Углерод образует два чрезвычайно устойчивых оксида (СО и СO 2), три значительно менее устойчивых оксида (С 3 O 2 , С 5 O 2 и С 12 O 9), ряд неустойчивых или плохо изученных оксидов (С 2 O, С 2 O 3 и др.) и нестехиометрический оксид графита. Среди перечисленных оксидов особую роль играют СО и СO 2 .

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Монооксид углерода при обычных условиях горючий газ без цвета и запаха.

Он довольно токсичен из-за его способности образовывать комплекс с гемоглобином, который примерно в 300 раз устойчивее, чем комплекс кислород-гемоглобин.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Диоксид углерода при обычных условиях - бесцветный газ, примерно в 1,5 раза тяжелее воздуха, благодаря чему его можно переливать, как жидкость, из одного сосуда в другой.

Масса 1 л CO 2 при нормальных условиях составляет 1,98 г. Растворимость диоксида углерода в воде невелика: 1 объем воды при 20 o С растворяет 0,88 объема CO 2 , а при 0 o С - 1,7 объема.

Прямое окисление углерода при недостатке кислорода или воздуха приводит к образованию СО, при достаточном их количестве образуется СO 2 . Некоторые свойства этих оксидов представлены в табл. 1.

Таблица 1. Физические свойства оксидов углерода.

Получение оксида углерода

Чистый СО может быть получен в лаборатории дегидратированием муравьиной кислоты (НСООН)концентрированной серной кислотой при ~140 °С:

HCOOH = CO + H 2 O.

В небольших количествах диоксид углерода можно легко получить действием кислот на карбонаты:

CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2 .

В промышленном масштабе CO 2 получают главным образом как побочный продукт в процессе синтеза аммиака:

CH 4 + 2H 2 O = CO 2 + 4H 2 ;

CO + H 2 O = CO 2 + H 2 .

Большие количества углекислого газа получают при обжиге известняка:

CaCO 3 = CaO + CO 2 .

Химические свойства оксида углерода

Монооксид углерода химически активен при высоких температурах. Он проявляет себя как сильный восстановитель. Реагирует с кислородом, хлором, серой, аммиаком, щелочами, металлами.

CO + NaOH = Na(HCOO) (t = 120 - 130 o C, p);

CO + H 2 = CH 4 + H 2 O (t = 150 — 200 o C, kat. Ni);

CO + 2H 2 = CH 3 OH (t = 250 — 300 o C, kat. CuO/Cr 2 O 3);

2CO + O 2 = 2CO 2 (kat. MnO 2 /CuO);

CO + Cl 2 = CCl 2 O(t = 125 — 150 o C, kat. C);

4CO + Ni = (t = 50 — 100 o C);

5CO + Fe = (t = 100 — 200 o C, p).

Диоксид углерода проявляет кислотные свойства: реагирует со щелочами, гидратом аммиака. Восстанавливается активными металлами, водородом, углеродом.

CO 2 + NaOH dilute = NaHCO 3 ;

CO 2 + 2NaOH conc = Na 2 CO 3 + H 2 O;

CO 2 + Ba(OH) 2 = BaCO 3 + H 2 O;

CO 2 + BaCO 3 + H 2 O = Ba(HCO 3) 2 ;

CO 2 + NH 3 ×H 2 O = NH 4 HCO 3 ;

CO 2 + 4H 2 = CH 4 + 2H 2 O (t = 200 o C, kat. Cu 2 O);

CO 2 + C = 2CO (t > 1000 o C);

CO 2 + 2Mg = C + 2MgO;

2CO 2 + 5Ca = CaC 2 + 4CaO (t = 500 o C);

2CO 2 + 2Na 2 O 2 = 2Na 2 CO 3 + O 2 .

Применение оксида углерода

Монооксид углерода широко используется как топливо в виде генераторного газа или водяного газа и образуется также привыделении многих металлов из их оксидов восстановлением углем. Генераторный газ получают, пропуская воздух черезраскаленный уголь. В его состав входит около 25% СО, 4% СO2 и 70% N 2 со следами Н 2 и СН 4 62.

