Углерод – это, наверное, один из самых впечатляющих элементов химии на нашей планете, который обладает уникальной способностью образовывать огромное множество различных органических и неорганических связей.

Одним словом, углеродные соединения, которые обладают уникальными характеристиками – основа жизни на нашей планете.

Что такое углерод

В химической таблице Д.И. Менделеева углерод находится под шестым номером, входит в 14 группу и носит обозначение «С».

Физические свойства

Это водородное соединение, входящее в группу биологических молекул, молярная масса и молекулярная масса которого – 12,011, температура плавления составляет 3550 градусов.

Степень окисления данного элемента может быть: +4, +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3, -4, а плотность составляет 2,25 г/см 3 .

В агрегатном состоянии углерод — твердое вещество, а кристаллическая решетка — атомная.

Углерод имеет следующие аллотропные модификации:

• графит;
• фуллерен;
• карбин.

Строение атома

Атом вещества имеет электронную конфигурацию вида — 1S 2 2S 2 2P 2 . На внешнем уровне у атома 4 электрона, находящиеся на двух разных орбиталях.

Если же брать возбужденное состояние элемента, то его конфигурация становится 1S 2 2S 1 2P 3 .

К тому же атом вещества может быть первичным, вторичным, третичным и четвертичным.

Химические свойства

Пребывая в нормальных условиях, элемент инертен и во взаимодействие с металлами и неметаллами вступает при повышенных температурах:

• взаимодействует с металлами, вследствие чего образуются карбиды;
• вступает в реакцию с фтором (галоген);
• при повышенных температурах взаимодействует с водородом и серой;
• при повышении температуры обеспечивает восстановление металлов и неметаллов из оксидов;
• при 1000 градусах вступает во взаимодействие с водой;
• при повышении температуры горит.

Получение углерода

Углерод в природе можно найти в виде черного графита либо же, что очень редко, в виде алмаза. Ненатуральный графит получают с помощью реакции кокса с кремнеземом.

А ненатуральные алмазы получают, применяя тепло и давление вместе с катализаторами. Так металл расплавляется, а получившийся алмаз выходит в виде осадка.

Добавление азота приводит к получению желтоватых алмазов, а бора – голубоватых.

История открытия

Углерод использовался людьми с давних времен. Грекам был известен графит и уголь, а алмазы впервые нашлись в Индии. К слову, в качестве графита люди часто принимали схожие по виду соединения. Но даже несмотря на это, графит широко использовался для письма, ведь даже слово «графо» с греческого языка переводится как «пишу».

В настоящее время графит используется так же в письме, в частности его можно встретить в карандашах. В начале 18 века в Бразилии началась торговля алмазами, были открыты многие месторождения, а уже во второй половине 20 века люди научились получать ненатуральные драгоценные камни.

На настоящий момент ненатуральные алмазы используются в промышленности, а настоящие – в ювелирной сфере.

Роль углерода в организме человека

В тело человека углерод попадает вместе с пищей, в течение суток – 300 г. А общее количество вещества в человеческом организме составляет 21% от массы тела.

Из данного элемента состоят на 2/3 мышцы и 1/3 костей. А выводится из тела газ вместе с выдыхаемым воздухом либо же с мочевиной.

Стоит отметить: без этого вещества жизнь на Земле невозможна, ведь углерод составляет связи, помогающие организму бороться с губительным влиянием окружающего мира.

Таким образом, элемент способен составлять продолжительные цепи либо же кольца атомов, которые представляют собой основу для множества других важных связей.

Нахождение в природе углерода

Элемент и его соединения можно встретить повсюду. В первую очередь отметим, что вещество составляет 0,032% от общего количества земной коры.

Одиночный элемент можно встретить в каменном угле. А кристаллический элемент находится в аллотропных модификациях. Также в воздухе постоянно растет количество углекислого газа.

Большую концентрацию элемента в окружающей среде можно встретить в качестве соединений с различными элементами. Например, двуокись углерода содержится в воздухе в количестве 0,03%. В таких минералах как известняк или же мрамор, содержатся карбонаты.

Все живые организмы несут в себе соединения углерода с иными элементами. К тому же остатки живых организмов становятся такими отложениями, как нефть, битум.

Применение углерода

Соединения этого элемента широко используются во всех сферах нашей жизни и перечислять их можно бесконечно долго, поэтому мы укажем несколько из них:

• графит используется в грифелях карандашей и изготовлении электродов;
• алмазы нашли свое широкое применение в ювелирной сфере и в буровом деле;
• углерод используют как восстановитель для выведения таких элементов, как железная руда и кремний ;
• активированный уголь, состоящий в основном из этого элемента, широко используется в медицинской области, промышленности и в быту.

Углерод в свободном состоянии является типичным восстановителем. При окислении кислородом в избытке воздуха он превращается в оксид углерода (IV):

при недостатке - в оксид углерода (II):

Обе реакции сильно экзотермичны.

При нагревании углерода в атмосфере оксида углерода (IV) образуется угарный газ:

Углерод восстанавливает многие металлы из их оксидов:

Так протекают реакции с оксидами кадмия, меди, свинца. При взаимодействии углерода с оксидами щелочноземельных металлов, алюминия и некоторых других металлов образуются карбиды:

Объясняется это тем, что активные металлы - более сильные восстановители, чем углерод, поэтому при нагревании образующиеся металлы окисляются избытком углерода:

Оксид углерода (II).

При неполном окислении углерода образуется оксид углерода (II) СО - угарный газ. В воде он плохо растворим. Формальная степень окисления углерода 2+ не отражает строение молекулы СО.

