الخواص الكيميائية للكربون. تفاعل السيليكون مع مواد بسيطة

وفي الحالة الحرة يعرف الكربون على شكل الماس الذي يتبلور في النظام المكعب، والجرافيت الذي ينتمي إلى النظام السداسي. وأشكاله، مثل الفحم، وفحم الكوك، والسخام، لها بنية مضطربة.

أرز. 117. هيكل الماس. تظهر الأسهم الروابط بين الذرات في رباعي الاسطح.

يتم الحصول على الكارباين والبوليكومولين صناعيًا - أنواع مختلفة من الكربون، تتكون من بوليمرات سلسلة خطية من النوع... -C?C-C?C... أو...=C=C=C=... يتمتع الكارباين بخصائص شبه موصلة. عند تسخينه بقوة دون الوصول إلى الهواء، فإنه يتحول إلى الجرافيت.

الماس مادة عديمة اللون وشفافة تعمل على كسر أشعة الضوء بقوة كبيرة. يتبلور في شبكة مكعبة مركزية الوجه. في هذه الحالة، يقع نصف الذرات عند رؤوس ومراكز وجوه مكعب واحد، والآخر - عند رؤوس ومراكز وجوه مكعب آخر، مزاحًا بالنسبة إلى الأول في اتجاه مكانه المكاني قطري. تكون ذرات الكربون في الماس في حالة تهجين sp3 وتشكل شبكة رباعية الأبعاد ترتبط فيها ببعضها البعض بواسطة روابط تساهمية*. المسافة بين الذرات في رباعي الاسطح هي 0.154 نانومتر. يظهر هيكل الماس في الشكل. 117.

* الترتيب الرباعي السطوح المماثل للروابط المتكونة من ذرة الكربون هو أيضًا من سمات الهيدروكربونات القابلة للتحويل ومشتقاتها (انظر الفقرة 162).

من بين جميع المواد البسيطة، يوجد الماس أقصى عددذرات لكل وحدة حجم - ذرات الكربون "معبأة" بإحكام شديد في الماس. هذا، بالإضافة إلى قوة الرابطة العالية في رباعي الاسطح الكربوني، هو المسؤول عن حقيقة أن الماس يتفوق في الصلابة على جميع المواد المعروفة. ولذلك، فإنه يستخدم على نطاق واسع في الصناعة؛ يتم استخدام ما يقرب من 80٪ من الماس المستخرج لأغراض فنية. يتم استخدامه لمعالجة المواد الصلبة المختلفة وحفر الصخور. على الرغم من صلابة الماس، إلا أنه هش أيضًا. يتم استخدام المسحوق الذي يتم الحصول عليه عن طريق طحن الماس لتلميع الأحجار الكريمة والماس نفسه. يُطلق على الماس الشفاف المصقول بشكل صحيح اسم الماس اللامع.

ونظرًا للقيمة الكبيرة للألماس، فقد جرت محاولات عديدة للحصول عليه صناعيًا من الجرافيت. ومع ذلك، لفترة طويلة انتهت هذه المحاولات بالفشل. فقط في عام 1955، باستخدام ضغط مرتفع جدًا (حوالي 10 10 باسكال) وتسخين طويل الأمد عند درجة حرارة حوالي 3000 درجة مئوية، تمكن العلماء الأمريكيون والسويديون في نفس الوقت من الحصول على الماس الاصطناعي. كما طور الاتحاد السوفييتي طريقة لإنتاج الماس الاصطناعي، وفي عام 1961 بدأوا الإنتاج الصناعي. بالإضافة إلى ذلك، في عام 1969، تم تصنيع بلورات الماس الشبيهة بالخيوط في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية، وتم الحصول عليها عند الضغط العادي.

أرز. 118. هيكل الجرافيت.

الشعيرات أو الشعيرات لها هيكل خالٍ تقريبًا من العيوب وله قوة عالية جدًا.

عند تسخينه بالأكسجين، يحترق الماس لتكوين ثاني أكسيد الكربون. إذا قمت بتسخين الماس كثيرا دون الوصول إلى الهواء، فإنه يتحول إلى الجرافيت.

الجرافيت عبارة عن بلورة ذات لون رمادي غامق ضعيفة تألق معدني. لديها شعرية الطبقات. جميع ذرات الكربون هنا في حالة تهجين sp2: كل واحدة منها تشكل ثلاث روابط تساهمية مع الذرات المجاورة، ودرجة الزوايا بين اتجاهات الرابطة تساوي 120 درجة مئوية. والنتيجة هي شبكة مسطحة مكونة من أشكال سداسية منتظمة، توجد في رؤوسها نوى ذرات الكربون؛ المسافة بين النوى المجاورة هي 0.1415 نانومتر.

تشارك ثلاثة إلكترونات من كل ذرة كربون في تكوين روابط ألفا. يحتل الإلكترون الرابع من الطبقة الخارجية المدار 2p، الذي لا يشارك في التهجين. يتم توجيه هذه السحب الإلكترونية غير الهجينة من ذرات الكربون بشكل عمودي على مستوى الطبقة، وتتداخل مع بعضها البعض، وتشكل روابط غير متمركزة. يظهر هيكل الجرافيت في الشكل. 118.

تقع الطبقات المتجاورة من ذرات الكربون في بلورة الجرافيت على مسافة كبيرة إلى حد ما من بعضها البعض (0.335 نانومتر)؛ ويشير هذا إلى انخفاض قوة الرابطة بين ذرات الكربون الموجودة في طبقات مختلفة. ترتبط الطبقات المتجاورة ببعضها البعض بشكل رئيسي بواسطة قوى فان دير فالس، ولكن جزء من الاتصال ذو طبيعة معدنية، أي بسبب "مشاركة" الإلكترونات بين جميع ذرات البلورة. وهذا ما يفسر الموصلية الكهربائية العالية نسبيا والتوصيل الحراري للجرافيت ليس فقط في اتجاه الطبقات، ولكن أيضا في الاتجاه العمودي عليها.

يتسبب الهيكل المدروس للجرافيت في تباين قوي لخصائصه. وبالتالي، فإن الموصلية الحرارية للجرافيت في اتجاه مستوى الطبقة هي 4.0 J/(cm·s·K)، وفي الاتجاه العمودي 0.79 J/(cm·s·K). المقاومة الكهربائية للجرافيت في اتجاه الطبقات أقل بـ 10 4 مرات منها في الاتجاه العمودي.