Применение диоксида углерода чаще всего обусловлено его физическими свойствами. Его используют как охлаждающий агент, для газирования напитков, при получении облегченных(вспененных) пластмасс, а также как газ для создания инертной атмосферы.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Задание	Определите во сколько раз тяжелее воздуха оксид углерода (IV)CO 2 .
Решение	Отношение массы данного газа к массе другого газа, взятого в том же объеме, при той же температуре и том же давлении, называется относительной плотностью первого газа по второму. Данная величина показывает, во сколько раз первый газ тяжелее или легче второго газа. Относительную молекулярную массу воздуха принимают равной 29 (с учетом содержания в воздухе азота, кислорода и других газов). Следует отметить, что понятие «относительная молекулярная масса воздуха» употребляется условно, так как воздух - это смесь газов. D air (CO 2) = M r (CO 2) / M r (air); D air (CO 2) = 44 / 29 = 1,517. M r (CO 2) = A r (C) + 2×A r (O) = 12 + 2× 16 = 12 + 32= 44.
Ответ	Оксид углерода (IV)CO 2 тяжелее воздуха в 1,517 раз.

Углекислый газ, известный также как 4, реагирует с рядом веществ, образуя самые различные по своему составу и химическим свойствам соединения. Состоящий из неполярных молекул, он имеет очень слабые межмолекулярные связи и может находиться только в если температура выше, чем 31 градус по Цельсию. Углекислый газ представляет собой химическое соединение, состоящее из одного атома углерода и двух атомов кислорода.

Оксид углерода 4: формула и основная информация

Углекислый газ присутствует в атмосфере Земли при низкой концентрации и действует как парниковый газ. Его химическая формула СО 2 . При высокой температуре он может существовать исключительно в газообразном состоянии. В своем твердом состоянии его называют сухим льдом.

Углекислый газ является важным компонентом углеродного цикла. Он исходит из множества природных источников, включая вулканическую дегазацию, сжигание органического вещества и дыхательные процессы живых аэробных организмов. Антропогенные источники углекислого газа в основном связаны с сжиганием различных ископаемых видов топлива для производства электроэнергии и транспорта.

Он также продуцируется различными микроорганизмами из ферментации и клеточного дыхания. Растения превращают углекислый газ в кислород во время процесса, называемого фотосинтезом, используя как углерод, так и кислород для образования углеводов. Кроме того, растения также выделяют кислород в атмосферу, который затем используется для дыхания гетеротрофными организмами.

Углекислый газ (СО2) в организме

Оксид углерода 4 реагирует с разными веществами и является газообразным продуктом отходов от метаболизма. Существует более чем 90% его в крови в форме бикарбоната (НСО 3). Остальное - это либо растворенный СО 2, либо угольная кислота (H2CO 3). За балансирование этих соединений в крови отвечают такие органы, как печень и почки. Бикарбонат - это химическое вещество, которое действует как буфер. Она удерживает уровень рН крови на необходимом уровне, избегая повышения кислотности.

Структура и свойства углекислого газа

Двуокись углерода (CO 2) представляет собой химическое соединение, которое является газом при комнатной температуре и выше. Он состоит из одного атома углерода и двух атомов кислорода. Люди и животные выделяют углекислый газ, когда выдыхают. Кроме того, он образуется всегда, когда что-то органическое сжигается. Растения используют углекислый газ для производства продуктов питания. Этот процесс называется фотосинтезом.

Свойства углекислого газа изучались шотландским ученым Джозефом Блэком еще в 1750-х годах. способный улавливать тепловую энергию и оказывать воздействие на климат и погоду на нашей планете. Именно он является причиной глобального потепления и повышения температуры поверхности Земли.

Биологическая роль

Оксид углерода 4 реагирует с разными веществами и является конечным продуктом в организмах, которые получают энергию от разрушения сахаров, жиров и аминокислот. Это процесс известен как характерное для всех растений, животных, многих грибов и некоторых бактерий. У высших животных углекислый газ перемещается в крови из тканей тела в легкие, где он выдыхается. Растения получают его из атмосферы для использования при фотосинтезе.