В молекуле СО, помимо двойной связи, образованной обобществлением электронов углерода и кислорода, имеется дополнительная, третья связь (изображена стрелкой), образованная по донорно-акцепторному механизму за счет неподеленной пары электронов кислорода

В связи с этим, молекула СО крайне прочна. Оксид углерода (II) является несолеобразующим и не взаимодействует в обычных условиях с водой, кислотами и щелочами. При повышенных температурах он склонен к реакциям присоединения и окисления-восстановления. На воздухе СО горит синим пламенем:

Он восстанавливает металлы из их оксидов:

Под действием облучения на прямом солнечном свету или в присутствии катализаторов СО соединяется с образуя фосген - крайне ядовитый газ:

Со многими металлами СО образует летучие карбонилы:

Ковалентная связь в молекуле карбонила никеля образуется по донорно-акцепторному механизму, причем электронная плотность смещается от атома углерода к атому никеля. Увеличение отрицательного заряда на атоме металла компенсируется участием его d-электронов в связи, поэтому степень окисления металла равна 0. При нагревании карбонилы металлов разлагаются на металл и оксид углерода (II), что используется для получения металлов особой чистоты.

В природе оксид углерода (II) практически не встречается. Он может образовываться при обезвоживании муравьиной кислоты (лабораторный способ получения):

Исходя из последнего превращения, чисто формально можно считать СО ангидридом муравьиной кислоты. Это подтверждается следующей реакцией, которая происходит при пропускании СО в расплав щелочи при высоком давлении:

Оксид углерода (IV) и угольная кислота. Оксид углерода (IV) является ангидридом угольной кислоты и обладает всеми свойствами кислотных оксидов (см. § 8).

При растворении в воде частично образуется угольная кислота, при этом в растворе существует следующее равновесие.

Органическая жизнь на Земле представлена соединениями углерода. Элемент входит в состав главных компонентов клеточных структур: белков, углеводов и жиров, а также составляет основу вещества наследственности - дезоксирибонуклеиновой кислоты. В неорганической природе карбон является одним из самых распространенных элементов, образующих земную кору и атмосферу планеты. Органическая химия как раздел химической науки полностью посвящен свойствам химического элемента углерода и его соединений. Наша статья рассмотрит физико-химическую характеристику карбона и особенности его свойств.

Место элемента в периодической системе Менделеева

Подгруппа углерода - это главная подгруппа IV группы, в которую, кроме карбона, входят также кремний, германий, олово и свинец. Все перечисленные элементы имеют одинаковое строение внешнего энергетического уровня, на котором расположены четыре электрона. Это обуславливает сходство их химических свойств. В обычном состоянии элементы подгруппы двухвалентны, а когда их атомы переходят в возбужденное состояние, они проявляют валентность равную 4. Физические и химические свойства углерода зависят от состояния электронных оболочек его атома. Так, в реакции с кислородом элемент, частицы которого находятся в невозбужденном состоянии, образует безразличный оксид CO. Атомы же углерода в возбужденном состоянии окисляются до диоксида углерода, проявляющего кислотные свойства.

Формы углерода в природе

Алмаз, графит и карбин - это три аллотропных видоизменения углерода как простого вещества. Прозрачные кристаллы с высокой степенью преломления световых лучей, являющиеся самым твердыми соединениями в природе - это алмазы. Они плохо проводят тепло и являются диэлектриками. Кристаллическая решетка - атомная, очень прочная. В ней каждый атом элемента окружен четырьмя другими частицами, образуя правильный тетраэдр.

Совершенно другие физико-химические свойства углерода, образующего графит. Это жирное на ощупь кристаллическое вещество темно-серого цвета. Имеет послойную структуру, расстояния между слоями атомов достаточно велики, тогда как их силы притяжения слабые. Поэтому при надавливании на графитовый стержень вещество расслаивается на тонкие чешуйки. Они оставляют на бумаге темный след. Графит теплопроводен и немного уступает металлам в электропроводности.

Способность проводить электрический ток объясняется строением кристалла вещества. В нем частицы карбона связываются с тремя другими с помощью прочных ковалентных химических связей. Четвертый валентный электрон каждого атома остается свободным и способен перемещаться в толще вещества. Направленное движение отрицательно заряженных частиц и обуславливает появление электрического тока. Сферы применения графита разнообразны. Так, его используют для изготовления электродов в электротехнике и для проведения процесса электролиза, с помощью которого получают, например, щелочные металлы в чистом виде. Графит нашел применение в ядерных реакторах для контроля скорости проходящих в них цепных реакций в качестве замедлителя нейтронов. Известно применение вещества в качестве грифельных стержней или смазки в трущихся частях механизмов.

Что такое карбин?

Черный кристаллический порошок со стеклянным блеском - это карбин. Он был синтезирован в середине XX века в России. Вещество превосходит графит по твердости, химически пассивно, обладает свойствами полупроводника и является самым стабильным видоизменением карбона. Соединение является более прочным, чем графит. Существуют еще и такие формы углерода, химические свойства которых отличаются между собой. Это сажа, древесный уголь и кокс.

Различные характеристики аллотропных модификаций углерода объясняются строением их кристаллической решеток. Он представляет собой тугоплавкое вещество без цвета и запаха. В органических растворителях нерастворим, зато способен образовывать твердые растворы - сплавы, например, с железом.

Химические свойства углерода

В зависимости от того, с каким веществом реагирует карбон, он может проявлять двойственные свойства: как восстановителя, так и окислителя. Например, сплавляя кокс с металлами, получают их соединения - карбиды. В реакции с водородом образуются углеводороды. Это органические соединения, например, метан, этилен, ацетилен, в которых, как и в случае с металлами, карбон имеет степень окисления, равную -4. Восстановительные химические реакции углерода, свойства которого мы изучаем, проявляются во время его взаимодействия с кислородом, галогенами, водой и основными оксидами.