الطبقات الفردية من الذرات في بلورة الجرافيت، متصلة ببعضها البعض بشكل ضعيف نسبيًا، يمكن فصلها بسهولة عن بعضها البعض.

وهذا ما يفسر القوة الميكانيكية المنخفضة للجرافيت. إذا قمت بتمرير قطعة من الجرافيت على الورق، فإن بلورات الجرافيت الصغيرة التي تشبه الرقائق تلتصق بالورقة، مما يترك خطًا رماديًا عليها. هذا هو الأساس لاستخدام الجرافيت لصنع أقلام الرصاص.

في الهواء، لا يشتعل الجرافيت حتى مع الحرارة القوية، ولكنه يحترق بسهولة في الأكسجين النقي، ويتحول إلى ثاني أكسيد الكربون.

بسبب موصليته الكهربائية، يتم استخدام الجرافيت لصنع الأقطاب الكهربائية. تصنع البوتقات المقاومة للحريق لصهر المعادن من خليط من الجرافيت والطين. يعمل الجرافيت الممزوج بالزيت كمواد تشحيم ممتازة، حيث أن رقائقه التي تملأ مخالفات المادة تخلق سطحًا أملسًا يسهل الانزلاق. يستخدم الجرافيت أيضًا كمهدئ للنيوترونات في المفاعلات النووية.

بالإضافة إلى الجرافيت الطبيعي، يستخدم الجرافيت الاصطناعي أيضا في الصناعة. يتم الحصول عليها بشكل رئيسي من أفضل الأصناف فحم. ويحدث التحول عند درجات حرارة حوالي 3000 درجة مئوية في الأفران الكهربائية دون الوصول إلى الهواء. استنادا إلى المواد الطبيعية، وخاصة الجرافيت الاصطناعي، المستخدمة في الصناعة الكيميائية. نظرًا لمقاومتها الكيميائية العالية، يتم استخدامها في البطانات والأنابيب وما إلى ذلك.

الجرافيت مستقر من الناحية الديناميكية الحرارية على نطاق واسع من درجات الحرارة والضغوط، وخاصة في ظل الظروف العادية. في هذا الصدد، عند حساب الكميات الديناميكية الحرارية حالة قياسيةتم اعتماد جرافيت الكربون. الماس مستقر ديناميكيًا حراريًا فقط عند الضغوط العالية(فوق 10 9 باسكال). ومع ذلك، فإن معدل تحول الماس إلى جرافيت يصبح ملحوظًا فقط عند درجات حرارة أعلى من 1000 درجة مئوية، وعند 1750 درجة مئوية، يحدث تحول الماس إلى جرافيت بسرعة.

الكربون "غير المتبلور" (الفحم). عندما يتم تسخين المركبات المحتوية على الكربون دون الوصول إلى الهواء، فإنها تطلق كتلة سوداء تسمى الكربون "غير المتبلور" أو ببساطة الفحم. يتكون هذا الكربون من بلورات صغيرة ذات بنية غير منتظمة من الجرافيت. ويذوب الفحم في العديد من المعادن المنصهرة، مثل الحديد والنيكل والبلاتين. وتتراوح كثافة الفحم من 1.8 إلى 2.1 جم/سم3.

يختلف الفحم بشكل كبير في خصائصه حسب المادة التي يتم الحصول عليه منها وطريقة إنتاجه. بالإضافة إلى أنها تحتوي دائمًا على شوائب تؤثر بشكل كبير على خصائصها. أهم الدرجات الفنية للفحم: فحم الكوك، والفحم النباتي، وفحم العظام، والسخام.

يتم الحصول على فحم الكوك عن طريق التقطير الجاف للفحم. يتم استخدامه بشكل رئيسي في علم المعادن لصهر المعادن من الخامات.

أرز. 119. جهاز لتوضيح امتصاص الفحم للأمونيا.

يتم إنتاج الفحم عن طريق تسخين الخشب بدون هواء. في الوقت نفسه، يتم التقاط منتجات قيمة من التقطير الجاف - كحول الميثيل، حمض الاسيتيكإلخ. يستخدم الفحم في صناعة المعادن والحدادة.

نظرًا لبنيته المسامية، يتمتع الفحم بقدرة امتصاص عالية.

لملاحظة امتزاز الغازات بواسطة الفحم، سنقوم بالتجربة التالية. املأ أسطوانة زجاجية بالأمونيا واخفض نهايتها المفتوحة في كوب من الزئبق (الشكل 119). ثم، بعد تسخين قطعة من الفحم على الموقد، قم بغمرها في الزئبق ووضعها تحت فتحة أسطوانة الأمونيا. يطفو الفحم على سطح الزئبق الموجود في الأسطوانة، ويبدأ الزئبق على الفور في الارتفاع بسبب امتصاص الفحم للأمونيا.

يمتص الكربون المنشط الغازات بشكل جيد (ص 312). وتستخدم لامتصاص أبخرة السوائل المتطايرة من مخاليط الهواء والغاز، وفي أقنعة الغاز، وأيضا كمحفز في بعض الصناعات الكيميائية.

الفحم لديه القدرة على امتصاص ليس فقط الغازات، ولكن أيضًا المواد الذائبة. تم اكتشاف هذه الممتلكات الخاصة به في أواخر الثامن عشرالأكاديمي الروسي في القرن تي إي لوفيتز.

يتكون شار العظام من تفحم العظام منزوعة الدهن. ويحتوي على من 7 إلى 11% كربون، وحوالي 80% فوسفات الكالسيوم وأملاح أخرى. يتمتع فحم العظام بقدرة امتصاص عالية جدًا، خاصة فيما يتعلق بالأصباغ العضوية، ويستخدم لإزالة الأصباغ المختلفة من المحاليل.

السخام هو أنقى أنواع الكربون "غير المتبلور". في الصناعة، يتم الحصول عليه عن طريق التحلل الحراري للميثان، وكذلك عن طريق احتراق الراتنج وزيت التربنتين وغيرها من المواد الغنية بالكربون مع عدم وصول الهواء بشكل كاف. يستخدم أسود الكربون كطلاء أسود (حبر، حبر الطباعة)، وكذلك في إنتاج المطاط كمكون له.

