Строение, аллотропия и свойства углерода
Один элемент, а вещества — от самого твёрдого до самого мягкого.
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)