Оксиды карбона

Сжигая уголь на воздухе с низким содержанием кислорода, получают угарный газ - оксид двухвалентного карбона. Он бесцветен, не имеет запахи и сильно токсичен. Соединяясь с гемоглобином крови в процессе дыхания, окись углерода разносится по всему человеческому организму, вызывая отравление, а затем смерть от удушья. В классификации вещество занимает место безразличных оксидов, не реагирует с водой, ему не соответствует ни основание, ни кислота. Химические свойства углерода, имеющего валентность, равную 4, отличаются от ранее рассмотренной характеристики.

Углекислый газ

Бесцветное газообразное вещество при температуре 15 и давлении в одну атмосферу переходит в твердую фазу. Она называется сухим льдом. Молекулы CO 2 неполярные, хотя ковалентная связь между атомами кислорода и карбона полярная. Соединение относится к кислотным оксидам. Взаимодействуя с водой, оно образует карбонатную кислоту. Известны реакции между углекислым газом и простыми веществами: металлами и неметаллами, например, с магнием, кальцием или коксом. В них он играет роль окислителя.

Качественная реакция на диоксид карбона

Чтобы убедиться, что исследуемый газ действительно является окисью углерода CO 2 , в неорганической химии проводят следующий опыт: вещество пропускают через прозрачный раствор известковой воды. Наблюдение помутнения раствора вследствие выпадения белого осадка карбоната кальция подтверждает присутствие в смеси реагентов молекул диоксида карбона. При дальнейшем пропускании газа через раствор гидроксида кальция осадок CaCO 3 растворяется вследствие его превращения в гидрокарбонат кальция - водорастворимую соль.

Роль углерода в доменном процессе

Химические свойства углерода используются в промышленном производстве железа из его руд: магнитного, красного или бурого железняка. Главными среди них будут восстановительные свойства углерода и оксидов - угарного и углекислого газа. Процессы, происходящие в домне, можно представить в виде следующей последовательности реакций:

• Вначале кокс сгорает в потоке воздуха, раскаленного до 1 850 °C с образованием углекислого газа: С + О 2 = СО 2 .
• Проходя через горячий углерод, он восстанавливается до монооксида карбона: СО 2 + С = 2СО.
• Угарный газ реагирует с железной рудой, в результате получаем оксид железа: 3Fe 2 O 3 + СО = 2Fe 3 O 4 + СО 2 , Fe 3 O 4 + СО = 3FeO + СО 2 .
• Реакция получения железа будет иметь следующий вид: FeO + СО = Fe + СО 2

Расплавленное железо растворяет в себе смесь углерода и угарного газа, получается вещество - цементит.

Чугун, выплавленный в домне, кроме железа, содержит до 4,5 % углерода и другие примеси: марганец, фосфор, серу. Сталь, которая отличается от чугуна рядом признаков, например, способностью к прокатыванию и ковке, имеет в своем составе всего от 0,3 до 1,7 % карбона. Стальные изделия нашли широкое применение практически во всех отраслях промышленности: машиностроении, металлургии, медицине.

В нашей статье мы выяснили, какие химические свойства углерода и его соединений используются в различных сферах человеческой деятельности.

Характеристика элемента

6 С 1s 2 2s 2 2p 2

Изотопы: 12 С (98,892 %); 13 С (1,108%); 14 С (радиоактивный)

Кларк в земной коре 0,48 % по массе. Формы нахождения:

в свободном виде (каменный уголь, алмазы);

в составе карбонатов (СаСO 3 , МgСO 3 и др.);

в составе горючих ископаемых (уголь, нефть, газ);

в виде СO 2 - в атмосфере (0,03 % по объему);

в Мировом океане - в виде анионов НСO 3 - ;

в составе живой материи (-18 % углерода).

Химия соединений углерода - это, в основном, органическая химия. В курсе неорганической химии изучаются следующие С-содержащие вещества: свободный углерод, оксиды (СО и СO 2), угольная кислота, карбонаты и гидрокарбонаты.

Свободный углерод. Аллотропия.

В свободном состоянии углерод образует 3 аллотропные модификации: алмаз, графит и искусственно получаемый карбин. Эти видоизменения углерода различаются кристаллохимическим строением и физическими характеристиками.

Алмаз

В кристалле алмаза каждый атом углерода связан прочными ковалентными связями с четырьмя другими, размещенными вокруг него на одинаковых расстояниях.

Все атомы углерода находятся в состоянии sp 3 -гибридизации. Атомная кристаллическая решетка алмаза имеет тетраэдрическое строение.

Алмаз - бесцветное, прозрачное, сильно преломляющее свет вещество. Отличается самой большой твердостью среди всех известных веществ. Алмаз хрупкий, тугоплавкий, плохо проводит тепло и электрический ток. Небольшие расстояния между соседними атомами углерода (0,154 нм) обусловливают довольно большую плотность алмаза (3,5 г/см 3).

Графит

В кристаллической решетке графита каждый атом углерода находится в состоянии sp 2 -гибридизации и образует три прочные ковалентные связи с атомами углерода, расположенными в том же слое. В образовании этих связей участвуют по три электрона каждого атома, углерода, а четвертые валентные электроны образуют л-связи и являются относительно свободными (подвижными). Они обусловливают электро- и теплопроводность графита.

Длина ковалентной связи между соседними атомами углерода в одной плоскости равна 0,152 нм, а расстояние между атомами С в различных слоях больше в 2,5 раза, поэтому связи между ними слабые.

Графит - непрозрачное, мягкое, жирное на ощупь вещество серо-черного цвета с металлическим блеском; хорошо проводит тепло и электрический ток. Графит имеет меньшую плотность по сравнению с алмазом, легко расщепляется на тонкие чешуйки.