<<< Назад

إلى الأمام >>>

الكربون قادر على تشكيل العديد من التعديلات المتآصلة. هذه هي الماس (تعديل التآصل الأكثر خاملة) والجرافيت والفوليرين والكارباين.

الفحم والسخام هما كربون غير متبلور. الكربون في هذه الحالة ليس له بنية منظمة ويتكون في الواقع من أجزاء صغيرة من طبقات الجرافيت. ويسمى الكربون غير المتبلور المعالج ببخار الماء الساخن بالكربون المنشط. 1 جرام من الكربون المنشط لوجود العديد من المسام فيه تبلغ مساحة سطحه الإجمالية أكثر من ثلاثمائة متر مربع! نظراً لقدرته على امتصاص المواد المختلفة كربون مفعليستخدم على نطاق واسع كحشو مرشح، وأيضا كمادة معوية لأنواع مختلفة من التسمم.

من وجهة نظر كيميائية، الكربون غير المتبلور هو الشكل الأكثر نشاطا، والجرافيت يظهر نشاطا معتدلا، والماس مادة خاملة للغاية. لهذا السبب، فإن الخواص الكيميائية للكربون التي تمت مناقشتها أدناه يجب أن تعزى في المقام الأول إلى الكربون غير المتبلور.

تقليل خصائص الكربون

كعامل اختزال، يتفاعل الكربون مع غير المعادن مثل الأكسجين والهالوجينات والكبريت.

اعتمادًا على زيادة أو نقص الأكسجين أثناء احتراق الفحم، من الممكن تكوين أول أكسيد الكربون CO أو ثاني أكسيد الكربون CO 2:

عندما يتفاعل الكربون مع الفلور يتكون رباعي فلوريد الكربون:

عند تسخين الكربون مع الكبريت يتكون ثاني كبريتيد الكربون CS 2:

الكربون قادر على اختزال المعادن بعد الألومنيوم في سلسلة النشاط من أكاسيدها. على سبيل المثال:

يتفاعل الكربون أيضًا مع الأكاسيد المعادن النشطةومع ذلك، في هذه الحالة، كقاعدة عامة، لا يتم ملاحظة اختزال المعدن، ولكن تكوين كربيده:

تفاعل الكربون مع أكاسيد غير معدنية

يدخل الكربون في تفاعل التناسب المشترك مع ثاني أكسيد الكربون CO 2:

من أهم العمليات من وجهة نظر صناعية ما يسمى ب تحويل الفحم بالبخار. وتتم العملية عن طريق تمرير بخار الماء عبر الفحم الساخن. يحدث التفاعل التالي:

في درجة حرارة عاليةالكربون قادر على تقليل حتى مركب خامل مثل ثاني أكسيد السيليكون. في هذه الحالة، اعتمادا على الظروف، من الممكن تشكيل السيليكون أو كربيد السيليكون ( كاربورندوم):

كما يتفاعل الكربون كعامل اختزال مع الأحماض المؤكسدة، وخاصة أحماض الكبريتيك والنيتريك المركزة:

الخصائص التأكسدية للكربون

العنصر الكيميائي الكربون ليس عالي السالبية الكهربية، لذلك نادرًا ما تظهر المواد البسيطة التي يتكون منها خصائص الأكسدةفيما يتعلق بغير المعادن الأخرى.

مثال على هذه التفاعلات هو تفاعل الكربون غير المتبلور مع الهيدروجين عند تسخينه في وجود محفز:

وأيضا مع السيليكون عند درجة حرارة 1200-1300 درجة مئوية:

يُظهر الكربون خصائص مؤكسدة فيما يتعلق بالمعادن. الكربون قادر على التفاعل مع المعادن النشطة وبعض المعادن متوسطة النشاط. تحدث التفاعلات عند تسخينها:

يتم تحلل كربيدات المعادن النشطة بالماء:

وكذلك محاليل الأحماض غير المؤكسدة:

في هذه الحالة، تتشكل الهيدروكربونات المحتوية على الكربون في نفس حالة الأكسدة الموجودة في الكربيد الأصلي.

الخواص الكيميائية للسيليكون

يمكن أن يوجد السيليكون، مثل الكربون، في صورة بلورية و حالة غير متبلورةوكما هو الحال في حالة الكربون، فإن السيليكون غير المتبلور أكثر نشاطًا كيميائيًا من السيليكون البلوري.

في بعض الأحيان يُطلق على السيليكون غير المتبلور والبلوري اسم التعديلات المتآصلة، وهو أمر ليس صحيحًا تمامًا بالمعنى الدقيق للكلمة. السيليكون غير المتبلور هو في الأساس تكتل من مواقع عشوائية بالنسبة لبعضها البعض جزيئات صغيرة جداالسيليكون البلوري.

تفاعل السيليكون مع مواد بسيطة

غير المعادن

في الظروف العادية، يتفاعل السيليكون، بسبب خموله، مع الفلور فقط:

يتفاعل السيليكون مع الكلور والبروم واليود فقط عند تسخينه. ومن المميزات أنه، اعتمادًا على نشاط الهالوجين، يلزم وجود درجة حرارة مختلفة مماثلة:

لذلك يحدث التفاعل مع الكلور عند درجة حرارة 340-420 درجة مئوية:

مع البروم – 620-700 درجة مئوية:

مع اليود – 750-810 درجة مئوية:

يحدث تفاعل السيليكون مع الأكسجين ولكنه يتطلب تسخينًا قويًا جدًا (1200-1300 درجة مئوية) نظرًا لأن طبقة الأكسيد القوية تجعل التفاعل صعبًا:

عند درجة حرارة 1200-1500 درجة مئوية، يتفاعل السيليكون ببطء مع الكربون على شكل جرافيت لتكوين الكربوروندوم SiC - وهي مادة ذات شبكة بلورية ذرية تشبه الماس ولا تقل قوتها تقريبًا عن ذلك:

لا يتفاعل السيليكون مع الهيدروجين.