Сухой лед

Сухой лед или твердый диоксид углерода представляет собой твердое состояние газа CO 2 с температурой -78,5 °C. В естественном виде это вещество не встречается в природе, но производится человеком. Оно бесцветно и может использоваться для приготовления газированных напитков, как охлаждающий элемент в емкостях с мороженым и в косметологии, например для замораживания бородавок. Пары сухого льда вызывают удушье и могут привести к смерти. При использовании сухого льда стоит проявлять осторожность и профессионализм.

При обычном давлении он не будет плавиться из в жидкость, а вместо этого переходит непосредственно из твердого вещества в газ. Это называется сублимацией. Он будет меняться непосредственно от твердого тела к газу при любой температуре, превышающей экстремально низкие температуры. Сухой лед сублимируется при нормальной температуре воздуха. При этом выделяется углекислый газ, который не имеет запаха и цвета. Двуокись углерода может быть сжижена при давлении выше 5,1 атм. Газ, который выделяется из сухого льда, настолько холодный, что при смешивании с воздухом он охлаждает водяной пар в воздухе до тумана, который выглядит как густой белый дым.

Получение, химические свойства и реакции

В промышленности оксид углерода 4 получают двумя способами:

1. Путем сжигания топлива (C + O 2 = CO 2).
2. Путем термического разложения известняка (CaCO 3 = CaO + CO 2).

Полученный объем оксида углерода 4 подвергается очистке, сжижается и закачивается в специальные балоны.

Являясь кислотным, оксид углерода 4 реагирует с такими веществами, как:

• Вода. При растворении образуется угольная кислота (H 2 CO 3).
• Щелочные растворы. Оксид углерода 4 (формула CO 2) вступает в реакцию со щелочами. При этом образуются средние и кислые соли (NaHCO 3).
• При этих реакциях образуются соли карбонаты (CaCO 3 и Na 2 CO 3).
• Углерод. Когда оксид углерода 4 реагирует с горячим углем, образуется оксид углерода 2 (угарный газ), который может вызвать отравление. (CO 2 + C = 2CO).
• Магний. Как правило, углекислый газ не поддерживает горение, только при очень высоких температурах он может реагировать с некоторыми металлами. Например, зажженный магний будет продолжать гореть в CO 2 во время окислительно-восстановительной реакции (2Mg + CO 2 = 2MgO + C).

Качественная реакция оксида углерода 4 проявляется при пропускании его через известняковую воду (Ca(OH) 2 или через баритовую воду (Ba(OH) 2. Можно наблюдать помутнение и выпадение осадка. Если после этого продолжать дальше пропускать углекислый газ, то вода снова станет прозрачной, так как нерастворимые карбонаты преобразуются в растворимые гидрокарбонаты (кислые соли угольной кислоты).

Двуокись углерода также образуется при сжигании всего углеродсодержащего топлива, такого, как метан (природный газ), нефтяные дистилляты (бензин, дизельное топливо, керосин, пропан), уголь или древесина. В большинстве случаев вода также выделяется.

Углекислый газ (двуокись углерода) состоит из одного атома углерода и двух атомов кислорода, которые удерживаются вместе ковалентными связями (или делением электронов). Чистый углерод очень редок. Он встречается в природе только в виде минералов, графита и алмаза. Несмотря на это, он является строительным блоком жизни, который в сочетании с водородом и кислородом образует основные соединения, из которых состоит все на планете.

Такие углеводороды, как уголь, нефть и природный газ - это соединения, состоящие из водорода и углерода. Этот элемент содержится в кальците (CaCo 3), минералах в осадочных и метаморфических породах, известняке и мраморе. Это элемент, который содержит все органические вещества - от ископаемого топлива до ДНК.

Оксиды углерода (II) и (IV)

Интегрированный урок по химии и биологии

Задачи: изучить и систематизировать знания об оксидах углерода (II) и (IV); раскрыть взаимосвязь живой и неживой природы; закрепить знания о влиянии оксидов углерода на организм человека; закрепить навыки умения работать с лабораторным оборудованием.

Оборудование: раствор НСl, лакмус, Ca(OH) 2 , CaCO 3 , стеклянная палочка, самодельные таблицы, переносная доска, шаростержневая модель.

