
Графит также горит, например, в жидком кислороде:
Графитовые стержни под напряжением:
2. Углерод взаимодействует со сложными веществами:
2.1. Раскаленный уголь взаимодействует с водяным паром с образованием угарного газа и водорода:
C 0 + H2 + O → C +2 O + H2 0
2.2. Углерод восстанавливает многие металлы из основных и амфотерных оксидов . При этом образуются металл и угарный газ. Получение металлов из оксидов с помощью углерода и его соединений называют пирометаллургией.
Например , углерод взаимодействует с оксидом цинка с образованием металлического цинка и угарного газа:
ZnO + C → Zn + CO
Также углерод восстанавливает железо из железной окалины:
4С + Fe3O4 → 3Fe + 4CO
При взаимодействии с оксидами активных металлов углерод образует карбиды.
Например , углерод взаимодействует с оксидом кальция с образованием карбида кальция и угарного газа. Таким образом, углерод диспропорционирует в данной реакции:
3С + СаО → СаС2 + СО
2.3. Концентрированная серная кислота окисляет углерод при нагревании. При этом образуются оксид серы (IV), оксид углерода (IV) и вода:
2.4. Концентрированная азотная кислотой окисляет углерод также при нагревании. При этом образуются оксид азота (IV), оксид углерода (IV) и вода:
2.5. Углерод проявляет свойства восстановителя и при сплавлении с некоторыми солями , в которых содержатся неметаллы с высокой степенью окисления.
Например , углерод восстанавливает сульфат натрия до сульфида натрия:
Карбиды
Карбиды – это соединения элементов с углеродом . Карбиды разделяют на ковалентные и ионные в зависимости от типа химической связи между атомами.
Например :
Например :
Например :
Это соединения с металлами, при гидролизе которых образуется пропин
Например : Mg2C3
Например :
Например:
СаС2+ 2Н2O →
Пропиниды разлагаются водой или кислотами с образованием пропина и гидроксида или соли
Например:
Все карбиды проявляют свойства восстановителей и могут быть окислены сильными окислителями .
Например , карбид кремния окисляется концентрированной азотной кислотой при нагревании до углекислого газа, оксида кремния (IV) и оксида азота (II):
SiC + 8HNO3 → 3SiO2 + 3CO2 + 8NO + 4H2O
Оксид углерода (II)
Строение молекулы и физические свойства
Оксид углерода (II) («угарный газ») – это газ без цвета и запаха. Сильный яд. Небольшая концентрация угарного газа в воздухе может вызвать сонливость и головокружение. Большие концентрации угарного газа вызывают удушье.
Строение молекулы оксида углерода (II) – линейное. Между атомами углерода и кислорода образуется тройная связь, за счет дополнительной донорно-акцепторной связи:
Способы получения
В лаборатории угарный газ можно получить действием концентрированной серной кислоты на муравьиную или щавелевую кислоты:
НСООН → CO + H2O
В промышленности угарный газ получают в газогенераторах при пропускании воздуха через раскаленный уголь:
CO2 + C → 2CO
Еще один важный промышленный способ получения угарного газа — паровая конверсия метана. При взаимодействии перегретого водяного пара с метаном образуется угарный газ и водород:
Также возможна паровая конверсия угля:
C 0 + H2 + O → C +2 O + H2 0
Угарный газ в промышленности также можно получать неполным окислением метана:
Химические свойства
Оксид углерода (II) – несолеобразующий оксид . За счет углерода со степенью окисления +2 проявляет восстановительные свойства.
1. Угарный газ горит в атмосфере кислорода . Пламя окрашено в синий цвет:
2. Оксид углерода (II) окисляется хлором в присутствии катализатора или под действием света с образованием фосгена. Фосген – ядовитый газ.
3. Угарный газ взаимодействует с водородом при повышенном давлении . Смесь угарного газа и водорода называется синтез-газ. В зависимости от условий из синтез-газа можно получить метанол, метан, или другие углеводороды.
Например , под давлением больше 20 атмосфер, при температуре 350°C и под действием катализатора угарный газ реагирует с водородом с образованием метанола:
4. Под давлением оксид углерода (II) реагирует с щелочами. При этом образуется формиат – соль муравьиной кислоты.
Например , угарный газ реагирует с гидроксидом натрия с образованием формиата натрия:
CO + NaOH → HCOONa
5. Оксид углерода (II) восстанавливает металлы из оксидов .
Например , оксид углерода (II) реагирует с оксидом железа (III) с образованием железа и углекислого газа:
Оксиды меди (II) и никеля (II) также восстанавливаются угарным газом:
СО + CuO → Cu + CO2
СО + NiO → Ni + CO2
6. Угарный газ окисляется и другими сильными окислителями до углекислого газа или карбонатов.
Например , пероксидом натрия:
Оксид углерода (IV)
Строение молекулы и физические свойства
Оксид углерода (IV) (углекислый газ) — газ без цвета и запаха. Тяжелее воздуха. Замороженный углекислый газ называют также «сухой лед». Сухой лед легко подвергается сублимации — переходит из твердого состояния в газообразное.