المعادن

نظرًا لانخفاض السالبية الكهربية، يمكن للسيليكون أن يظهر خصائص مؤكسدة تجاه المعادن فقط. من بين المعادن، يتفاعل السيليكون مع المعادن النشطة (القلوية والقلوية الأرضية)، بالإضافة إلى العديد من المعادن ذات النشاط المتوسط. ونتيجة لهذا التفاعل تتشكل مبيدات السيليكات:

تفاعل السيليكون مع المواد المعقدة

لا يتفاعل السيليكون مع الماء حتى عند غليه، ومع ذلك، يتفاعل السيليكون غير المتبلور مع بخار الماء المسخن عند درجة حرارة حوالي 400-500 درجة مئوية. في هذه الحالة، يتم تشكيل الهيدروجين وثاني أكسيد السيليكون:

من بين جميع الأحماض، يتفاعل السيليكون (في الحالة غير المتبلورة) فقط مع حمض الهيدروفلوريك المركز:

يذوب السيليكون في المحاليل المركزةالقلويات. ويرافق التفاعل إطلاق الهيدروجين.

ولاية مؤسسة تعليمية مدرسة شاملةرقم 89 منطقة كالينينسكي في سانت بطرسبرغ
مدرس الكيمياء: يوليا فلاديسلافوفنا مالينوفسكايا
ملخص الدرس حول موضوع: "موقع الكربون والسيليكون في الجدول الدوري العناصر الكيميائية، الخصائص المقارنة لهذه العناصر. تآصل الكربون."
فصل: الصف التاسع
هدف:تهيئة الظروف لتنظيم وتعميق معرفة الطلاب حول بنية الذرات والعلاقة بين التركيب - البنية - خصائص المواد

مهام:

التعليمية:

تعميم وتعميق معرفة الطلاب حول بنية الذرات حسب موقعها في الجدول الدوري؛ العلاقات بين التركيب والبنية وخصائص المواد باستخدام مثال التعديلات المتآصلة للكربون
توسيع الآفاق الثقافية العامة للطلبة

التعليمية:

تنمية مهارات التحليل والمقارنة واستخلاص النتائج وإقامة العلاقات

التعليمية:

الكشف عن الأفكار الأيديولوجية حول العلاقة بين تكوين المواد وبنيتها وخصائصها؛ التعليم فكريا شخصية متطورة; تعزيز ثقافة التواصل

نوع الدرس: بواسطة الغرض التعليمي- تحسين وتطبيق المعرفة؛ بطريقة التنظيم - تطبيق المعرفة والتعرف على المواد الجديدة
التقنيات التعليمية المستخدمة:

معلومة
التكنولوجيا لتحديث التجربة الشخصية
استهداف التكنولوجيا التطور المعرفيشخصيات

شكل من أشكال السلوك: مزيج من المحادثة والنشاط المستقل
معدات:جهاز كمبيوتر, عرض الكمبيوتر، المجموعة: "أنواع الفحم"، عينات من الشبكات البلورية للألماس والجرافيت.
مرحلة الدرس 1

التنظيمية. الإعلان عن موضوع الدرس.
مرحبًا! اليوم في الفصل سنتحدث عن عنصرين كيميائيين.

أسماء هذه العناصر تأتي من الكلمات اللاتينية "carbo" و"lapis cremans". (يفهم الطلاب ذلك على الفور سنتحدثحول الكربون والسيليكون.).

"كاربو" - "كاربونيوم" - يعني "الفحم" - الكربون، و"اللازورد كريمان" - الحجر الذي يعطي النار - السيليكون.

سنحتاج اليوم في الدرس إلى تقديم وصف مقارن لهذه العناصر، باستخدام المعرفة المكتسبة مسبقًا.

يكتب الطلاب في دفاتر الملاحظات موضوع الدرس: " الخصائص المقارنةعناصر الكربون والسيليكون."

المقارنة تعني اختيار معايير المقارنة أولاً. من فضلك قل لي ما هي المعايير التي تعتقد أننا يجب أن نقارنها. يجيب الطلاب: الموقع في PS، بنية الذرات، إمكانيات التكافؤ، حالة الأكسدة، الخ.

مرحلة الدرس 2

باستخدام المعرفة حول بنية الذرات، وخصائص العناصر حسب موضعها في PS، يقوم الطلاب بملء المعلومات بشكل مستقل جدول المقارنة № 1.

جدول رقم 1. الخصائص المقارنة لعنصري الكربون والسيليكون

معايير المقارنة	مع كربون	سي السيليكون
المنصب في PS	الفترة الثانية، المجموعة الرابعة، المجموعة الفرعية الرئيسية (أ)	الفترة الثالثة، المجموعة الرابعة، المجموعة الفرعية الرئيسية (أ)
التركيب الذري	Z i =+6، p=6، e=6، n=12-6=6، e خارجي=4	Z i =+14، p=14، e=14، n=28-14=14، e خارجي=4
التكوين الإلكتروني للذرات	1س 2 2س 2 2ف 2	1س 2 2س 2 2ف 6 3ث 2 3ف 2
إمكانيات التكافؤ	II في حالة ثابتة الرابع في حالة متحمس
حالات الأكسدة المحتملة	-4 إلى +4 CH 4، C 2 H 6، C 2 H 4، CaS 2، C، ج 2 ف 2، كو، ج 2 ف 6، كو 2	-4, 0, +2, +4 ملغ 2 سي، سي، شافي، شافي 2
نصف القطر الذري	يزيد
السالبية الكهربية (مقياس بولينج)	2,5	1,9
صيغة الأكسيد العالي وطبيعته واسمه	ثاني أكسيد الكربون – حمضي، أول أكسيد الكربون (IV)، ثاني أكسيد الكربون، ثاني أكسيد الكربون	SiO 2 – الحمضية، وأكسيد السيليكون (IV)
معادلة هيدروكسيد أعلى، شخصيته، اسمه	H 2 CO 3 - حمض ضعيف غير مستقر (CO 2 + H 2 O)، أملاح - كربونات	ح 2 شافي 3 – حمض ضعيف، له بنية بوليمر (SiO 2 nH 2 O) والأملاح عبارة عن سيليكات
اتصال الهيدروجين	CH 4 - الميثان	SiН 4 – سيلاني (غير مستقر)
في الطبيعة	عنصر أساسي من المواد العضوية	العنصر الأكثر وفرة (بعد الأكسجين). قشرة الأرض

في نهايةالمطاف عمل مستقلبعد ملء الجدول، يقوم الجميع مع المعلم بملء الجدول المكتوب مسبقًا على السبورة. في عملية ملء الاستبيان معًا، يقوم الطلاب مع المعلم بملاحظة ونطق بعض ميزات العناصر التي يجب الانتباه إليها:

في جميع مركباتها تقريبا، يكون الكربون والسيليكون رباعي التكافؤ، أي. ذرات هذه العناصر تكون في حالة مثارة. يعرض المعلم (الطالب) هذا على السبورة:

يرجع تنوع حالات الأكسدة لذرات الكربون إلى وجود مركبات عضوية؛ وفي المواد غير العضوية تكون حالات الأكسدة المميزة لها هي: -4، 0، +2، +4
الفرق المميز بين الكربون والسيليكون هو قدرة الكربون على تكوين سلاسل. تتحد ذرات الكربون مع بعضها البعض لتكوين مركبات مستقرة، بينما تكون مركبات السيليكون المشابهة غير مستقرة.