Разупорядоченная структура мелкокристаллического графита лежит в основе строения различных форм аморфного углерода, важнейшими из которых являются кокс, бурые и каменные угли, сажа, активированный (активный) уголь.

Карбин

Эту аллотропную модификацию углерода получают каталитическим окислением (дегидрополиконденсацией) ацетилена. Карбин - цепочечный полимер, имеющий две формы:

С=С-С=С-... и...=С=С=С=

Карбин обладает полупроводниковыми свойствами.

Химические свойства углерода

При обычной температуре обе модификации углерода (алмаз и графит) химически инертны. Мелкокристаллические формы графита - кокс, сажа, активированный уголь - более реакционноспособны, но, как правило, после их предварительного нагревания до высокой температуры.

С - активный восстановитель:

1. Взаимодействие с кислородом

С + O 2 = СO 2 + 393,5 кДж (в избытке O 2)

2С + O 2 = 2СО + 221 кДж (при недостатке O 2)

Сжигание угля - один из важнейших источников энергии.

2. Взаимодействие с фтором и серой.

С + 2F 2 = CF 4 тетрафторид углерода

С + 2S = CS 2 сероуглерод

3. Кокс - один из важнейших восстановителей, используемых в промышленности. В металлургии с его помощью получают металлы из оксидов, например:

ЗС + Fe 2 O 3 = 2Fe + ЗСО

С + ZnO = Zn + СО

4. При взаимодействии углерода с оксидами щелочных и щелочноземельных металлов восстановленный металл, соединяясь с углеродом, образует карбид. Например: ЗС + СаО = СаС 2 + СО карбид кальция

5. Кокс применяется также для получения кремния:

2С + SiO 2 = Si + 2СО

6. При избытке кокса образуется карбид кремния (карборунд) SiC.

Получение «водяного газа» (газификация твердого топлива)

Пропусканием водяного пара через раскаленный уголь получают горючую смесь СО и Н 2 , называемую водяным газом:

С + Н 2 О = СО + Н 2

7. Реакции с окисляющими кислотами.

Активированный или древесный уголь при нагревании восстанавливает анионы NO 3 - и SO 4 2- из концентрированных кислот:

С + 4HNO 3 = СO 2 + 4NO 2 + 2Н 2 О

С + 2H 2 SO 4 = СO 2 + 2SO 2 + 2Н 2 О

8. Реакции с расплавленными нитратами щелочных металлов

В расплавах KNO 3 и NaNO 3 измельченный уголь интенсивно сгорает с образованием ослепительного пламени:

5С + 4KNO 3 = 2К 2 СO 3 + ЗСO 2 + 2N 2

С - малоактивный окислитель:

1. Образование солеобразных карбидов с активными металлами.

Значительное ослабление неметаллических свойств у углерода выражается в том, что функции его как окислителя проявляются в гораздо меньшей степени, чем восстановительные функции.

2. Только в реакциях с активными металлами атомы углерода переходят в отрицательно заряженные ионы С -4 и (С=С) 2- , образуя солеобразные карбиды:

ЗС + 4Al = Аl 4 С 3 карбид алюминия

2С + Са = СаС 2 карбид кальция

3. Карбиды ионного типа - очень нестойкие соединения, они легко разлагаются под действием кислот и воды, что свидетельствует о неустойчивости отрицательно заряженных анионов углерода:

Аl 4 С 3 + 12Н 2 О = ЗСН 4 + 4Аl(ОН) 3

СаС 2 + 2Н 2 О = С 2 Н 2 + Са(ОН) 2

4. Образование ковалентных соединений с металлами

В расплавах смесей углерода с переходными металлами образуются карбиды преимущественно с ковалентный типом связи. Молекулы их имеют переменный состав, а вещества в целом близки к сплавам. Такие карбиды отличаются высокой устойчивостью, они химически инертны по отношению к воде, кислотам, щелочам и многим другим реагентам.

5. Взаимодействие с водородом

При высоких Т и Р, в присутствии никелевого катализатора, углерод соединяется с водородом:

С + 2НН 2 → СНН 4

Реакция очень обратима и не имеет практического значения.

Рb. Все они относятся к р -элементам, так как у них достраивается р -электронная оболочка внешнего слоя (табл. 15).

С увеличением заряда ядра радиус атома возрастает и заметно уменьшается электроотрицательность. В связи с этим от углерода к свинцу заметно усиливаются металлические свойства. Так, обладает хорошо выраженными металлическими свойствами, в время как причисляют к неметаллам.
Четырехэлектронный внешний слой и малые атомные радиусы углерода и кремния способствуют образованию ковалентных связей, которые типичны для этих элементов. Особенностью как углерода, так и кремния является способность образовывать длинные цепочки из одноименных атомов, что приводит к большому многообразию орга-нических и кремнийорганических веществ. Углерод и могут образовывать как две, так и четыре валентные связи. Максимальная степень окисления элементов главной подгруппы IV группы равна +4. Это говорит о том, что для их атомов условно возможна отдача 4 электронов, Принять на внешний слой они также способны не более электронов. В окислительно-восстановительных реакциях они ведут себя как восстановители.

Высшие этих элементов проявляют кислотные свойства. Им соответствуют кислоты, представляющие собой очень слабые электролиты. Это говорит о том, что среди главных подгрупп IV-VII группы подгруппа углерода объединяет элементы с наименее выраженными неметаллическими свойствами. Прочность летучих гидридов заметно уменьшается от углерода СН4 к свинцу РbН4. Нельзя не отметить характер свойств окислов, в которых элементы проявляют степень окисления +2. Если углерод образует при этом несолеобразующий окисел СО, окись свинца РbО обладает хорошо выраженными амфотерными свойствами.

■ 1. Среди элементов группы углерода укажите:
а) элемент с наименьшим атомным радиусом;
б) элемент с наиболее выраженными металлическими свойствами;
в) формулы высших окислов элементов группы углерода;
г) формулы высших кислородных кислот, соответствующих названным окислам;
д) формулы низших окислов;
е) изменение устойчивости летучих водородных соединений (написать ряд формул и стрелкой указать направление уменьшения устойчивости).

Углерод

Атомный вес углерода 12,011. Внешний электронный слой атома углерода имеет 4 электрона, его электронная конфигурация 2s 2 2p 2 , распределение электронов по орбиталям.

Среди элементов подгруппы углерод обладает наибольшим значением электроотрицательности.
Углерод имеет три аллотропных видоизменения - , и аморфный углерод. и встречаются в природе, а аморфный углерод может быть получен лишь искусственным путем.
- твердое кристаллическое вещество, тугоплавкое и химически мало активное. Чистый алмаз - бесцветные прозрачные кристаллы. Среди минералов алмаз обладает наивысшей твердостью, равной 10, плотность его 3,514. Такая высокая твердость объясняется строением его кристаллической решетки атомного типа, в которой атомы углерода находятся на одинаковом расстоянии друг от друга (см. рис. 11).
Благодаря твердости алмаз широко применяется для резки стекла, бурения твердых пород, в машинах для волочения проволоки, шлифовальных дисках и т. д. Для этих целей используют алмазы, загрязненные разными примесями.
Чистые бесцветные кристаллы подвергают огранке и шлифовке алмазным порошком и превращают в бриллианты. Чем больше граней, тем лучше «играет» бриллиант. Бриллианты бывают чаще всего небольшими, их вес измеряется каратами (1 карат равен 0,2 г). Но встречаются и крупные бриллианты.
- мелкокристаллический минерал, в кристаллической решетке которого расстояние между атомами одинаково лишь в двух направлениях, а в третьем намного больше. Это делает кристаллы графита непрочными, а сам минерал мягким. Твердость графита равна 1, плотность 2,22, температура плавления около 3000°. Графит обладает хорошей электропроводностью, поэтому применяется для изготовления электродов, обкладок для электролитических ванн. Порошок графита, смешанный с минеральным маслом, является хорошей смазкой. Поскольку графит мягче бумаги и может оставлять на ней след, его применяют для изготовления карандашных грифелей, туши, типографской краски, копировальной бумаги. Высокая термостойкость графита позволяет изготавливать из него огнеупорные тигли. Графит удается получать искусственным путем - нагреванием кокса до 2500- 3000°.

■ 2. Какого типа кристаллические решетки имеют алмаз и графит?

3. Объясните с точки зрения электронной конфигурации электронных слоев, почему углерод может образовывать как две, так и четыре валентные связи.

Существует мнение, что получаемый искусственно аморфный углерод (сажа, древесный уголь) не является самостоятельным аллотропным видоизменением, так как его микрокристаллическая структура такая же, как у графита.
Аморфный углерод в виде древесного угля получается при сухой перегонке древесины в виде очень легкой хрупкой пористой массы. Структура аморфного углерода очень сходна со структурой графита, но кристаллы в нем расположены беспорядочно.
Огромная поверхность древесного угля обусловливает характерное для него явление адсорбции. Молекулы углерода, находящиеся на поверхности кусочка угля, притягивают к себе молекулы веществ из окружающей его среды, преодолевая энергию теплового движения молекул. Ясно, что чем больше поверхность, тем сильнее идет , поэтому измельченный адсорбент лучше|адсорбирует. Если тщательно измельчить древесный уголь, а затем поместить его под колпак, где находятся пары брома, можно заметить, как постепенно окраска брома слабеет и, в конце концов, исчезает.

Если порошок угля взболтать в пробирке с раствором марганцовокислого калия, фуксина или с настойкой чая, то вскоре эти растворы обесцвечиваются. Если прокипятить адсорбент вместе с адсорбированным на его поверхности веществом в чистой воде, то окраска раствора появляется вновь, так как тепловое движение молекул усиливается и они срываются с поверхности адсорбента -про исходит десорбция.
Следует отметить также, что явление катализа, которое было рассмотрено выше, тесно связано с явлением адсорбции.

■ 4. Какое явление называется адсорбцией?
5. Где еще имеет месте явление адсорбции, помимо процессов, связанных с древесным углем?
6. Дайте объяснение явлению десорбции и укажите причины, способствующие этому явлению.

При обработке перегретым водяным паром из пор угля удаляются имеющиеся там иногда посторонние примеси, увеличивается пористость угля. Такой уголь называется активированным.

Активированный уголь очень широко применяется, в частности, в противогазе, впервые предложенном акад. Н. Д. Зелинским для защиты дыхательных путей от ядовитых газов, находящихся в воздухе. Впервые такой противогаз был применен во время первой мировой войны (рис. 64). Противогаз состоит из резиновой маски или шлема, плотно облегающего лицо и голову, гофрированной резиновой трубки, соединяющей маску с коробкой, содержащей очищающие воздух .

Система клапанов пропускает вдыхаемый воздух в маску только через коробку, а выдыхаемый - прямо в окружающее пространство. Противогазная коробка содержит расположенные слоями противодымный фильтр, задерживающий твердые и капельные частицы, химический поглотитель, химически связывающий поступающие в коробку отравляющие , и активированный уголь.
Активированный уголь иногда дается в виде суспензии в воде внутрь в случае попадания в желудок ядовитых веществ. Древесный уголь применяется также для изготовления черного пороха.
Аморфный углерод в виде кокса применяется в металлургии. Получают кокс в коксохимических печах из каменного угля. Это твердое пористое вещество, представляющее собой почти чистый углерод. Кокс является прекрасным топливом и хорошим восстановителем.