ХОД УРОКА

Учитель биологии сообщает тему и задачи урока.

Учитель химии. Основываясь на учении о ковалентной связи, составьте электронную и структурную формулы оксидов углерода (II) и (IV).

Химическая формула оксида углерода (II) – СО, атом углерода находится в нормальном состоянии.

За счет спаривания неспаренных электронов образуются две ковалентные полярные связи, а третья ковалентная связь образуется по донорно-акцепторному механизму. Донором является атом кислорода, т.к. он предоставляет свободную пару электронов; акцептором – атом углерода, т.к. предоставляет свободную орбиталь.

В промышленности оксид углерода (II) получают, пропуская СО 2 над раскаленным углем при высокой температуре. Он образуется также в процессе сгорания угля при недостатке кислорода. (Ученик записывает уравнение реакции на доске )

В лаборатории СО получают действием концентрированной Н 2 SО 4 на муравьиную кислоту. (Уравнение реакции записывает учитель .)

Учитель биологии. Итак, вы познакомились с получением оксида углерода (II). А какими физическими свойствами обладает оксид углерода (II)?

Ученик. Это бесцветный газ, ядовитый, без запаха, легче воздуха, плохо растворяется в воде, температура кипения –191,5 °C, затвердевает при –205 °С.

Учитель химии. Угарный газ в количествах, опасных для жизни человека, содержится в выхлопных газах автомобилей. Поэтому гаражи должны хорошо проветриваться, особенно при запуске двигателя.

Учитель биологии. Какое влияние оказывает угарный газ на организм человека?

Ученик. Угарный газ крайне ядовит для человека – это объясняется тем, что он образует карбоксигемоглобин. Карбоксигемоглобин – очень прочное соединение. В результате его образования гемоглобин крови не взаимодействует с кислородом, и при сильном отравлении человек может погибнуть от кислородного голодания.

Учитель биологии. Какую первую помощь необходимо оказать человеку при отравлении угарным газом?

Ученики. Надо вызвать «скорую помощь», пострадавшего надо вынести на улицу, сделать искусственное дыхание, помещение хорошо проветрить.

Учитель химии. Напишите химическую формулу оксида углерода (IV) и, используя шаростержневую модель, постройте его структуру.

Атом углерода находится в возбужденном состоянии. Все четыре ковалентные полярные связи образовались за счет спаривания неспаренных электронов. Однако из-за линейного строения молекула его в целом неполярна.
В промышленности СО 2 получают при разложении карбоната кальция в производстве извести.
(Ученик записывает уравнение реакции .)

В лаборатории СО 2 получают при взаимодействии кислот с мелом или мрамором.
(Учащиеся выполняют лабораторный опыт. )

Учитель биологии. В результате каких процессов образуется углекислый газ в организме?

Ученик. Углекислый газ образуется в организме в результате реакций окисления органических веществ, входящих в состав клетки.

(Учащиеся выполняют лабораторный опыт. )

Известковый раствор стал мутным, т.к. образуется карбонат кальция. Кроме процесса дыхания, СО2 выделяется в результате брожения, гниения.

Учитель биологии. Влияет ли физическая нагрузка на процесс дыхания?

Ученик. При чрезмерной физической (мышечной) нагрузке мышцы используют кислород быстрее, чем кровь успевает его доставить, и тогда они синтезируют необходимую для их работы АТФ путем брожения. В мышцах образуется молочная кислота C 3 H 6 O 3 , которая поступает в кровь. Накопление большого количества молочной кислоты вредно для организма. После тяжелой физической нагрузки мы еще некоторое время тяжело дышим – выплачиваем «кислородную задолженность».

Учитель химии. Большое количество оксида углерода (IV) выделяется в атмосферу при сжигании органического топлива. Дома мы в качестве топлива используем природный газ, а он почти на 90% состоит из метана (СН 4). Я предлагаю одному из вас выйти к доске, составить уравнение реакции и разобрать его с точки зрения окисления-восстановления.

Учитель биологии. Почему нельзя использовать газовые печи для отопления помещения?