مرحلة الدرس 3

من خصائص العناصر الكيميائية إلى المواد البسيطة.
العمل مع العرض التقديمي للكمبيوتر.

تتميز ذرات الكربون بالتآصل. يتذكر الطلاب تعريف المفهوم - "التآصلية". يسأل المعلم: ما هي العناصر الكيميائية التي سبق دراستها؟ تعديلات تآصلية?».

يعطي الطلاب أمثلة: عنصر الأكسجين (O) – O 2 – الأكسجين، O 3 – الأوزون؛ عنصر الكبريت (S) – الكبريت البلوري والبلاستيك.
بعد ذلك، يسأل المعلم الطلاب عما إذا كانوا يعرفون التعديلات المتآصلة للكربون.

يوجد الكربون في صورة المواد البسيطة التالية: الماس، الجرافيت، الكارباين، الفوليرين. يمكن اعتبار الفحم والسخام من أنواع الجرافيت.

الفحم ذو أهمية.

لقد كنت على دراية به بالفعل بدائية: وجده في مواقع الحرائق وبعد الحرائق التي أحدثها. الفحم مسامي للغاية ولا يغرق. في عام 1785، سكب العالم والكيميائي توفيوس لويتز بطريق الخطأ حمض الطرطريك (بني اللون بسبب الشوائب) على خليط من الرمل والفحم. قام لوفيتز بجمع المحلول المسكوب وتصفيته من الرمل والفحم. تبقى مادة عديمة اللون في الفلتر. اتضح أن الفحم يمتص الشوائب الموجودة في حمض الطرطريك. وهكذا تم اكتشاف ظاهرة تسمى الامتزاز.

الامتزاز– خصائص الفحم والمواد الصلبة الأخرى في الاحتفاظ بالغازات والمواد الذائبة على سطحها. تسمى المواد التي يحدث الامتزاز على سطحها بالمواد الماصة.

يتم تحديد امتزاز الفحم من خلال مساميته. كلما زادت المسام، كلما كانت قدرة الامتصاص للفحم أفضل. لكن، عادة، تمتلئ مسام الفحم مواد مختلفة. لتنظيفها، يتم تسخين الفحم في تيار من بخار الماء. ويسمى هذا الكربون، مع المسام النظيفة، المنشط.

أولاً الحرب العالميةلقد وجدت ظاهرة الامتزاز تطبيقًا في الحرب ضد عوامل الحرب الكيميائية. تم استخدام الكلور (الغاز الخانق) في عام 1915 الجبهة الغربيةبالقرب من مدينة إيبرس ضد القوات الأنجلو-فرنسية. حرم هجوم الكلور فرقة بأكملها من الفعالية القتالية (تم إبعاد 15 ألف شخص عن القتال، وقتل 5 آلاف).

اخترع البروفيسور الروسي نيكولاي زيلينسكي (الأكاديمي لاحقًا) واختبر في يوليو 1915 قناع غاز يعمل على أساس ظاهرة الامتزاز.

يشكل السيليكون مادة بسيطة - السيليكون البلوري. هناك أيضًا مسحوق السيليكون غير المتبلور أبيض.
بعد ذلك، يتوقف المعلم ويشير الخصائص الفيزيائيةكل مادة بسيطة تتكون من ذرات الكربون (الشرائح).

يلفت المعلم انتباه الطلاب إلى حقيقة أن الماس والجرافيت، المكونين من ذرات الكربون، لهما خصائص فيزيائية مختلفة. لماذا؟ (لا يتمكن الطلاب دائمًا من الإجابة على هذا السؤال). يلفت المعلم الانتباه إلى الهياكل المختلفة للشبكات البلورية للماس والجرافيت.

في بلورة الماس، تشكل كل ذرة كربون أربع روابط تساهمية قوية، وهي موجهة نحو رؤوس رباعي الاسطح، وجميع المسافات بين الذرات واحدة. في الجرافيت، تكون المسافة بين الذرات في الطبقة أصغر بكثير من المسافة بين الطبقات (عينات من الشبكات البلورية).

مرحلة الدرس 4
هدفها: توسيع الآفاق الثقافية العامة للطلبة وتأسيسها اتصالات متعددة التخصصاتالكيمياء مع التاريخ.

في الدرس السابق مثل العمل في المنزلدعا المعلم الطلاب للعثور على حقائق مثيرة للاهتمام حول تاريخ الماس وإعداد خطاب باستخدام عرض تقديمي بالكمبيوتر.

إذا كان هناك طلاب أكملوا المهمة، يعطيهم المعلم الكلمة، وإذا لم يكن الأمر كذلك، فإنه يخبرهم ويظهر عرضه التقديمي.

مرحلة الدرس 5

تلخيص. انعكاس.
يجيب الطلاب على الأسئلة:

ما هي المفاهيم الجديدة التي تعلمتها في الدرس؟

ما هي الأسئلة التي تسببت في صعوبات؟ وما إلى ذلك وهلم جرا.

يمنح المعلم درجات للطلاب الذين أظهروا معرفة جيدة وممتازة أثناء الدرس وكانوا نشيطين.

فهرس:

ليفكين أ.ن. عام و الكيمياء غير العضوية: مواد الامتحانات. – سانت بطرسبورغ: “باريت”، 2003 – 240 ص.
مالينوفسكايا يو.في. كيمياء. الصف السادس / الدورة التمهيدية. - سانت بطرسبرغ: شركة Ikar LLP، 2002، - 76 ص.
Taube P. R.، Rudenko E. I. من الهيدروجين إلى نوبليوم؟ – م : الدولة . دار نشر " تخرج من المدرسه"، 1961 - 330 ص.
الكيمياء: كتاب مدرسي للصف التاسع للتعليم العام. uch./ رودزيتيس جي إي، فيلدمان إف جي. – الطبعة الحادية عشرة. بير. – م: التربية، 2010

خطة درس مختصرة في الكيمياء حول موضوع "موقع الكربون والسيليكون في أحداث الاحتواء المتعلقة بسلامة العمليات، وبنية ذراتهما. الكربون والتآصل والخواص الفيزيائية والكيميائية" للصف التاسع، الدراسة وفقًا للمواد التعليمية لرودزيتيس لمدة ساعتين في الأسبوع.

