Вуглець утворює два надзвичайно стійкі оксиди (ЗІ і С 2), три значно менш стійкі оксиди (С 3 O 2 , С 5 O 2 і С 12 O 9), ряд нестійких або погано вивчених оксидів (С 2 O, С 2 O 3 та ін) та нестехіометричний оксид графіту. Серед перерахованих оксидів особливу роль відіграють СО і СО 2 .

ВИЗНАЧЕННЯ

Монооксид вуглецюза звичайних умов горючий газ без кольору та запаху.

Він досить токсичний через його здатність утворювати комплекс із гемоглобіном, який приблизно в 300 разів стійкіший, ніж комплекс кисень-гемоглобін.

ВИЗНАЧЕННЯ

Диоксид вуглецюпри звичайних умовах - безбарвний газ, приблизно в 1,5 рази важчий за повітря, завдяки чому його можна переливати, як рідина, з однієї судини в іншу.

Маса 1 л CO 2 за нормальних умов становить 1,98 р. Розчинність діоксиду вуглецю у воді невелика: 1 об'єм води при 20 o З розчиняє 0,88 об'єму CO 2 , а при 0 o С - 1,7 об'єму.

Пряме окислення вуглецю при нестачі кисню або повітря призводить до утворення СО, при достатній їх кількості утворюється СО 2 . Деякі властивості цих оксидів представлені у табл. 1.

Таблиця 1. Фізичні властивості оксидів вуглецю.

Одержання оксиду вуглецю

Чистий СО може бути отриманий в лабораторії дегідратуванням мурашиної кислоти (НСООН) концентрованої сірчаної кислоти при ~140 °С:

HCOOH = CO + H2O.

У невеликих кількостях діоксид вуглецю можна легко одержати дією кислот на карбонати:

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

У промисловому масштабі CO 2 отримують головним чином як побічний продукт у процесі синтезу аміаку:

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

CO + H2O = CO2 + H2.

Великі кількості вуглекислого газу одержують при випаленні вапняку:

CaCO3 = CaO+CO2.

Хімічні властивості оксиду вуглецю

Монооксид вуглецю хімічно активний за високих температур. Він поводиться як сильний відновник. Реагує з киснем, хлором, сіркою, аміаком, лугами, металами.

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).

Діоксид вуглецю виявляє кислотні властивості: реагує із лугами, гідратом аміаку. Відновлюється активними металами, воднем, вуглецем.

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 .

Застосування оксиду вуглецю

Монооксид вуглецю широко використовується як паливо у вигляді генераторного газу або водяного газу і утворюється також виділення багатьох металів з їх оксидів відновленням вугіллям. Генераторний газ одержують, пропускаючи повітря через розпечене вугілля. До його складу входить близько 25%, 4% СО2 і 70% N 2 зі слідами Н 2 і СН 4 62.

Застосування діоксиду вуглецю найчастіше зумовлене його фізичними властивостями. Його використовують як охолоджуючий агент, для газування напоїв, при отриманні полегшених (спінених) пластмас, а також як газ для створення інертної атмосфери.

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

ПРИКЛАД 2

Завдання	Визначте у скільки разів важчий за повітря оксид вуглецю (IV)CO 2 .
Рішення	Відношення маси даного газу до маси іншого газу, взятого в тому ж обсязі, при тій же температурі і тому ж тиску, називається відносною щільністю першого газу по другому. Ця величина показує, у скільки разів перший газ важчий або легший за другий газ. Відносну молекулярну масу повітря приймають рівною 29 (з урахуванням вмісту в повітрі азоту, кисню та інших газів). Слід зазначити, що поняття «відносна молекулярна маса повітря» використовується умовно, оскільки повітря це суміш газів. 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.
Відповідь	Оксид вуглецю (IV)CO 2 важчий за повітря в 1,517 разів.

Вуглекислий газ, відомий також як 4, реагує з рядом речовин, утворюючи різні за своїм складом і хімічними властивостями сполуки. Що складається з неполярних молекул, він має дуже слабкі міжмолекулярні зв'язки і може перебувати тільки якщо температура вище, ніж 31 градус за Цельсієм. Вуглекислий газ є хімічною сполукою, що складається з одного атома вуглецю і двох атомів кисню.