Смешивая сухой лед и различные вещества, можно получить интересные эффекты. Например, сухой лед в пиве:
Углекислый газ не горит, поэтому его применяют при пожаротушении.
Молекула углекислого газа линейная , атом углерода находится в состоянии sp-гибридизации, образует две двойных связи с атомами кислорода:
Обратите внимание! Молекула углекислого газа не полярна. Каждая химическая связь С=О по отдельности полярна, а вся молекула не будет полярна. Объяснить это очень легко. Обозначим направление смещения электронной плотности в полярных связях стрелочками (векторами):
Теперь давайте сложим эти векторы. Сделать это очень легко. Представьте, что атом углерода — это покупатель в магазине. А атомы кислорода — это консультанты, которые тянут его в разные стороны. В данном опыте консультанты одинаковые, и тянут покупателя в разные стороны с одинаковыми силами. Несложно увидеть, что покупатель двигаться не будет ни влево, ни вправо. Следовательно, сумма этих векторов равна нулю. Следовательно, полярность молекулы углекислого газа равна нулю.
Способы получения
В лаборатории углекислый газ можно получить разными способами:
1. Углекислый газ образуется при действии сильных кислот на карбонаты и гидрокарбонаты металлов. При этом взаимодействуют с кислотами и нерастворимые карбонаты, и растворимые.
Например , карбонат кальция растворяется в соляной кислоте:
Видеоопыт взаимодействия карбоната кальция с соляной кислотой можно посмотреть здесь.
Еще один пример : гидрокарбонат натрия реагирует с бромоводородной кислотой:
2. Растворимые карбонаты реагируют с растворимыми солями алюминия, железа (III) и хрома (III) . Карбонаты трехвалентных металлов необратимо гидролизуются в водном растворе.
Например: хлорид алюминия реагирует с карбонатом калия. При этом выпадает осадок гидроксида алюминия, выделяется углекислый газ и образуется хлорид калия:
3. Углекислый газ также образуется при термическом разложении нерастворимых карбонатов и при разложении растворимых гидрокарбонатов.
Например , карбонат кальция разлагается при нагревании на оксид кальция и углекислый газ:
Химические свойства
Углекислый газ — типичный кислотный оксид . За счет углерода со степенью окисления +4 проявляет слабые окислительные свойства .
1. Как кислотный оксид, углекислый газ взаимодействует с водой . Реакция очень сильно обратима, поэтому мы считаем, что в реакциях угольная кислота распадается почти полностью при образовании.
2. Как кислотный оксид, углекислый газ взаимодействует с основными оксидами и основаниями . При этом углекислый газ реагирует только с сильными основаниями (щелочами) и их оксидами . При взаимодействии углекислого газа с щелочами возможно образование как кислых, так и средних солей.
Например , гидроксид калия взаимодействует с углекислым газом. В избытке углекислого газа образуется кислая соль, гидрокарбонат калия:
При избытке щелочи образуется средняя соль, карбонат калия:
Помутнение известковой воды — качественная реакция на углекислый газ:
Видеоопыт взаимодействия гидроксида кальция (известковая вода) с углекислым газом можно посмотреть здесь.
3. Углекислый газ взаимодействует с карбонатами . При пропускании СО2 через раствор карбонатов образуются гидрокарбонаты.
Например , карбонат натрия взаимодействует с углекислым газом. В избытке углекислого газа образуется кислая соль, гидрокарбонат натрия:
4. Как слабый окислитель, углекислый газ взаимодействует с некоторыми восстановителями .
Например , углекислый газ взаимодействует с углеродом с образованием угарного газа:
CO2 + C → 2CO
Магний горит в атмосфере углекислого газа:
2М g + CO 2 → C + 2 MgO
Видеоопыт взаимодействия магния с углекислым газом можно посмотреть здесь.
Поэтому углекислый газ нельзя применять для пожаротушения горящего магния.
Углекислый газ взаимодействует с пероксидом натрия. При этом пероксид натрия диспропорционирует:
Карбонаты и гидрокарбонаты
При нагревании карбонаты (все, кроме карбонатов щелочных металлов и аммония) разлагаются до оксида металла и оксида углерода (IV).
Карбонат аммония при нагревании разлагается на аммиак, воду и углекислый газ:
Гидрокарбонаты при нагревании переходят в карбонаты:
Качественной реакцией на ионы СО3 2─ и НСО3 − является их взаимодействие с более сильными кислотами , последние вытесняют угольную кислоту из солей, а та разлагается с выделением СО2.
Например , карбонат натрия взаимодействует с соляной кислотой:
Гидрокарбонат натрия также взаимодействует с соляной кислотой:
NaHCO3 + HCl → NaCl + CO2 ↑ + H2O
Гидролиз карбонатов и гидрокарбонатов
Растворимые карбонаты и гидрокарбонаты гидролизуются по аниону. Гидролиз протекает ступенчато и обратимо, т.е. чуть-чуть:
Однако карбонаты и гидрокарбонаты алюминия, хрома (III) и железа (III) гидролизуются необратимо, полностью, т.е. в водном растворе не существуют, а разлагаются водой:
Читайте также: