Углерод. Характеристика и соединения

Основа органической химии и жизни на Земле

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).

2. Аллотропные модификации углерода

Углерод уникален богатством структур углеродного каркаса, которые образуют его атомы:

3. Химические свойства углерода

Реагенты	Свойства и уравнения реакций
С неметаллами Углерод как восстановитель	Реагирует с кислородом (горение). При избытке: C + O₂ t°→ CO₂ При недостатке кислорода: 2C + O₂ t°→ 2CO С 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→ CH₄ С 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↑ + 2H₂O C + 4HNO₃(к) t°→ CO₂↑ + 4NO₂↑ + 2H₂O

4. Оксид углерода (II) — Угарный газ

Получение и свойства

Процесс	Уравнение реакции
Получение в лаборатории Дегидратация кислот	Муравьиную или щавелевую кислоту обезвоживают концентрированной серной кислотой: HCOOH H₂SO₄(к)→ CO↑ + H₂O H₂C₂O₄ 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°→ 2CO₂ На 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)

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 ⇄ H₂CO₃ Реагирует с щелочами. При пропуске CO₂ через гидроксид, сначала образуется средняя соль, а избыток CO₂ уводит её в кислую: CO₂ + 2KOH → K₂CO₃ + H₂O K₂CO₃ + 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°→ 2CO Активные металлы (магний) способны продолжать гореть даже в атмосфере углекислого газа, отрывая от него кислород. (Поэтому магний нельзя тушить углекислотным огнетушителем): 2Mg + CO₂ t°→ 2MgO + C Реагирует с пероксидами, регенерируя кислород (применяется в системах очистки воздуха космических кораблей): 2CO₂ + 2Na₂O₂ → 2Na₂CO₃ + O₂↑

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↑ + H₂O NaHCO₃ + 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

7. Видео эксперименты

Рекомендуем посмотреть опыты с углеродом на канале Thoisoi:

• Углерод — самый главный элемент жизни! (Thoisoi)