Оксид вуглецю 4: формула та основна інформація

Вуглекислий газ присутня в атмосфері Землі при низькій концентрації та діє як парниковий газ. Його хімічна формула СО2. При високій температурі він може існувати виключно в газоподібному стані. У своєму твердому стані його називають сухим льодом.

Вуглекислий газ є важливим компонентом вуглецевого циклу. Він виходить із безлічі природних джерел, включаючи вулканічну дегазацію, спалювання органічної речовини та дихальні процеси живих аеробних організмів. Антропогенні джерела вуглекислого газу в основному пов'язані зі спалюванням різних викопних видів палива для виробництва електроенергії та транспорту.

Він також продукується різними мікроорганізмами із ферментації та клітинного дихання. Рослини перетворюють вуглекислий газ на кисень під час процесу, званого фотосинтезом, використовуючи як вуглець, так і кисень для утворення вуглеводів. Крім того, рослини також виділяють кисень в атмосферу, яка потім використовується для дихання гетеротрофними організмами.

Вуглекислий газ (СО2) в організмі

Оксид вуглецю 4 реагує з різними речовинамита є газоподібним продуктом відходів від метаболізму. Існує більш ніж 90% його в крові у формі бікарбонату (НСО3). Решта - це розчинений СО 2, або вугільна кислота (H2CO 3). За балансування цих сполук у крові відповідають такі органи, як печінка та нирки. Бікарбонат - це хімічна речовина, що діє як буфер. Вона утримує рівень рН крові на необхідному рівні, уникаючи підвищення кислотності.

Структура та властивості вуглекислого газу

Двоокис вуглецю (CO 2) є хімічною сполукою, яка є газом при кімнатній температурі і вище. Він складається з одного атома вуглецю та двох атомів кисню. Люди та тварини виділяють вуглекислий газ, коли видихають. Крім того, він утворюється завжди, коли щось органічне спалюється. Рослини використовують вуглекислий газ для продуктів харчування. Цей процес називається фотосинтез.

Властивості вуглекислого газу вивчали шотландський учений Джозеф Блек ще в 1750-х роках. здатний вловлювати теплову енергію та впливати на клімат та погоду на нашій планеті. Саме він є причиною глобального потепління та підвищення температури поверхні Землі.

Біологічна роль

Оксид вуглецю 4 реагує з різними речовинами і є кінцевим продуктом в організмах, які одержують енергію від руйнування цукрів, жирів та амінокислот. Цей процес відомий як характерний для всіх рослин, тварин, багатьох грибів та деяких бактерій. У вищих тварин вуглекислий газ переміщається в крові з тканин тіла у легені, де він видихається. Рослини одержують його з атмосфери для використання при фотосинтезі.

Сухий лід

Сухий лід або твердий діоксид вуглецю є твердим станом газу CO 2 з температурою -78,5 °C. У природному вигляді ця речовина не зустрічається у природі, але виробляється людиною. Воно безбарвне і може використовуватися для приготування газованих напоїв, як охолодний елемент у ємностях з морозивом та в косметології, наприклад, для заморожування бородавок. Пари сухого льоду викликають ядуху і можуть призвести до смерті. При використанні сухого льоду варто виявляти обережність та професіоналізм.

При звичайному тиску він не буде плавитися з рідина, а замість цього переходить безпосередньо з твердої речовини в газ. Це називається сублімацією. Він змінюватиметься безпосередньо від твердого тілагазу при будь-якій температурі, що перевищує екстремально низькі температури. Сухий лід сублімується за нормальної температури повітря. При цьому виділяється вуглекислий газ, який не має запаху та кольору. Двоокис вуглецю може бути зріджений при тиску вище 5,1 атм. Газ, що виділяється із сухого льоду, настільки холодний, що при змішуванні з повітрям він охолоджує водяну пару в повітрі до туману, який виглядає як густий білий дим.

Отримання, хімічні властивості та реакції

У промисловості оксид вуглецю 4 одержують двома способами:

1. Шляхом спалювання палива (C + O 2 = CO 2).
2. Шляхом термічного розкладання вапняку (CaCO3 = CaO+CO2).

Отриманий обсяг оксиду вуглецю 4 піддається очищенню, зріджується та закачується у спеціальні балони.

Будучи кислотним, оксид вуглецю 4 реагує з такими речовинами, як:

• Вода. При розчиненні утворюється вугільна кислота (H2CO3).
• Лужні розчини. Оксид вуглецю 4 (формула CO 2) входить у реакцію з лугами. При цьому утворюються середні та кислі солі (NaHCO 3).
• При цих реакціях утворюються солі карбонати (CaCO3 та Na2CO3).
• Вуглець. Коли оксид вуглецю 4 реагує з гарячим вугіллям, утворюється оксид вуглецю 2 (чадний газ), який може спричинити отруєння. (CO 2 + C = 2CO).
• Магній. Як правило, вуглекислий газ не підтримує горіння, тільки за дуже високих температур він може реагувати з деякими металами. Наприклад, запалений магній продовжуватиме горіти в CO 2 під час окислювально-відновної реакції (2Mg + CO 2 = 2MgO + C).

Якісна реакція оксиду вуглецю 4 проявляється при пропусканні його через вапнякову воду (Ca(OH) 2 або через баритову воду (Ba(OH) 2). Якщо після цього продовжувати далі пропускати вуглекислий газ, вода знову стане прозорою , оскільки нерозчинні карбонати перетворюються на розчинні гідрокарбонати (кислі солі вугільної кислоти).

Двоокис вуглецю також утворюється при спалюванні всього вуглецевмісного палива, такого, як метан (природний газ), нафтові дистиляти (бензин, дизельне паливо, гас, пропан), вугілля або деревина. Найчастіше вода також виділяється.

Вуглекислий газ (двоокис вуглецю) складається з одного атома вуглецю та двох атомів кисню, які утримуються разом ковалентними зв'язками (або розподілом електронів). Чистий вуглець дуже рідкісний. Він зустрічається в природі лише у вигляді мінералів, графіту та алмазу. Незважаючи на це, він є будівельним блоком життя, який у поєднанні з воднем та киснем утворює основні сполуки, з яких складається все на планеті.

Такі вуглеводні, як вугілля, нафта та природний газ - це сполуки, що складаються з водню та вуглецю. Цей елемент міститься в кальциті (CaCo 3), мінералах в осадових та метаморфічних породах, вапняку та мармурі. Це елемент, який містить усі органічні речовини – від викопного палива до ДНК.

Оксиди вуглецю (II) та (IV)

Інтегрований урок з хімії та біології

Завдання:вивчити та систематизувати знання про оксиди вуглецю (II) та (IV); розкрити взаємозв'язок живої та неживої природи; закріпити знання про вплив оксидів вуглецю на організм людини; закріпити навички вміння працювати із лабораторним обладнанням.

Обладнання:розчин НСl, лакмус, Ca(OH) 2 , CaCO 3 , скляна паличка, саморобні таблиці, переносна дошка, шарострижнева модель.

ХІД УРОКУ

Вчитель біологіїповідомляє тему та завдання уроку.

Вчитель хімії.Грунтуючись на вченні про ковалентний зв'язок, складіть електронну та структурну формули оксидів вуглецю (II) та (IV).

Хімічна формула оксиду вуглецю (II) - ЗІ, атом вуглецю знаходиться в нормальному стані.

За рахунок парування неспарених електронів утворюються два ковалентні полярні зв'язки, а третій ковалентний зв'язок утворюється за донорно-акцепторним механізмом. Донором є атом кисню, т.к. він надає вільну пару електронів; акцептором - атом вуглецю, т.к. надає вільну орбіталь.

