Углерод. Характеристика и соединения
Основа органической химии и жизни на Земле
Вызов для любознательных!
В самом конце страницы вас ждет уникальная олимпиадная цепочка с запутанной схемой, скрытыми реакциями и расчетом массовой доли. Бросьте вызов своим знаниям неорганической химии!
Важно для ЕГЭ
Углерод (C) – элемент IVA группы. На внешнем уровне (2s² 2p²) имеет 4 электрона. При переходе в возбужденное состояние один 2s-электрон переходит на 2p-подуровень (2s¹ 2p³), поэтому образует 4 связи. Характерные степени окисления: -4, 0, +2, +4 (и минус 1 в карбиде кальция).
1. Общая характеристика и строение
В основном состоянии атом углерода имеет 2 неспаренных электрона и неподеленную пару, но в возбужденном состоянии распаривает их для образования 4 прочных ковалентных связей. Углерод — краеугольный камень всех органических соединений.
Нахождение в природе: В свободном виде: алмазы, месторождения графита. В виде соединений: нефть, углекислый газ атмосферы, каменный уголь, массивы карбонатных пород — известняка, мела, мрамора (CaCO₃).
Вопрос 1: Валентность углерода в органике и неорганике
ПроверкаКакую валентность углерод почти всегда проявляет в органических соединениях? Какая степень окисления углерода в угарном газе ($CO$) и углекислом газе ($CO_2$)?
Ответ: В органике углерод всегда четырехвалентен (IV). В $CO$ степень окисления +2, в $CO_2$ степень окисления +4.
2. Аллотропные модификации углерода
Углерод уникален богатством структур углеродного каркаса, которые образуют его атомы:
Вопрос 1: Аллотропия углерода
ПроверкаЧем объясняется колоссальная разница в твердости между алмазом и графитом, учитывая, что оба состоят только из атомов углерода?
Ответ: Разным типом кристаллической решетки. Алмаз имеет тетраэдрическую пространственную атомную решетку (все связи ковалентные прочные), а графит — слоистую решетку, где слои слабо связаны между собой и легко скользят.
3. Химические свойства углерода
Обратите внимание:
Углерод химически инертен при нормальных условиях, все реакции требуют сильного нагревания (кроме фтора). Совершенно не реагирует с фосфором и галогенами (кроме фтора) напрямую.
| Реагенты | Свойства и уравнения реакций |
|---|---|
| С неметаллами Углерод как восстановитель |
Реагирует с кислородом (горение). При избытке:
C + O₂ t°→ CO₂При недостатке кислорода:
2C + O₂ t°→ 2COС серой, фтором и кремнием:
C + 2S t°→ CS₂ (сероуглерод)C + 2F₂ → CF₄ C + Si t°→ SiC (карборунд)  |
| С водородом и азотом Углерод как окислитель |
При нагревании с водородом (с катализатором Ni):
C + 2H₂ t°, Ni→ CH₄С азотом (только в электрической дуге):
2C + N₂ эл. разряд→ (CN)₂ (дициан)
 |
| С активными металлами Образование карбидов |
С металлами образует ковалентные и ионные карбиды. Различают метаниды (при гидролизе дают метан) и ацетилениды (дают ацетилен):
4C + 3Al t°→ Al₄C₃ (метанид алюминия)2C + Ca t°→ CaC₂ (ацетиленид кальция)  |
| Восстановление оксидов (Пирометаллургия) |
В промышленности углерод и угарный газ применяют для восстановления металлов из руд:
C + ZnO t°→ Zn + CO↑4C + Fe₃O₄ t°→ 3Fe + 4CO↑ С оксидом кальция реакция идет с диспропорционированием углерода (восстановление и карбидизация):
3C + CaO t°→ CaC₂ + CO↑
 |
| С сильными кислотами-окислителями и водой |
Паровая конверсия (получение синтез-газа для промышленности):
C + H₂O(пар) t°→ CO↑ + H₂↑Концентрированные серная и азотная кислоты жестко окисляют углерод до углекислого газа:
C + 2H₂SO₄(к) t°→ CO₂↑ + 2SO₂↑ + 2H₂OC + 4HNO₃(к) t°→ CO₂↑ + 4NO₂↑ + 2H₂O  |
Вопрос 1: Восстановительные свойства углерода (Уравнения)
ПроверкаУглерод (кокс) широко применяется в металлургии. Допишите уравнения реакций восстановления:
- $CuO + C \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots\uparrow$
- $ZnO + C \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots\uparrow$
- $Fe_2O_3 + C \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots\uparrow$
- $H_2O(пар) + C \xrightarrow{t^\circ} \dots\uparrow + \dots\uparrow$ (получение водяного газа)
- $Ca + C \xrightarrow{t^\circ} \dots$ (синтез карбида)
Ответ:
- $2CuO + C \xrightarrow{t^\circ} 2Cu + CO_2\uparrow$
- $ZnO + C \xrightarrow{t^\circ} Zn + CO\uparrow$
- $2Fe_2O_3 + 3C \xrightarrow{t^\circ} 4Fe + 3CO_2\uparrow$
- $H_2O + C \xrightarrow{t^\circ} CO\uparrow + H_2\uparrow$
- $Ca + 2C \xrightarrow{t^\circ} CaC_2$ (карбид кальция)
4. Оксид углерода (II) — Угарный газ
Угарный газ (CO) — несолеобразующий оксид и сильный яд!