Рис. 64. Устройство противогаза Н. Д. Зелинского. 1-шлем; 2 - гофрированная трубка; 3 - выдыхательный клапан; 4 - фильтрующая коробка; 5 - активированный уголь; 6 -химический поглотитель; 7 - противодымный фильтр.

Сажа получается при сжигании газообразных веществ с высоким процентом содержания углерода. В виде сажи аморфный углерод широко применяется в резиновой промышленности и в полиграфии для изготовления типографской краски. Сажа наиболее высокого качества получается при сжигании газообразного топлива, например ацетилена.

■ 7. Составьте и заполните следующую таблицу:

Химические свойства углерода

Следует отметить, что главным свойством углерода является его восстанавливающая способность. Углерод - один из лучших восстановителей. Он легко восстанавливает из их окислов при нагревании:

и легко сгорает в кислороде, образуя окись или двуокись углерода
2С + O2 = 2СО —

С + О2 = СО2
Сплавляясь с металлами, углерод образует карбиды, имеющие очень своеобразное строение молекул. Например, особенно широко применяющийся в технике карбид кальция СаС2 имеет следующее строение:

С водородом углерод соединяется только при температуре около 1200°, образуя органическое соединение метан СН4:
С + 2Н2 = СН4

■ 8. Рассчитайте, какое количество меди можно восстановить из ее окиси СuО с помощью 24 кг углерода, если потери меди составляют 5%.

При пропускании перегретого водяного пара через раскаленный уголь последний восстанавливает из воды , в результате чего образуется водяной газ:
С + Н2О = СО + На
водяной газ
Несмотря на высокую восстановительную способность углерода, применение его как восстановителя не всегда удобно, так как он является твердым веществом. Гораздо удобнее использовать газообразные восстановители. Тогда контакт между восстановителем и восстанавливаемым веществом становится более полным. В связи с этим углерод целесообразно переводить в окись углерода, сохраняющую его восстановительные свойства и являющуюся в то же время газообразным веществом.

■ 9. Какой объем водяного газа (условия нормальные) можно получить при пропускании водяного пара через 5 грамм-атомов углерода?
10. Нитрат меди прокалили до полного прекращения выделения бурого газа, после чего смешали с измельченным углем и снова прокалили. Что получилось в результате реакции? Дайте ответ, обосновав его уравнениями реакций.

Окислы углерода

Известны два окисла углерода, в которых он проявляет различные степени окисления: СО и СО2.
Окись углерода (II) СО, или, как ее называют, угарный газ, представляет собой бесцветный газ, не имеющий запаха. Температура кипения -191,5º. Она немного легче воздуха и крайне ядовита. Ядовитость окиси углерода объясняется тем, что в соединении с гемоглобином крови, с которой она вступает в контакт при попадании в легкие, она образует карбоксигемоглобин, который является прочным соединением, не обладающим способностью вступать в реакцию с кислородом. Таким образом, гемогло- бин крови выводится из строя, и при сильном отравлении человек может погибнуть от кислородного голодания. Окись углерода может проникнуть в помещение, отапливаемое печами, в том случае, если слишком рано закрывается дымоход и не успевшая сгореть окись углерода попадает в жилое помещение.

Химические свойства окиси углерода весьма разнообразны. Это горючий газ, который легко сгорает голубым пламенем в кислороде и на воздухе с образованием двуокиси углерода:
2СО + О2 = 2СО2
Углерод в этой реакции окисляется, переходя из С +2 в С +4 , т. е. проявляет восстановительные свойства. Следовательно, окись углерода можно применять как восстановитель. Действительно, окисью углерода можно восстанавливать из окислов:
FeO + СО = СО2 + Fe

Следует отметить также, что окись углерода принадлежит к числу несолеобразующих окислов.

■ 11. Элемент свинец Рb, относящийся также к главной подгруппе IV группы, может образовывать окисел, в котором проявляет степень окисления +2; углерод также может образовывать окисел, где проявляет такую же степень окисления. Сравните химические свойства этих двух окислов и иллюстрируйте их уравнениями реакций.

Горючесть окиси углерода, а также восстановительные свойства делают ее весьма ценным топливом и восстановителем во многих производственных процессах, особенно в металлургии, поэтому окись углерода специально получают в печах, которые называются газогенераторами (рис. 65).

Рис. 65. Схема газогенератора

Газогенератор представляет собой печь, в которую сверху засыпают кокс. Снизу кокс поджигают, а для поддержания горения кокса снизу же подают воздух. При соприкосновении кислорода воздуха с раскаленным углем последний сгорает с образованием двуокиси углерода:
С + O2 = СО2
Проходя через последующие соли угля, двуокись углерода восстанавливается до окиси углерода: СO2 + С = 2СO
В результате из газогенератора выходит генераторный газ следующего состава: СО + СO2 + N2 ( воздуха). Этот газ называется воздушным. Воздушный газ содержит лишь одно горючее вещество СО, а двуокись углерода СО2 и являются балластом. Для того чтобы в газе не было балласта, через генератор пропускают перегретый водяной пар, который, вступая в реакцию с углеродом, образует водяной газ:
С + Н2О ⇄ СО + Н2

Водяной газ балласта не имеет, так как окись углерода и горят и являются хорошими восстановителями, но при длительном пропускании водяного пара через уголь последний охлаждается и перестает работать. Для того чтобы этого не происходило, через газогенератор пропускают попеременно воздух и водяной пар, получая при этом смешанный газ.
Генераторные газы широко используются в технике.

Рис. 66. Схема подземной газификации угля.