У промисловості оксид вуглецю (II) отримують, пропускаючи 2 над розжареним вугіллям при високій температурі. Він утворюється також у процесі згоряння вугілля за нестачі кисню. ( Учень записує рівняння реакції на дошці)

У лабораторії СО отримують дією концентрованої Н 2 SО 4 на мурашину кислоту. ( Рівняння реакції записує вчитель.)

Вчитель біології.Отже, ви познайомилися з одержанням оксиду вуглецю (ІІ). А які фізичні властивості має оксид вуглецю (II)?

Учень.Це безбарвний газ, отруйний, без запаху, легший за повітря, погано розчиняється у воді, температура кипіння –191,5 °C, твердне при –205 °С.

Вчитель хімії.Чадний газ у кількостях, небезпечних для життя людиниміститься у вихлопних газах автомобілів. Тому гаражі повинні добре провітрюватись, особливо при запуску двигуна.

Вчитель біології.Який вплив чадний газ на організм людини?

Учень.Чадний газ вкрай отруйний для людини – це пояснюється тим, що він утворює карбоксигемоглобін. Карбоксигемоглобін – дуже міцна сполука. Внаслідок його утворення гемоглобін крові не взаємодіє з киснем, і при сильному отруєнні людина може загинути від кисневого голодування.

Вчитель біології.Яку першу допомогу необхідно надати людині при отруєнні чадним газом?

Учні.Треба викликати «швидку допомогу», потерпілого треба винести надвір, зробити штучне дихання, приміщення добре провітрити.

Вчитель хімії.Напишіть хімічну формулу оксиду вуглецю (IV) і, використовуючи шарострижневу модель, збудуйте його структуру.

Атом вуглецю знаходиться у збудженому стані. Усі чотири ковалентні полярні зв'язки утворилися за рахунок парування неспарених електронів. Однак через лінійну будову молекула його загалом неполярна.
У промисловості 2 отримують при розкладанні карбонату кальцію у виробництві вапна.
(Учень записує рівняння реакції.)

У лабораторії 2 отримують при взаємодії кислот з крейдою або мармуром.
(Учні виконують лабораторний досвід.)

Вчитель біології.Внаслідок яких процесів утворюється вуглекислий газ в організмі?

Учень.Вуглекислий газ утворюється в організмі внаслідок реакцій окислення органічних речовин, що входять до складу клітини

(Учні виконують лабораторний досвід.)

Вапняний розчин став каламутним, т.к. утворюється карбонат кальцію. Крім процесу дихання, СО2 виділяється внаслідок бродіння, гниття.

Вчитель біології.Чи впливає фізичне навантаження на процес дихання?

Учень.При надмірному фізичному (м'язовому) навантаженні м'яза використовують кисень швидше, ніж кров встигає його доставити, і тоді вони синтезують необхідну для їх роботи АТФ шляхом бродіння. У м'язах утворюється молочна кислота C 3 H 6 O 3 яка надходить у кров. Накопичення великої кількості молочної кислоти шкідливе для організму. Після важкого фізичного навантаження ми ще деякий час важко дихаємо – виплачуємо кисневу заборгованість.

Вчитель хімії.Велика кількість оксиду вуглецю (ІV) виділяється в атмосферу при спалюванні органічного палива. Удома ми як паливо використовуємо природний газ, а він майже на 90% складається з метану (СН 4). Я пропоную одному з вас вийти до дошки, скласти рівняння реакції та розібрати його з погляду окислення-відновлення.

Вчитель біології.Чому не можна використовувати газові печі для опалення приміщення?

Учень.Метан – складова частина природного газу. При його горінні вміст вуглекислого газу повітря підвищується, а кисню – знижується. ( Робота з таблицею «ЗмістСО 2 в повітрі".)
При вмісті в повітрі 0,3% 2 у людини спостерігається прискорене дихання; при 10% – втрата свідомості, при 20% – миттєвий параліч та швидка смерть. Особливо потребує чистого повітря дитина, тому що споживання кисню тканинами зростаючого організму більше, ніж у дорослого. Отже, необхідно регулярно провітрювати приміщення. Якщо в крові є надлишок СО 2 , збудливість дихального центру підвищується і дихання стає частішим і глибшим.