Его коварство в том, что он без цвета, вкуса и запаха. В молекуле CO присутствует тройная связь (одна из которых образована по донорно-акцепторному механизму). Он не взаимодействует с водой и щелочами при нормальных условиях, но может проявлять свойства превосходного восстановителя.
Получение и свойства
| Процесс | Уравнение реакции |
|---|---|
| Получение в лаборатории Дегидратация кислот |
Муравьиную или щавелевую кислоту обезвоживают концентрированной серной кислотой:
HCOOH H₂SO₄(к)→ CO↑ + H₂OH₂C₂O₄ H₂SO₄(к)→ CO↑ + CO₂↑ + H₂O  |
| Взаимодействие с кислородом и галогенами |
Угарный газ великолепно горит голубым пламенем (в отличие от углекислого газа, который не горит):
2CO + O₂ t°→ 2CO₂На свету окисляется хлором до ядовитого фосгена:
CO + Cl₂ hν→ COCl₂ (фосген)
 |
| С водородом (Синтез-газ) |
Каталитическое гидрирование дает ценный метанол:
CO + 2H₂ t°, p, кат.→ CH₃OH
 |
| Восстановление металлов Из оксидов |
3CO + Fe₂O₃ t°→ 2Fe + 3CO₂↑ CO + CuO t°→ Cu + CO₂↑  |
| Взаимодействие со щелочами Исключение из правил! |
При нагревании под давлением он реагирует с щелочью, образуя соль органической кислоты, хотя является несолеобразующим:
CO + NaOH t°, p→ HCOONa (формиат натрия)
 |
Вопрос 1: Угарный газ (ОВР)
Проверка$CO$ — несолеобразующий оксид и отличный восстановитель. Допишите уравнения:
- $CO + O_2 \xrightarrow{t^\circ} \dots$
- $CO + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} \dots$ (синтез фосгена)
- $Fe_3O_4 + CO \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots$
Ответ:
- $2CO + O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CO_2$ (голубое пламя)
- $CO + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} COCl_2$
- $Fe_3O_4 + 4CO \xrightarrow{t^\circ} 3Fe + 4CO_2$
5. Оксид углерода (IV) — Углекислый газ
Углекислый газ (CO₂) — типичный кислотный оксид. Тяжелее воздуха, не поддерживает горение. Молекула линейная и неполярная (диполи связей O=C=O компенсируют друг друга). Твердый CO₂ называют «сухим льдом», он сублимируется, минуя жидкую фазу.