■ 12. Какой объем водяного газа получится при пропускании водяного пара через 36 кг угля?
13. Напишите уравнения реакций, происходящих при восстановлении окисла железа (III) водяным газом.
14. Как можно разделить газы, входящие в состав воздушного генераторного газа?
15. Воздушный генераторный газ пропустили через раствор кальция. Как изменился состав газовой смеси? Подтвердите уравнениями реакций.
16. Чем отличается смешанный газ от воздушного? Укажите состав компонентов смешанного газа.

Д. И. Менделеевым в 1888 г. был предложен способ подземной газификации угля. Заключается он в следующем. В угольном пласте (рис. 66) с поверхности вниз пробуривают две скважины на расстоянии 25-30 м одна от другой. С помощью электронагревателей угольный пласт внизу поджигают. При пропускании воздуха в дутьевую скважину между ней и газоотводной скважиной прогорает канал, по которому газы идут в газоотводную скважину и по ней поднимаются на поверхность. В самой нижней части пласта, как в газогенераторе, происходит сгорание угля до двуокиси углерода. Несколько выше двуокись углерода восстанавливается до окиси углерода, а еще выше под действием тепла разогретого угольного пласта осуществляется сухая перегонка, продукты которой также выводятся через газоотводную скважину. Продукты сухой перегонки являются весьма ценными. В дальнейшем выходящий газ отделяют от них, после чего его можно использовать по назначению.

Генераторный газ используют в металлургии, в производстве стекла и керамики, в газовых турбинах и двигателях внутреннего сгорания, в быту.
Окись углерода и широко применяются в промышленности органического синтеза - при получении аммиака, хлористого водорода, искусственного топлива, моющих средств и т. д.

■ 17. Рассчитайте расход угля в газогенераторе, если в результате образовалось 112 л водяного газа.

Двуокись углерода СО2 является высшим углеродным окислом, ее 44 у. е. (она более чем в полтора раза тяжелее воздуха). Температура кипения (возгонки) -78,5°.
Двуокись углерода при сильном охлаждении превращается в твердую снегообразную массу - «сухой лед», который при нормальном давлении в жидкость не переходит, а возгоняется, что представляет большое удобство при хранении скоропортящихся продуктов: во-первых, отсутствует влага, а во-вторых, атмосфера двуокиси углерода задерживает рост бактерий и плесневых грибков. Двуокись углерода-типичный кислотный окисел, обладающий всеми характерными свойствами.

■ 18. Напишите уравнения химических реакций, характеризующих свойства двуокиси углерода как кислотного окисла.

Двуокись углерода довольно хорошо растворима в воде: в одном объеме воды растворяется один объем СО2. При этом происходит взаимодействие ее с водой с образованием весьма нестойкой угольной кислоты: Н2О + СО2 ⇄ Н2СО3
При повышении давления двуокиси углерода резко возрастает. На этом основано применение СО2 в изготовлении шипучих напитков.

■ 19. Зная закономерности смещения равновесия, укажите, в каком направлении можно сместить равновесие в реакции
СО2+ Н2О ⇄ Н2СО3
а) повышая давление; б) повышая температуру.

Двуокись углерода не поддерживает горения и дыхания и в ее атмосфере животные погибают не от отравления, а от отсутствия кислорода. Только , горящий при очень высокой температуре, может гореть в двуокиси углерода, разлагая ее и тем самым восстанавливая углерод:
2Mg + СО2 = 2MgO + С
В то же время двуокись углерода необходима зеленым растениям для процесса фотосинтеза. Обогащение атмосферы двуокисью углерода в теплицах, парниках усиливает образование органического растением.
В земной атмосфере содержится 0,04% двуокиси углерода. Небольшое содержание двуокиси углерода в воздухе стимулирует деятельность дыхательного центра.
Обычно двуокись углерода получают, воздействуя на соли угольной кислоты какой-нибудь более сильной кислотой:
СаСО3 + 2НСl = СаСl2 + Н2СO3
Этот процесс осуществляют в лаборатории в аппарате Киппа, заряжая его мрамором и соляной кислотой.

Рис. 67. Пенный огнетушитель. 1-резервуар с водным раствором соды; 2 -ампула с серной кислотой; 3 - ударник; 4 -железная сетка; 5 - выходное отверстие; б - рукоятка

Аналогичный способ получения двуокиси углерода применяется в так называемых пенных огнетушителях (рис. 67). Такой огнетушитель представляет собой стальной баллон, заполненный раствором соды Na2CO3. В этот раствор опущена стеклянная ампула с серной кислотой. Над ампулой укреплен ударник, которым в случае надобности можно разбить ампулу, и тогда начнет взаимодействовать с содой по уравнению:
Na2CO3 + H2SO4 = Na2SO4 + H2CO3

Выделяющаяся при этом в большом количестве двуокись углерода образует обильную пену, которая давлением газа выбрасывается через отверстие в боковой стенке и, покрывая горящий предмет, прекращает доступ к нему кислорода воздуха.

Для промышленных целей двуокись углерода получают при разложении известняка:
СаСO3 = СаО + СО2
Двуокись углерода образуется при горении угля, а также выделяется при брожении сахаров и в других процессах.

■ 20. Можно ли пенный огнетушитель наполнить вместо раствора соды раствором другого карбоната, а серную кислоту заменить другой кислотой. Приведите примеры.
21. Через йодную воду пропустили смесь газов, состоящую из двуокиси углерода, сероводорода и сернистого газа. Каков состав газовой смеси на выходе? Что содержится в растворе?
22. Какой объем двуокиси углерода получится при сжигании 112 л окиси углерода?
23. Какой объем окиси углерода образуется при окислении 4 молей углерода?

24. Сколько двуокиси углерода можно получить при разложении 250 г известняка, содержащего 20% примесей, если выход СО2 равен 80% от теоретического?
25. Сколько весит 1 м 3 смеси газов, состоящей на 70% из окиси углерода и 30% из двуокиси углерода?