تحميل:

معاينة:

الدرس 27

موقع الكربون والسيليكون في أحداث الاحتواء المتعلقة بسلامة العمليات، وبنية ذراتهما. الكربون، الخواص، الخواص الفيزيائية والكيميائية

أهداف الدرس:

1. وصف موضع الكربون والسيليكون في أحداث الاحتواء المتعلقة بسلامة العمليات، وبنية ذراتهما، ووصف التعديلات المتآصلة للكربون، وخصائصه الفيزيائية والكيميائية(نتيجة الموضوع).

2. الاستمرار في تطوير القدرة على توليد الأفكار وتحديد علاقات السبب والنتيجة والبحث عن المقارنات والعمل ضمن فريق واستخدام مصادر بديلةمعلومة(نتيجة موضوع التعريف).

3. تكوين المهارات اللازمة لإدارة أعمالك الأنشطة التعليمية، التحضير لفهم اختيار المسار التعليمي الإضافي(نتيجة شخصية).

خلال الفصول الدراسية

الاستعداد لإدراك المواد الجديدة (10 دقائق)

استبيان للطلاب حول الواجبات المنزلية.

تعلم مواد جديدة (20 دقيقة)

الكربون والسيليكون في المجموعة الرابعة المجموعة الفرعية الرئيسية الجدول الدوري. الصيغة الإلكترونية والإلكترونية الرسومية. التكافؤ، حالات الأكسدة.

تآصل الكربون: الماس، الجرافيت، الكارباين، الفوليرين.

مظاهرة "الشبكات البلورية من الماس والجرافيت"، "مقدمة ل أنواع مختلفةوقود."

الخواص الكيميائية للكربون:

آي سي مواد بسيطة:

1. احتراق الكربون: أ) 2C + O 2 (غير كافية) = 2СО، ب) C + O 2 (ز) = ثاني أكسيد الكربون 2

2. مع غير المعادن: أ) C + 2F 2 = CF 4، ب) C + S = CS 2، ج) C + H 2 = CH 4

3. مع المعادن: أ) Ca + 2C = CaC 2، ب) 4Fe + 3C = آل 4 ج 3

ثانيا. مع المواد المعقدة:

1. اختزالي من أكاسيدها: 2СuO + C = 2Cu + CO 2

2. مع البخار: C + H 2O = CO + H2 (أعلى من 1200 درجة مئوية)

C + 2H2O = CO2 + 2H2 (حوالي 10000C)

الرصاص. كل منهم ينتمي إلى ر-العناصر، منذ أن تم الانتهاء منها ر- الغلاف الإلكتروني للطبقة الخارجية (الجدول 15).

توزيع الإلكترونات مستويات الطاقةفي ذرات الكربون والسيليكون الجدول 15

عنصر

تهمة الأساسية

عدد الإلكترونات في مستويات الطاقة

نصف القطر الذري، Å

0,77

1,17

1,22

1,40

1,46

مع زيادة الشحنة النووية، يزداد نصف قطر الذرة وتنخفض السالبية الكهربية بشكل ملحوظ. وفي هذا الصدد، تزداد الخصائص المعدنية بشكل ملحوظ من الكربون إلى الرصاص. وبالتالي، فهو يتمتع بخصائص معدنية محددة جيدًا، في حين أنه يعتبر غير معدني.
تساهم الطبقة الخارجية المكونة من أربعة إلكترونات ونصف القطر الذري الصغير للكربون والسيليكون في التكوين الروابط التساهميةوالتي تعتبر نموذجية لهذه العناصر. من مميزات كل من الكربون والسيليكون القدرة على تكوين سلاسل طويلة من الذرات تحمل نفس الاسم، مما يؤدي إلى مجموعة واسعة من المواد العضوية والسيليكون العضوي. الكربون ويمكن أن يشكل رابطتين أو أربع روابط تكافؤ. الدرجة القصوىأكسدة عناصر المجموعة الفرعية الرئيسية للمجموعة الرابعة هي +4. يشير هذا إلى أنه من الممكن بشكل مشروط أن تتخلى ذراتها عن 4 إلكترونات، كما أنها غير قادرة على قبول أكثر من إلكترونات في الطبقة الخارجية. في تفاعلات الأكسدة والاختزال يتصرفون كعوامل اختزال.

أعلى هذه العناصر تظهر خصائص حمضية. وهي تتوافق مع الأحماض، وهي إلكتروليتات ضعيفة جدًا. يشير هذا إلى أنه من بين المجموعات الفرعية الرئيسية للمجموعات من الرابع إلى السابع، تجمع المجموعة الفرعية الكربونية بين العناصر ذات الخصائص غير المعدنية الأقل وضوحًا. تتناقص قوة الهيدريدات المتطايرة بشكل ملحوظ من الكربون CH4 إلى الرصاص PbH4. من المستحيل عدم ملاحظة طبيعة خصائص الأكاسيد التي تظهر فيها العناصر حالة أكسدة +2. إذا قام الكربون بتكوين أكسيد CO غير الملح، فإن أكسيد الرصاص PbO قد أظهر خصائص مذبذبة.

■ 1. من بين عناصر مجموعة الكربون وضح:
أ) العنصر الأصغر نصف القطر الذري;
ب) عنصر ذو خصائص معدنية أكثر وضوحا؛
ج) صيغ أكاسيد أعلى من عناصر مجموعة الكربون؛
د) الصيغ العليا أحماض الأكسجينالمقابلة للأكاسيد المذكورة ؛
ه) صيغ الأكاسيد السفلية؛
و) التغير في ثبات مركبات الهيدروجين المتطايرة (اكتب سلسلة من الصيغ واستخدم السهم للإشارة إلى اتجاه الانخفاض في الثبات).