Вчитель біології.Розглянемо роль оксиду вуглецю (IV) у житті рослин.

Учень.У рослин утворення органічних речовин походить із СО 2 і Н 2 O на світлі, крім органічних речовин, утворюється кисень.

Фотосинтез регулює вміст вуглекислого газу в атмосфері, що перешкоджає підвищенню температури планети. Щорічно рослини поглинають із атмосфери 300 млрд т вуглекислого газу. У процесі фотосинтезу в атмосферу щорічно виділяється 200 млрд. т кисню. З кисню під час грози утворюється озон.

Вчитель хімії.Розглянемо Хімічні властивостіоксиду вуглецю (ІV).

Вчитель біології.Яке значення має вугільна кислота в організмі людини у процесі дихання? ( Фрагмент діафільму.)
Ферменти, що містяться в крові, перетворюють вуглекислий газ на вугільну кислоту, яка дисоціює на іони водню і гідрокарбонату. Якщо крові міститься надлишок іонів Н + , тобто. якщо кислотність крові підвищена, то частина іонів Н+ з'єднується з гідрокарбонат-іонами, утворюючи вугільну кислоту та звільняючи тим самим кров від надлишку Н+-іонів. Якщо ж у крові надто мало Н+-іонів, то вугільна кислота дисоціює і концентрація Н+-іонів у крові підвищується. При температурі 37 ° С рН крові дорівнює 7,36.
В організмі вуглекислий газ переноситься кров'ю у вигляді хімічних сполук- гідрокарбонатів натрію та калію.

Закріплення матеріалу

Тест

Із запропонованих процесів газообміну в легенях та тканинах виконують перший варіант повинні вибрати шифри правильних відповідей зліва, а другий – праворуч.

(1) Перехід O 2 з легенів у кров. (13)
(2) Перехід O 2 з крові у тканини. (14)
(3) Перехід СО 2 з тканин у кров. (15)
(4) Перехід СО 2 з крові в легені. (16)
(5) Поглинання O2 еритроцитами. (17)
(6) Виділення O2 з еритроцитів. (18)
(7) Перетворення артеріальної крові на венозну. (19)
(8) Перетворення венозної крові на артеріальну. (20)
(9) Розрив хімічного зв'язку O2 з гемоглобіном. (21)
(10) Хімічне зв'язування O2 з гемоглобіном. (22)
(11) Капіляри у тканинах. (23)
(12) Легкові капіляри. (24)

Питання першого варіанта

1. Процеси газообміну у тканинах.
2. Фізичні процеси під час газообміну.

Питання другого варіанта

1. Процеси газообміну у легенях.
2. Хімічні процеси під час газообміну

Завдання

Визначте об'єм оксиду вуглецю (IV), який виділяється під час розкладання 50 г карбонату кальцію.

Оксид вуглецю (IV), вугільна кислота та їх солі

Комплексна мета модуля:знати способи одержання оксиду та гідроксиду вуглецю (IV); описувати їх Фізичні властивості; знати характеристику кислотно-основних властивостей; давати характеристику окисно-відновних властивостей.

Всі елементи підгрупи вуглецю утворюють оксиди з загальною формулоюЕО 2 . 2 і SiО 2 виявляють кислотні властивості, GeО 2 , SnО 2 , PbО 2 виявляють амфотерні властивості з переважанням кислотних, причому в підгрупі зверху вниз кислотні властивості слабшають.

Ступінь окислення (+4) для вуглецю та кремнію дуже стабільна, тому окисні властивостісполуки виявляють з великими труднощами. У підгрупі германію окислювальні властивості сполук (+4) посилюються у зв'язку з дестабілізацією вищого ступеняокиснення.