Ученик. Метан – составная часть природного газа. При его горении содержание углекислого газа в воздухе повышается, а кислорода – понижается. (Работа с таблицей «Содержание СО 2 в воздухе» .)
При содержании в воздухе 0,3% СО 2 у человека наблюдается учащенное дыхание; при 10% – потеря сознания, при 20% – мгновенный паралич и быстрая смерть. Особенно нуждается в чистом воздухе ребенок, потому что потребление кислорода тканями растущего организма больше, чем у взрослого. Следовательно, необходимо регулярно проветривать помещение. Если в крови есть избыток СО 2 , возбудимость дыхательного центра повышается и дыхание становится более частым и глубоким.

Учитель биологии. Рассмотрим роль оксида углерода (IV) в жизни растений.

Ученик. У растений образование органических веществ происходит из СО 2 и Н 2 O на свету, кроме органических веществ образуется кислород.

Фотосинтез регулирует содержание углекислого газа в атмосфере, что препятствует повышению температуры на планете. Ежегодно растения поглощают из атмосферы 300 млрд т углекислого газа. В процессе фотосинтеза в атмосферу ежегодно выделяется 200 млрд т кислорода. Из кислорода во время грозы образуется озон.

Учитель химии. Рассмотрим химические свойства оксида углерода (IV).

Учитель биологии. Какое значение имеет угольная кислота в организме человека в процессе дыхания? (Фрагмент диафильма .)
Содержащиеся в крови ферменты превращают углекислый газ в угольную кислоту, которая диссоциирует на ионы водорода и гидрокарбоната. Если в крови содержится избыток ионов Н + , т.е. если кислотность крови повышена, то часть ионов Н + соединяется с гидрокарбонат-ионами, образуя угольную кислоту и освобождая тем самым кровь от избытка Н + -ионов. Если же в крови слишком мало Н + -ионов, то угольная кислота диссоциирует и концентрация Н + -ионов в крови повышается. При температуре 37 °С рН крови равен 7,36.
В организме углекислый газ переносится кровью в виде химических соединений – гидрокарбонатов натрия и калия.

Закрепление материала

Тест

Из предложенных процессов газообмена в легких и тканях выполняющие первый вариант должны выбрать шифры правильных ответов слева, а второй – справа.

(1) Переход O 2 из легких в кровь. (13)
(2) Переход O 2 из крови в ткани. (14)
(3) Переход СO 2 из тканей в кровь. (15)
(4) Переход СO 2 из крови в легкие. (16)
(5) Поглощение O 2 эритроцитами. (17)
(6) Выделение O 2 из эритроцитов. (18)
(7) Превращение артериальной крови в венозную. (19)
(8) Превращение венозной крови в артериальную. (20)
(9) Разрыв химической связи O 2 с гемоглобином. (21)
(10) Химическое связывание O 2 с гемоглобином. (22)
(11) Капилляры в тканях. (23)
(12) Легочные капилляры. (24)

Вопросы первого варианта

1. Процессы газообмена в тканях.
2. Физические процессы при газообмене.

Вопросы второго варианта

1. Процессы газообмена в легких.
2. Химические процессы при газообмене

Задача

Определите объем оксида углерода (IV), который выделяется при разложении 50 г карбоната кальция.

Оксид углерода (IV), угольная кислота и их соли

Комплексная цель модуля: знать способы получения оксида и гидроксида углерода (IV); описывать их физические свойства; знать характеристику кислотно-основных свойств; давать характеристику окислительно-восстановительных свойств.

Все элементы подгруппы углерода образуют оксиды с общей формулой ЭО 2 . СО 2 и SiО 2 проявляют кислотные свойства, GeО 2 , SnО 2 , PbО 2 проявляют амфотерные свойства с преобладанием кислотных, причем в подгруппе сверху вниз кислотные свойства ослабевают.

Степень окисления (+4) для углерода и кремния очень стабильна, поэтому окислительные свойства соединения проявляют с большим трудом. В подгруппе германия окислительные свойства соединений (+4) усиливаются, в связи с дестабилизацией высшей степени окисления.

Оксид углерода (IV), угольная кислота и их соли

Диоксид углерода СО 2 (углекислый газ) - при обычных условиях это газ без цвета и запаха, слегка кисловатого вкуса, тяжелее воздуха примерно в 1,5 раза, растворим в воде, достаточно легко сжижается - при комнатной температуре его модно превратить в жидкость под давлением около 60 10 5 Па. При охлаждении до?56,2єС жидкий диоксид углерода затвердевает и превращается в снегообразную массу.

Во всех агрегатных состояниях состоит из неполярных линейных молекул. Химическое строение СО 2 определяется sp-гибридизацией центрального атома углерода и образованием дополнительных р р-р -связей: О = С = О

Некоторая часть растворенного в воле СО 2 взаимодействует с ней сообразованием угольной кислоты

СО 2 + Н 2 О - СО 2 Н 2 О - Н 2 СО 3 .

Углекислый газ очень легко поглощается растворами щелочей с образованием карбонатов и гидрокарбонатов:

СО 2 + 2NaOH = Na 2 CO 3 + H 2 O;

СО 2 + NaOH = NaHCO 3 .

Молекулы СО 2 очень устойчивы термически, распад начинается только при температуре 2000єС. Поэтому диоксид углерода не горит и не поддерживает горения обычного топлива. Но в его атмосфере горят некоторые простые вещества, атомы которых проявляют большое сродство к кислороду, например, магний при нагревании загорается в атмосфере СО 2 .

Угольная кислота и ее соли

Угольная кислота H 2 CO 3 - соединение непрочное, существует только в водных растворах. Большая часть растворенного в воде углекислого газа находится в виде гидратированных молекул CO 2 , меньшая - образует угольную кислоту.

Водные растворы, находящиеся в равновесии с CO 2 атмосферы, являются кислыми: = 0,04 М и рН? 4.

Угольная кислота - двухосновная, относится к слабым электролитам, диссоциирует ступенчато (К 1 = 4, 4 10 ?7 ; К 2 = 4, 8 10 ?11). При растворении CO 2 в воде устанавливается следующее динамическое равновесие:

H 2 O + CO 2 - CO 2 H 2 O - H 2 CO 3 - H + + HCO 3 ?

При нагревании водного раствора углекислого газа растворимость газа понижается, CO 2 выделяется из раствора, и равновесие смещается влево.

Соли угольной кислоты

Будучи двухосновной, угольная кислота образует два ряда солей: средние соли (карбонаты) и кислые (гидрокарбонаты). Большинство солей угольной кислоты бесцветны. Из карбонатов растворимы в воде лишь соли щелочных металлов и аммония.

В воде карбонаты подвергаются гидролизу, и поэтому их растворы имеют щелочную реакцию:

Na 2 CO 3 + H 2 O - NaHCO 3 + NaOH.

Дальнейший гидролиз с образованием угольной кислоты в обычных условиях практически не идет.

Растворение в воде гидрокарбонатов также сопровождается гидролизом, но в значительно меньшей степени, и среда создается слабощелочная (рН? 8).

Карбонат аммония (NH 4) 2 CO 3 отличается большой летучестью при повышенной и даже обычной температуре, особенно в присутствии паров воды, которые вызывают сильный гидролиз

Сильные кислоты и даже слабая уксусная кислота вытесняют из карбонатов угольную кислоту:

K 2 CO 3 + H 2 SO 4 = K 2 SO 4 + H 2 O + CO 2 ^.

В отличие от большинства карбонатов, все гидрокарбонаты в воде растворимы. Они менее устойчивы, чем карбонаты тех же металлов и при нагревании легко разлагаются, превращаясь в соответствующие карбонаты:

2KHCO 3 = K 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 ^;

Ca(HCO 3) 2 = CaCO 3 + H 2 O + CO 2 ^.

Сильными кислотами гидрокарбонаты разлагаются, как и карбонаты:

KHCO 3 + H 2 SO 4 = KHSO 4 + H 2 O + CO 2

Из солей угольной кислоты наибольшее значение имеют: карбонат натрия (сода), карбонат калия (поташ), карбонат кальция (мел, мрамор, известняк), гидрокарбонат натрия (питьевая сода) и основной карбонат меди (CuOH) 2 CO 3 (малахит).

Основные соли угольной кислоты в воде практически нерастворимы и при нагревании легко разлагаются:

(CuOH) 2 CO 3 = 2CuO + CO 2 + H 2 O.

Вообще термическая устойчивость карбонатов зависит от поляризационных свойств ионов, входящих в состав карбоната. Чем больше поляризующее действие оказывает катион на карбонат-ион, тем ниже температура разложения соли. Если катион способен легко деформироваться, то карбонат-ион сам также будет оказывать поляризующее действие на катион, что приведет к резкому снижению температуры разложения соли.

Карбонаты натрия и калия плавятся без разложения, а большинство остальных карбонатов при нагревании разлагаются на оксид металла и углекислый газ.

• Обозначение - C (Carbon);
• Период - II;
• Группа - 14 (IVa);
• Атомная масса - 12,011;
• Атомный номер - 6;
• Радиус атома = 77 пм;
• Ковалентный радиус = 77 пм;
• Распределение электронов - 1s 2 2s 2 2p 2 ;
• t плавления = 3550°C;
• t кипения = 4827°C;
• Электроотрицательность (по Полингу/по Алпреду и Рохову) = 2,55/2,50;
• Степень окисления: +4, +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3, -4;
• Плотность (н. у.) = 2,25 г/см 3 (графит);
• Молярный объем = 5,3 см 3 /моль.

Соединения углерода:

Углерод в виде древесного угля известен человеку с незапамятных времен, поэтому, о дате его открытия говорить не имеет смысла. Собственно свое название "углерод" получил в 1787 году, когда была опубликована книга "Метод химической номенклатуры", в которой вместо французского названия «чистый уголь» (charbone pur) появился термин «углерод» (carbone).

Углерод обладает уникальной способностью образовывать полимерные цепочки неограниченной длины, порождая тем самым огромный класс соединений, изучением которых занимается отдельный раздел химии - органическая химия. Органические соединения углерода лежат в основе земной жизни, поэтому, о важности углерода, как химического элемента, говорить не имеет смысла - он основа жизни на Земле.

Сейчас рассмотрим углерод с точки зрения неорганической химии.

Рис. Строение атома углерода .

Электронная конфигурация углерода - 1s 2 2s 2 2p 2 (см. Электронная структура атомов). На внешнем энергетическом уровне у углерода находятся 4 электрона: 2 спаренных на s-подуровне + 2 неспаренных на p-орбиталях. При переходе атома углерода в возбужденное состояние (требует энергетических затрат) один электрон с s-подуровня "покидает" свою пару и переходит на p-подуровень, где имеется одна свободная орбиталь. Т. о., в возбужденном состоянии электронная конфигурация атома углерода приобретает следующий вид: 1s 2 2s 1 2p 3 .

Рис. Переход атома углерода в возбужденное состояние.

Такая "рокировка" существенно расширяет валентные возможности атомов углерода, которые могут принимать степень окисления от +4 (в соединениях с активными неметаллами) до -4 (в соединениях с металлами).

В невозбужденном состоянии атом углерода в соединениях имеет валентность 2, например, CO(II), а в возбужденном - 4: CO 2 (IV).

"Уникальность" атома углерода заключается в том, что на его внешнем энергетическом уровне находятся 4 электрона, поэтому, для завершения уровня (к чему, собственно, стремятся атомы любого химического элемента) он может с одинаковым "успехом", как отдавать, так и присоединять электроны с образованием ковалентных связей (см. Ковалентная связь).

Углерод, как простое вещество

Как простое вещество углерод может находиться в виде нескольких аллотропных модификаций:

• Алмаз
• Графит
• Фуллерен
• Карбин

Алмаз

Рис. Кристаллическая решетка алмаза.

Свойства алмаза :

• бесцветное кристаллическое вещество;
• самое твердое вещество в природе;
• обладает сильным преломляющим эффектом;
• плохо проводит тепло и электричество.

Рис. Тетраэдр алмаза.

Исключительная твердость алмаза объясняется строением его кристаллической решетки, которая имеет форму тетраэдра - в центре тетраэдра находится атом углерода, который связан равноценно прочными связями с четырьмя соседними атомами, образующими вершины тетраэдра (см. рисунок выше). Такая "конструкция" в свою очередь связана с соседними тетраэдрами.