كربون

الوزن الذري للكربون هو 12.011. تحتوي طبقة الإلكترون الخارجية لذرة الكربون على 4 إلكترونات، وتكوينها الإلكتروني هو 2s 2 2p 2، وتوزيع الإلكترونات بين المدارات.

من بين عناصر المجموعة الفرعية هناك الكربون أعلى قيمةكهرسلبية.
يحتوي الكربون على ثلاثة تعديلات متآصلة - والكربون غير المتبلور. ويوجد في الطبيعة، ولا يمكن الحصول على الكربون غير المتبلور إلا بشكل مصطنع.
- صعب مادة بلورية، حرارية وقليلة النشاط كيميائياً. الماس النقي عبارة عن بلورات شفافة عديمة اللون. ومن بين المعادن، يتمتع الماس بأعلى صلابة، أي ما يعادل 10، وكثافته 3.514. يتم تفسير هذه الصلابة العالية من خلال بنية شبكتها البلورية من النوع الذري، حيث توجد ذرات الكربون على نفس المسافة من بعضها البعض (انظر الشكل 11).
نظرًا لصلابته، يستخدم الماس على نطاق واسع في قطع الزجاج، وحفر الصخور الصلبة، وفي آلات سحب الأسلاك، وأقراص الطحن، وما إلى ذلك. ولهذه الأغراض، يتم استخدام الماس الملوث بشوائب مختلفة.
يتم قطع وصقل البلورات النقية عديمة اللون بمسحوق الماس وتحويلها إلى ألماس. كلما زاد عدد الجوانب، كلما كان "اللعب" أفضل للماس. غالبًا ما يكون الماس صغيرًا، ويُقاس وزنه بالقيراط (1 قيراط يساوي 0.2 جرام). ولكن هناك أيضًا ماسات كبيرة.
- معدن بلوري ناعم، في الشبكة البلورية تكون المسافة بين ذراته هي نفسها في اتجاهين فقط، وفي الاتجاه الثالث تكون أكبر بكثير. وهذا يجعل بلورات الجرافيت هشة والمعدن نفسه ناعمًا. صلابة الجرافيت 1، والكثافة 2.22، ونقطة الانصهار حوالي 3000 درجة. يتمتع الجرافيت بموصلية كهربائية جيدة، لذلك يتم استخدامه لتصنيع الأقطاب الكهربائية والألواح للحمامات الإلكتروليتية. يعتبر مسحوق الجرافيت الممزوج بالزيوت المعدنية مادة تشحيم جيدة. وبما أن الجرافيت أكثر ليونة من الورق ويمكن أن يترك علامة عليه، فإنه يستخدم لصنع أقلام الرصاص والحبر وحبر الطباعة وورق النسخ. تسمح المقاومة الحرارية العالية للجرافيت باستخدامه في صنع بوتقات مقاومة للحريق. يمكن الحصول على الجرافيت بشكل مصطنع عن طريق تسخين فحم الكوك إلى 2500-3000 درجة مئوية.

■ 2. ما هو النوع المشابك الكريستاللديك الماس والجرافيت؟

3. اشرح من حيث المصطلحات التكوين الإلكترونيةالطبقات الإلكترونية، لماذا يمكن للكربون أن يشكل روابط تكافؤ ثنائية وأربعة.

هناك رأي مفاده أن الكربون غير المتبلور المنتج صناعيًا (السخام والفحم) ليس تعديلًا متآصلًا مستقلاً، نظرًا لأن تركيبه البلوري الدقيق هو نفس تركيب الجرافيت.
يتم الحصول على الكربون غير المتبلور على شكل فحم عن طريق التقطير الجاف للخشب على شكل كتلة خفيفة جدًا وهشة ومسامية. بنية الكربون غير المتبلور تشبه إلى حد كبير بنية الجرافيت، ولكن البلورات الموجودة فيه مرتبة بشكل عشوائي.
يسبب السطح الضخم للفحم ظاهرة الامتصاص المميزة. تجذب جزيئات الكربون الموجودة على سطح قطعة الفحم جزيئات المواد من بيئتها، متغلبة على طاقة الحركة الحرارية للجزيئات. من الواضح أنه كلما كان السطح أكبر، كلما أصبح أقوى، وبالتالي يتم امتصاص المادة الماصة المسحوقة بشكل أفضل. إذا طحنت الفحم جيداً ثم وضعته تحت غطاء يحتوي على بخار البروم، ستلاحظ كيف يضعف لون البروم تدريجياً ويختفي في النهاية.

إذا تم رج مسحوق الفحم في أنبوب اختبار بمحلول برمنجنات البوتاسيوم أو الفوكسين أو صبغة الشاي، فسرعان ما يتغير لون هذه المحاليل. إذا قمت بغلي المادة الممتزة مع المادة الممتزة على سطحها ماء نظيف، فيظهر لون المحلول مرة أخرى الحركة الحراريةتتكثف الجزيئات وتخرج من سطح المادة المازة - ويحدث الامتزاز.
وتجدر الإشارة أيضًا إلى أن ظاهرة الحفز التي تمت مناقشتها أعلاه، ترتبط ارتباطًا وثيقًا بظاهرة الامتزاز.

■ 4. ما هي الظاهرة التي تسمى الامتزاز؟
5. أين تتم ظاهرة الامتزاز غير العمليات المرتبطة بالفحم؟
6. إعطاء تفسير لظاهرة الامتزاز وبيان الأسباب المساهمة في حدوث هذه الظاهرة.

عند معالجتها ببخار الماء شديد السخونة، تتم إزالة الشوائب الأجنبية التي توجد أحيانًا هناك من مسام الفحم، وتزداد مسامية الفحم. ويسمى هذا النوع من الكربون بالكربون المنشط.

يستخدم الكربون المنشط على نطاق واسع جدًا، على وجه الخصوص، في قناع الغاز، الذي اقترحه الأكاديمي لأول مرة. ن.د. زيلينسكي لحماية الجهاز التنفسي من الغازات السامة الموجودة في الهواء. لأول مرة تم استخدام قناع الغاز هذا خلال الحرب العالمية الأولى (الشكل 64). يتكون قناع الغاز من قناع مطاطي أو خوذة يتم تثبيتها بإحكام حول الوجه والرأس، وأنبوب مطاطي مموج يربط القناع بصندوق يحتوي على عوامل تنقية الهواء.