Оксид вуглецю (IV), вугільна кислота та їх солі

Диоксид вуглецюСО 2 (вуглекислий газ) - за звичайних умов це газ без кольору та запаху, злегка кислуватого смаку, важчий за повітря приблизно в 1,5 рази, розчинний у воді, досить легко зріджується - при кімнатній температурі його модно перетворити на рідину під тиском близько 60 10 5 Па. При охолодженні до ?56,2єС рідкий діоксид вуглецю твердне і перетворюється на снігоподібну масу.

У всіх агрегатних станахскладається із неполярних лінійних молекул. Хімічна будоваСО 2 визначається sp-гібридизацією центрального атома вуглецю та утворенням додаткових р р-р-зв'язків: О = С = О

Деяка частина розчиненого у волі СО 2 взаємодіє з нею утворенням вугільної кислоти

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

Вуглекислий газ дуже легко поглинається розчинами лугів з утворенням карбонатів та гідрокарбонатів:

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

2 + NaOH = NaHCO 3 .

Молекули СО 2 дуже стійкі термічно, розпад починається лише за температури 2000єС. Тому діоксид вуглецю не горить і підтримує горіння звичайного палива. Але в його атмосфері горять деякі прості речовини, Атоми яких виявляють велику спорідненість до кисню, наприклад, магній при нагріванні загоряється в атмосфері СО 2 .

Вугільна кислота та її солі

Вугільна кислота H 2 CO 3 - неміцна сполука, існує тільки у водних розчинах. Більшість розчиненого у воді вуглекислого газу знаходиться у вигляді гідратованих молекул CO 2 , менша - утворює вугільну кислоту.

Водні розчини, що знаходяться в рівновазі з СО 2 атмосфери, є кислими: = 0,04 М і рН? 4.

Вугільна кислота - двоосновна, відноситься до слабких електролітів, дисоціює ступінчасто (К 1 = 4, 4 10 ? 7; До 2 = 4, 8 10 ? 11). При розчиненні CO 2 у воді встановлюється така динамічна рівновага:

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

При нагріванні водного розчинувуглекислого газу розчинність газу знижується, CO 2 виділяється з розчину, і рівновага зміщується вліво.

Солі вугільної кислоти

Будучи двоосновною, вугільна кислота утворює два ряди солей: середні солі (карбонати) та кислі (гідрокарбонати). Більшість солей вугільної кислоти безбарвні. З карбонатів розчиняються у воді лише солі лужних металівта амонію.

У воді карбонати піддаються гідролізу, і тому їх розчини мають лужну реакцію:

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

Подальший гідроліз із заснуванням вугільної кислоти у звичайних умовах мало йде.

Розчинення у воді гідрокарбонатів також супроводжується гідролізом, але значно меншою мірою, і середовище створюється слаболужна (рН? 8).

Карбонат амонію (NH 4) 2 CO 3 відрізняється великою леткістю при підвищеній і навіть звичайній температурі, особливо в присутності парів води, які викликають сильний гідроліз

Сильні кислоти і навіть слабка оцтова кислота витісняють із карбонатів вугільну кислоту:

K2CO3+H2SO4=K2SO4+H2O+CO2^.

На відміну від більшості карбонатів, всі гідрокарбонати у воді розчиняються. Вони менш стійкі, ніж карбонати тих же металів і при нагріванні легко розкладаються, перетворюючись на відповідні карбонати:

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

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

Сильними кислотами гідрокарбонати розкладаються, як і карбонати:

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

Із солей вугільної кислоти найбільше значеннямають: карбонат натрію (сода), карбонат калію (поташ), карбонат кальцію (крейда, мармур, вапняк), гідрокарбонат натрію (питна сода) та основний карбонат міді (CuOH) 2 CO 3 (малахіт).

Основні солі вугільної кислоти у воді практично нерозчинні і при нагріванні легко розкладаються:

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

Взагалі, термічна стійкість карбонатів залежить від поляризаційних властивостей іонів, що входять до складу карбонату. Чим більше поляризуючу дію катіон на карбонат-іон, тим нижче температура розкладання солі. Якщо катіон здатний легко деформуватися, то карбонат-іон сам також надаватиме поляризуючу дію на катіон, що призведе до різкого зниження температури розкладання солі.