Свойства и получение
| Свойства | Уравнения реакций |
|---|---|
| Получение Из карбонатов |
В аппарате Киппа из мела воздействием соляной кислоты:
CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂↑Термическое разложение известняка (в промышленности):
CaCO₃ t°→ CaO + CO₂↑
 |
| Кислотные свойства |
Обратимо, в мизерной степени растворяется в воде (газировка):
CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃Реагирует с щелочами. При пропуске CO₂ через гидроксид, сначала образуется средняя соль, а избыток CO₂ уводит её в кислую:
CO₂ + 2KOH → K₂CO₃ + H₂OK₂CO₃ + CO₂ + H₂O → 2KHCO₃  |
| Качественная реакция! Известковая вода |
При пропускании газа через прозрачную известковую воду (гидроксид кальция) выпадает мутный осадок. Дальнейшее пропускание растворяет его:
Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O (помутнение)CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂ (растворение осадка)  |
| Окислительные свойства |
Углекислый газ можно восстановить, например, углем:
CO₂ + C t°→ 2COАктивные металлы (магний) способны продолжать гореть даже в атмосфере углекислого газа, отрывая от него кислород. (Поэтому магний нельзя тушить углекислотным огнетушителем):
2Mg + CO₂ t°→ 2MgO + CРеагирует с пероксидами, регенерируя кислород (применяется в системах очистки воздуха космических кораблей):
2CO₂ + 2Na₂O₂ → 2Na₂CO₃ + O₂↑
 |
Вопрос 1: Углекислый газ и угольная кислота
ПроверкаКакая качественная реакция используется для обнаружения $CO_2$? Напишите уравнение.
Ответ: Помутнение известковой воды (раствора гидроксида кальция).
Реакция: $CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O$. При дальнейшем пропускании осадок растворится: $CaCO_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow Ca(HCO_3)_2$.
6. Карбонаты и гидрокарбонаты
Угольная кислота слабая и нестабильная. Её соли широко распространены: карбонаты (средние соли) и гидрокарбонаты (кислые соли).
| Свойство | Уравнения реакций |
|---|---|
| Качественная реакция (на CO₃²⁻ и HCO₃⁻) |
При добавлении любой сильной кислоты происходит вытеснение угольной и мгновенное выделение "пузырьков" газа:
Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + CO₂↑ + H₂ONaHCO₃ + HCl → NaCl + CO₂↑ + H₂O  |
| Термическое разложение |
Средние карбонаты, кроме солей щелочных металлов, при нагревании отщепляют углекислый газ:
CaCO₃ t°→ CaO + CO₂↑(NH₄)₂CO₃ t°→ 2NH₃↑ + CO₂↑ + 2H₂O↑ Кислая соль при нагревании всегда переходит в среднюю (именно поэтому сода "гасится" и разрыхляет тесто при выпекании):
2NaHCO₃ t°→ Na₂CO₃ + CO₂↑ + H₂O
 |
| Взаимодействие солей друг с другом Осадки и комплексы |
Карбонаты Al, Cr, Fe(III) гидролизуются в воде наглухо! Они не выпадают в осадок, поэтому при попытке их синтезировать (например, сливая карбонат натрия и хлорид алюминия) образуется гидроксид металла и выделяется CO₂ (совместный гидролиз):
2AlCl₃ + 3Na₂CO₃ + 3H₂O → 2Al(OH)₃↓ + 3CO₂↑ + 6NaCl
 |
Вопрос 1: Карбонаты и гидрокарбонаты (Уравнения)
ПроверкаДопишите уравнения реакций термического разложения и взаимодействия с кислотами:
- $CaCO_3 \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots$
- $NaHCO_3 \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots\uparrow + \dots$
- $K_2CO_3 + HCl \rightarrow \dots + \dots\uparrow + \dots$
- $Ca(HCO_3)_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow \dots\downarrow + \dots$
Ответ:
- $CaCO_3 \xrightarrow{t^\circ} CaO + CO_2\uparrow$ (обжиг известняка)
- $2NaHCO_3 \xrightarrow{t^\circ} Na_2CO_3 + CO_2\uparrow + H_2O$ (разложение пищевой соды)
- $K_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2KCl + CO_2\uparrow + H_2O$ ("вскипание" при добавлении кислоты)
- $Ca(HCO_3)_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow 2CaCO_3\downarrow + 2H_2O$ (устранение временной жесткости)
7. Видео эксперименты
Рекомендуем посмотреть опыты с углеродом на канале Thoisoi:
Олимпиадная задача (Углерод)
Уникальный элемент X, основа органической жизни, при неполном сгорании дает угарный газ A (реакция 1), а при полном — углекислый газ B с массовой долей элемента $27,27\%$ (реакция 2). Угарный газ A можно доокислить до газа B (реакция 3). Газ B также поддерживает горение активных металлов: если внести в него горящий магний, он продолжит гореть, выделяя сажу (то есть элемент X) (реакция 5). При растворении B в воде образуется слабая неустойчивая кислота C (реакция 4).