Графит

Рис. Кристаллическая решетка графита.

Свойства графита:

• мягкое кристаллическое вещество серого цвета слоистой структуры;
• обладает металлическим блеском;
• хорошо проводит электричество.

В графите атомы углерода образуют правильные шестиугольники, лежащие в одной плоскости, организованные в бесконечные слои.

В графите химические связи между соседними атомами углерода образованы за счет трех валентных электронов каждого атома (изображены синим цветом на рисунке ниже), при этом четвертый электрон (изображен красным цветом) каждого атома углерода, расположенный на p-орбитали, лежащей перпендикулярно плоскости слоя графита, не участвует в образовании ковалентных связей в плоскости слоя. Его "предназначение" заключается в другом - взаимодействуя со своим "собратом", лежащим в соседнем слое, он обеспечивает связь между слоями графита, а высокая подвижность p-электронов обусловливает хорошую электропроводность графита.

Рис. Распределение орбиталей атома углерода в графите.

Фуллерен

Рис. Кристаллическая решетка фуллерена.

Свойства фуллерена:

• молекула фуллерена представляет собой совокупность атомов углерода, замкнутых в полые сферы типа футбольного мяча;
• это мелкокристаллическое вещество желто-оранжевого цвета;
• температура плавления = 500-600°C;
• полупроводник;
• входит в состав минерала шунгита.

Карбин

Свойства карбина:

• инертное вещество черного цвета;
• состоит из полимерных линейных молекул, в которых атомы связаны чередующимися одинарными и тройными связями;
• полупроводник.

Химические свойства углерода

При нормальных условиях углерод является инертным веществом, но при нагревании может реагировать с разнообразными простыми и сложными веществами.

Выше уже было сказано, что на внешнем энергетическом уровне углерода находится 4 электрона (ни туда, ни сюда), поэтому углерод может, как отдавать электроны, так и принимать их, проявляя в одних соединениях восстановительные свойства, а в других - окислительные.

Углерод является восстановителем в реакциях с кислородом и другими элементами, имеющими более высокую электроотрицательность (см. таблицу электроотрицательности элементов):

• при нагревании на воздухе горит (при избытке кислорода с образованием углекислого газа; при его недостатке - оксида углерода(II)):
  C + O 2 = CO 2 ;
  2C + O 2 = 2CO.
• реагирует при высоких температурах с парами серы, легко взаимодействует с хлором, фтором:
  C + 2S = CS 2
  C + 2Cl 2 = CCl 4
  2F 2 + C = CF 4
• при нагревании восстанавливает из оксидов многие металлы и неметаллы:
  C 0 + Cu +2 O = Cu 0 + C +2 O;
  C 0 +C +4 O 2 = 2C +2 O
• при температуре 1000°C реагирует с водой (процесс газификации), с образованием водяного газа:
  C + H 2 O = CO + H 2 ;

Углерод проявляет окислительные свойства в реакциях с металлами и водородом:

• реагирует с металлами с образованием карбидов:
  Ca + 2C = CaC 2
• взаимодействуя с водородом, углерод образует метан:
  C + 2H 2 = CH 4

Углерод получают термическим разложением его соединений или пиролизом метана (при высокой температуре):
CH 4 = C + 2H 2 .

Применение углерода

Соединения углерода нашли самое широкое применение в народном хозяйстве, перечислить все их не представляется возможным, укажем только некоторые:

• графит применяется для изготовления грифелей карандашей, электродов, плавильных тиглей, как замедлитель нейтронов в ядерных реакторах, как смазочный материал;
• алмазы применяются в ювелирном деле, в качестве режущего инструмента, в буровом оборудовании, как абразивный материал;
• в качестве восстановителя углерод используют для получения некоторых металлов и неметаллов (железа, кремния);
• углерод составляет основную массу активированного угля, который нашел широчайшее применение, как в быту (например, в качестве адсорбента для очистки воздуха и растворов), так и в медицине (таблетки активированного угля) и в промышленности (в качестве носителя для каталитических добавок, катализатора полимеризации и проч.).