Карбонати натрію та калію плавляться без розкладання, а більшість інших карбонатів при нагріванні розкладаються на оксид металу та вуглекислий газ.

• Позначення – C (Carbon);
• Період – II;
• Група – 14 (IVa);
• Атомна маса – 12,011;
• Атомний номер – 6;
• Радіус атома = 77 пм;
• Ковалентний радіус = 77 пм;
• Розподіл електронів - 1s 2 2s 2 2p 2;
• t плавлення = 3550 ° C;
• t кипіння = 4827 ° C;
• Електронегативність (по Полінгу/по Алпреду та Рохову) = 2,55/2,50;
• Ступінь окиснення: +4, +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3, -4;
• Щільність (н. у.) = 2,25 г/см3 (графіт);
• Молярний об'єм = 5,3 см3/моль.

З'єднання вуглецю:

Вуглець у вигляді деревного вугілля відомий людині з незапам'ятних часів, тому про дату його відкриття говорити немає сенсу. Власне свою назву "вуглець" отримав у 1787 році, коли була опублікована книга "Метод хімічної номенклатури", в якій замість французької назви "чисте вугілля" (charbone pur) з'явився термін "вуглець" (carbone).

Вуглець має унікальну здатність утворювати полімерні ланцюжки необмеженої довжини, породжуючи тим самим величезний клас сполук, вивченням яких займається окремий розділ хімії. органічна хімія. Органічні сполуки вуглецю лежать в основі земного життя, тому, про важливість вуглецю, як хімічного елемента, говорити немає сенсу - він є основою життя Землі.

Зараз розглянемо вуглець з погляду неорганічної хімії.

Мал. Будова атома вуглецю.

Електронна конфігурація вуглецю - 1s22s22p2 (див. Електронна структура атомів). На зовнішньому енергетичному рівні у вуглецю знаходяться 4 електрони: 2 спарених на s-підрівні + 2 неспарені на p-орбіталях. При переході атома вуглецю в збуджений стан (вимагає енергетичних витрат) один електрон з s-підрівня "залишає" свою пару і переходить на p-підрівень, де є одна вільна орбіталь. Т. о., у збудженому стані електронна конфігураціяатома вуглецю набуває наступного вигляду: 1s 2 2s 1 2p 3 .

Мал. Перехід атома вуглецю у збуджений стан.

Таке "рокування" суттєво розширює валентні можливості атомів вуглецю, які можуть приймати ступінь окислення від +4 (у сполуках з активними неметалами) до -4 (у сполуках з металами).

У незбудженому стані атом вуглецю в сполуках має валентність 2, наприклад, CO(II), а збудженому - 4: CO 2 (IV).

"Унікальність" атома вуглецю полягає в тому, що на його зовнішньому енергетичному рівні знаходяться 4 електрони, тому для завершення рівня (до чого, власне, прагнуть атоми будь-якого хімічного елемента) він може з однаковим "успіхом", як віддавати, так і приєднувати електрони з утворенням ковалентних зв'язків (див. Ковалентний зв'язок).

Вуглець, як проста речовина

Як проста речовина вуглець може бути у вигляді кількох алотропних модифікацій:

• Алмаз
• Графіт
• Фуллерен
• Карбін

Алмаз

Мал. Кристалічні грати алмазу.

Властивості алмазу:

• безбарвна кристалічна речовина;
• найтвердіша речовина в природі;
• має сильний заломлюючий ефект;
• погано проводить тепло та електрику.

Мал. Тетраедр алмазу.

Виняткова твердість алмазу пояснюється будовою його кристалічної решітки, яка має форму тетраедра - у центрі тетраедра знаходиться атом вуглецю, який пов'язаний рівноцінно міцними зв'язками з чотирма сусідніми атомами, що утворюють вершини тетраедра (див. малюнок вище). Така "конструкція" у свою чергу пов'язана із сусідніми тетраедрами.

Графіт

Мал. Кристалічні грати графіту.

Властивості графіту:

• м'яка кристалічна речовина сірого кольору шаруватої структури;
• має металевий блиск;
• добре проводить електрику.