Газ B жадно поглощается щелочами: с гидроксидом кальция (известковой водой) выпадает белый осадок D (массовая доля элемента ровно $12,00\%$) (реакция 6). Этот же осадок D можно получить прямой реакцией газа B с оксидом кальция (реакция 7). А вот кислота C при взаимодействии с избытком гидроксида натрия дает соду H (реакция 14). Если продолжать пропускать газ B через осадок D, он растворится, перейдя в кислую соль E (реакция 8). При кипячении раствора E снова выпадает осадок D (реакция 9). Под большим давлением и температурой газ B реагирует с аммиаком, образуя ценное удобрение мочевину K (реакция 15).
Неметалл X может напрямую реагировать с водородом при нагревании с катализатором, давая метан F (реакция 10). Также он способен реагировать с металлами, образуя карбиды. При сплавлении с алюминием образуется желтоватый карбид I с массовой долей элемента $25,00\%$ (реакция 16), а с кальцием — карбид J (реакция 17). Оба карбида полностью гидролизуются: из I выделяется болотный газ метан F (реакция 18), а из J — ацетилен G (реакция 19). Оба газа при очень сильном нагревании без доступа воздуха распадаются на исходный элемент X и водород (реакции 11 и 13). А при пиролизе метана F при 1500°C с резким охлаждением также образуется ацетилен G (реакция 12).
Схема превращений (12 веществ):
Показать решение и уравнения реакций
ОтветШаг 1: Расшифровка веществ.
Газ B с $\omega(C) = 27,27\%$ — это $CO_2$. $M = 12 + 32 = 44$. $\omega(C) = 12/44 \approx 0.2727$.
Осадок D с $\omega(C) = 12,00\%$ — это $CaCO_3$. $M = 40 + 12 + 48 = 100$. $\omega(C) = 12/100 = 0.12$.
Карбид I с $\omega(C) = 25,00\%$ — это $Al_4C_3$. $M = 27\cdot 4 + 12\cdot 3 = 144$. $\omega(C) = 36/144 = 0.25$.
Следовательно, X — Углерод ($C$).
Вещества: X = $C$, A = $CO$, B = $CO_2$, C = $H_2CO_3$, D = $CaCO_3$, E = $Ca(HCO_3)_2$, F = $CH_4$, G = $C_2H_2$, H = $Na_2CO_3$, I = $Al_4C_3$, J = $CaC_2$, K = $CO(NH_2)_2$.
Реакции (19 уравнений):
1. $2C + O_2(нед) \xrightarrow{t^\circ} 2CO$
2. $C + O_2(изб) \xrightarrow{t^\circ} CO_2$
3. $2CO + O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CO_2$
4. $CO_2 + H_2O \rightleftarrows H_2CO_3$
5. $CO_2 + 2Mg \xrightarrow{t^\circ} 2MgO + C$
6. $CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O$
7. $CO_2 + CaO \rightarrow CaCO_3$
8. $CaCO_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow Ca(HCO_3)_2$
9. $Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} CaCO_3\downarrow + CO_2\uparrow + H_2O$
10. $C + 2H_2 \xrightarrow{t^\circ, Ni} CH_4$
11. $CH_4 \xrightarrow{1000^\circ C} C + 2H_2\uparrow$
12. $2CH_4 \xrightarrow{1500^\circ C} C_2H_2 + 3H_2\uparrow$
13. $C_2H_2 \xrightarrow{t^\circ} 2C + H_2\uparrow$
14. $H_2CO_3 + 2NaOH(изб) \rightarrow Na_2CO_3 + 2H_2O$
15. $CO_2 + 2NH_3 \xrightarrow{t^\circ, p} CO(NH_2)_2 + H_2O$
16. $3C + 4Al \xrightarrow{t^\circ} Al_4C_3$
17. $2C + Ca \xrightarrow{t^\circ} CaC_2$
18. $Al_4C_3 + 12H_2O \rightarrow 4Al(OH)_3 + 3CH_4\uparrow$
19. $CaC_2 + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + C_2H_2\uparrow$