Угольная кислота и ее соли

Двуокись углерода является ангидридом угольной кислоты. Н2СО3 сама по себе весьма непрочное вещество. Она существует только в водных растворах. При попытке выделить ее из этих растворов она легко распадается на воду и двуокись углерода:
H2CО3 ⇄ Н2О + СО2
H2CО3 ⇄ H + + HCO — 3 ⇄ 2H + + СО 2 3 —
является очень слабым электролитом; тем не менее, будучи двухосновной, она образует два ряда солей: средние - и кислые - бикарбонаты. Углекислые соли интересны тем, что при действии на них кислоты выделяется двуокись углерода:
К2СО3 + 2НСl = 2КСl + Н2СО3

■ 26. Приведенное уравнение напишите в ионной форме, а также приведите еще два уравнения реакций, иллюстрирующих действие кислот на .
27. Напишите уравнение реакции действия соляной кислоты на бикарбонат магния в молекулярной и ионной формах.

При обработке двуокисью углерода и водой превращаются в бикарбонаты. При нагревании происходит обратное превращение:
обычные условия
СаСО3 + СО2 + Н2О ⇄ Са(НСО3)2
нагревание
Переход нерастворимого карбоната в растворимый бикарбонат приводит к вымыванию карбоната из земной коры, в результате чего образуются пустоты - пещеры. Карбонаты большей частью в воде нерастворимы, за исключением карбонатов щелочных металлов и аммония. Бикарбонаты растворимы лучше.

Среди карбонатов особого внимания заслуживает СаСО3, встречающийся в трех видах: в виде мрамора, известняка и мела. Кроме того, в соединении с карбонатом магния он входит в состав горной породы доломита MgCО3 · CaCО3. Несмотря на одинаков вый химический состав, физические свойства этих пород совершенно разные.
Мрамор - твердое, кристаллическое вещество магматического происхождения. Он постепенно выкристаллизовался внутри остывающей магмы. Часто мрамор бывает окрашен примесями в различные цвета. Мрамор очень хорошо полируется и поэтому широко используется как отделочный материал для облицовки строительных сооружений и в скульптуре.

Известняк - осадочная порода органического происхождения. Нередко в известняке можно обнаружить остатки древних животных, главным образом моллюсков в известковых раковинах. Иногда они бывают довольно крупными, а иногда видны лишь под микроскопом. За миллионы лет известняк уплотнился и стал настолько твердым, что его применяют как строительный материал. Но в настоящее время он постепенно вытесняется более дешевыми, легкими и удобными искусственными материалами. Известняк используется главным образом для получения извести.

Мел - мяткая осадочная порода белого цвета. Применяется в строительстве для побелки. При изготовлении зубного порошка мел сначала растворяют в кислоте, а затем снова осаждают, так как в природном веществе попадаются мельчайшие твердые частицы кремнезема, которые могут поцарапать зубную эмаль.
Бикарбонат кальция Са(НСО3)2 в природе встречается в растворенном состоянии. Образуется при действии воды в сочетании с двуокисью углерода на известняк. Присутствие этой соли придает воде временную (карбонатную) жесткость.
Исключительный интерес представляет сода Na2CО3, встречающаяся иногда в природе в так называемых содовых озерах. Но в настоящее время добывание соды из природных источников вытесняется более дешевым искусственным получением этого продукта. Если сода содержит кристаллизационную воду, то она называется кристаллической содой Na2CО3 · 10Н2О, если же не содержит ее, то кальцинированной содой. Сода очень широко применяется в мыловаренной, текстильной, бумажной и стекольной отраслях промышленности.

Двууглекислая сода, или бикарбонат натрия, или питьевая сода, NaHCО3 применяется при выпечке кондитерских изделий как разрыхлитель теста, а также в медицине при повышенной кислотности желудка, изжоге, диабете и т. д.
Карбонат калия K2CO3, или поташ, как и сода, применяется в мыловаренной промышленности и в производстве тугоплавкого стекла.
Следует отметить, что углерод образует так называемые органические соединения, количество и разнообразие которых далеко превосходят соединения всех остальных элементов, вместе взятых. Детальное изучение соединений углерода выделено в самостоятельную область, называемую органической химией.

■ 28. Как отличить друг от друга представленные в твердом виде карбонат натрия, ?
29. В одну фарфоровую чашку поместили , в другую - нитрат калия, в третью - и начали прокаливать, забыв отметить, в какой чашке какая соль. Как можно, наблюдая процесс прокаливания и изучив продукты реакции, распознать взятые соли?
30. Как осуществить ряд превращений:

31. Каким образом в природе происходит превращение карбоната кальция в бикарбонат?
32. 2 кг карбоната кальция подвергли прокаливанию. Вес остатка после прокаливания оказался равным 1 кг 800 г. Какой процент карбоната подвергся разложению?
33. Как освободить от примесей нитрата кальция?
34. Как, имея в своем распоряжении только соляную кислоту, распознать карбонат бария, сульфит бария и сульфат бария?
35. Окисью углерода, полученной из 5 кг угля, восстановили окись железа (III). Сколько железа при этом получено?

Углерод - жизненно важный элемент для животных и растений. Растения, используя двуокись углерода воздуха и энергию солнца, создают органические вещества. Травоядные животные, питающиеся растениями, используя эти уже готовые вещества, в свою очередь служат

Рис. 68. Круговорот углерода в природе

пищей для хищников. Растения и животные, отмирая, гниют, окисляясь и частично превращаясь в двуокись углерода, которая снова потребляется растениями, частично же постепенно разлагаются в почве, образуя разные виды топлива. При горении топлива выделяется двуокись углерода, которая поступает в атмосферу и потребляется растениями (рис. 68).
Такой круговорот может осуществляться только благодаря процессу фотосинтеза.