У графіті атоми вуглецю утворюють правильні шестикутники, що лежить в одній площині, організовані в нескінченні шари.

У графіті хімічні зв'язки між сусідніми атомами вуглецю утворені за рахунок трьох валентних електронів кожного атома (зображені синім кольором на малюнку нижче), при цьому четвертий електрон (зображений червоним кольором) кожного атома вуглецю, розташований на p-орбіталі, перпендикулярно до площини шару графіту, не бере участі у освіті ковалентних зв'язків у площині шару. Його "призначення" полягає в іншому - взаємодіючи зі своїм "собратом", що лежить у сусідньому шарі, він забезпечує зв'язок між шарами графіту, а висока рухливість p-електронів зумовлює хорошу електропровідність графіту.

Мал. Розподіл орбіталей атома вуглецю у графіті.

Фуллерен

Мал. Кристалічні грати фулерену.

Властивості фулерену:

• молекула фулерену являє собою сукупність атомів вуглецю, замкнутих у порожнисті сфери типу футбольного м'яча;
• це дрібнокристалічна речовина жовто-жовтогарячого кольору;
• температура плавлення = 500-600 ° C;
• напівпровідник;
• входить до складу мінералу шунгіту.

Карбін

Властивості карбину:

• інертна речовина чорного кольору;
• складається з полімерних лінійних молекул, в яких атоми пов'язані одинарними і потрійними зв'язками, що чергуються;
• напівпровідник.

Хімічні властивості вуглецю

За нормальних умов вуглець є інертною речовиною, але при нагріванні може реагувати з різноманітними простими та складними речовинами.

Вище вже було сказано, що на зовнішньому енергетичному рівні вуглецю знаходиться 4 електрони (ні туди, ні сюди), тому вуглець може, як віддавати електрони, так і приймати їх, виявляючи в одних сполуках відновлювальні властивості, а в інших – окислювальні.

Вуглець є відновникому реакціях з киснем та іншими елементами, що мають більш високу електронегативність (див. таблицю електронегативності елементів):

• при нагріванні на повітрі горить (при надлишку кисню з утворенням вуглекислого газу; при його нестачі - оксиду вуглецю(II)):
  C + O 2 = CO 2;
  2C + O2 = 2CO.
• реагує при високих температурах з парами сірки, легко взаємодіє із хлором, фтором:
  C + 2S = CS 2
  C + 2Cl 2 = CCl 4
  2F 2 + C = CF 4
• при нагріванні відновлює з оксидів багато металів і неметалів:
  C0+Cu+2O = Cu0+C+2O;
  C 0 +C +4 O 2 = 2C +2 O
• при температурі 1000°C реагує з водою (процес газифікації), з утворенням водяного газу:
  C + H 2 O = CO + H 2;

Вуглець виявляє окислювальні властивості в реакціях з металами та воднем:

• реагує з металами з утворенням карбідів:
  Ca + 2C = CaC 2
• взаємодіючи з воднем, вуглець утворює метан:
  C + 2H 2 = CH 4

Вуглець одержують термічним розкладанням його сполук або піролізом метану (за високої температури):
CH 4 = C + 2H 2 .

Застосування вуглецю

З'єднання вуглецю знайшли найширше застосування в народному господарстві, перерахувати всі їх неможливо, вкажемо лише деякі:

• графіт застосовується для виготовлення грифелів олівців, електродів, плавильних тиглів, як сповільнювач нейтронів ядерних реакторахяк мастильний матеріал;
• алмази застосовуються в ювелірній справі, як ріжучий інструмент, у буровому обладнанні, як абразивний матеріал;
• як відновник вуглець використовують для отримання деяких металів і неметалів (заліза, кремнію);
• вуглець становить основну масу активованого вугілля, який знайшов найширше застосування, як у побуті (наприклад, як адсорбент для очищення повітря і розчинів), так і в медицині (таблетки активованого вугілля) і в промисловості (як носій для каталітичних добавок, каталізатора полімеризації та ін.).