يسمح نظام الصمام بدخول الهواء المستنشق إلى القناع فقط من خلال الصندوق، وهواء الزفير مباشرة إلى المساحة المحيطة. يحتوي صندوق قناع الغاز على مرشح مضاد للدخان مرتب في طبقات يحبس الجزيئات الصلبة والقطيرات، وممتص كيميائي يربط المواد السامة التي تدخل الصندوق كيميائيًا، والكربون المنشط.
يُعطى الكربون المنشط أحيانًا على شكل معلق في الماء عن طريق الفم في حالة دخول مواد سامة إلى المعدة. يستخدم الفحم أيضًا لصنع مسحوق أسود.
يستخدم الكربون غير المتبلور في شكل فحم الكوك في علم المعادن. يتم إنتاج فحم الكوك في أفران فحم الكوك من الفحم. وهي مادة صلبة مسامية وهي عبارة عن كربون نقي تقريبًا. يعد فحم الكوك بمثابة وقود ممتاز وعامل اختزال جيد.

أرز. 64.جهاز قناع الغاز من تصميم N. D. Zelinsky. 1-خوذة؛ 2 - أنبوب مموج. 3 - صمام الزفير. 4 - صندوق التصفية. 5 - الكربون المنشط. 6 - ماص كيميائي. 7 - فلتر ضد الدخان .

يتم إنتاج السخام عن طريق الاحتراق المواد الغازيةمع نسبة عاليةمحتوى الكربون. في شكل السخام، يستخدم الكربون غير المتبلور على نطاق واسع في صناعة المطاط وفي صناعة الطباعة لإنتاج حبر الطباعة. يتم إنتاج السخام عالي الجودة عن طريق حرق الوقود الغازي مثل الأسيتيلين.

■ 7. قم بإعداد وتعبئة الجدول التالي:

الخواص الكيميائية للكربون

وتجدر الإشارة إلى أن الخاصية الرئيسية للكربون هي قدرته على الاختزال. يعتبر الكربون أحد أفضل عوامل الاختزال. إنه يقلل بسهولة من أكاسيدها عند تسخينها:

ويحترق بسهولة في الأكسجين لتكوين أول أكسيد الكربون أو ثاني أكسيد الكربون
2C + O2 = 2СО —

ج + O2 = ثاني أكسيد الكربون
عند خلطه مع المعادن، يشكل الكربون كربيدات، والتي لها بنية جزيئية فريدة جدًا. على سبيل المثال، يحتوي كربيد الكالسيوم CaC2، والذي يستخدم على نطاق واسع بشكل خاص في التكنولوجيا، على البنية التالية:

يتحد الكربون مع الهيدروجين فقط عند درجة حرارة حوالي 1200 درجة مئوية، ليشكل المركب العضوي الميثان CH4:
ج + 2H2 = CH4

■ 8. احسب كمية النحاس التي يمكن اختزالها من أكسيده CuO باستخدام 24 كجم من الكربون إذا كان فقدان النحاس 5%.

عند مرور بخار الماء شديد السخونة عبر الفحم الساخن، يتم اختزال الأخير من الماء، مما يؤدي إلى تكوين غاز الماء:
C + H2O = CO + Na
غاز الماء
على الرغم من قدرة الكربون العالية على الاختزال، إلا أن استخدامه كعامل اختزال ليس مناسبًا دائمًا، لأنه كذلك صلب. إنه أكثر ملاءمة لاستخدام عوامل الاختزال الغازية. ومن ثم يصبح الاتصال بين عامل الاختزال والمادة التي يتم اختزالها أكثر اكتمالاً. وفي هذا الصدد، ينصح بتحويل الكربون إلى أول أكسيد الكربون، مما يحافظ عليه الخصائص التصالحيةوكونه في نفس الوقت مادة غازية.

■ 9. ما حجم غاز الماء (في الظروف العادية) الذي يمكن الحصول عليه عن طريق تمرير بخار الماء خلال 5 جرام من ذرات الكربون؟
10. تم تكليس نترات النحاس حتى توقف تطور الغاز البني تماما، وبعد ذلك تم خلطه مع الفحم المسحوق وتكلسه مرة أخرى. ماذا حدث نتيجة رد الفعل؟ أعط إجابتك مع تبريرها بمعادلات التفاعل.

أكاسيد الكربون

هناك نوعان من أكاسيد الكربون المعروفة التي تظهر فيها درجات مختلفةالأكسدة: ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون.
أول أكسيد الكربون (II) CO أو كما يطلق عليه، أول أكسيد الكربونيمثل غاز عديم اللونعديم الرائحة. نقطة الغليان -191.5 درجة مئوية. وهو أخف قليلاً من الهواء وهو سام للغاية. تفسر سمية أول أكسيد الكربون بحقيقة أنه بالاشتراك مع الهيموجلوبين في الدم، الذي يتلامس معه عند دخوله إلى الرئتين، فإنه يشكل كربوكسي هيموجلوبين، وهو مركب قوي ليس لديه القدرة على التفاعل مع الأكسجين . وبذلك يتم عجز الهيموجلوبين في الدم، وفي حالة التسمم الشديد قد يموت الإنسان بسببه. مجاعة الأكسجين. يمكن أن يدخل أول أكسيد الكربون إلى غرفة يتم تسخينها بواسطة المواقد إذا تم إغلاق المدخنة في وقت مبكر جدًا ودخل أول أكسيد الكربون غير المحترق إلى غرفة المعيشة.

الخصائص الكيميائية لأول أكسيد الكربون متنوعة للغاية. وهو غاز قابل للاشتعال يحترق بسهولة بلهب أزرق في الأكسجين والهواء لتكوين ثاني أكسيد الكربون:
2CO + O2 = 2CO2
يتأكسد الكربون في هذا التفاعل، وينتقل من C +2 إلى C +4، أي أنه يظهر خصائص اختزالية. ولذلك، يمكن استخدام أول أكسيد الكربون كعامل اختزال. في الواقع، يمكن اختزال أول أكسيد الكربون من الأكاسيد:
FeO + CO = CO2 + Fe

وتجدر الإشارة أيضًا إلى أن أول أكسيد الكربون هو أكسيد لا يشكل الملح.

■ 11. يمكن لعنصر الرصاص Pb، الذي ينتمي أيضًا إلى المجموعة الفرعية الرئيسية للمجموعة IV، أن يشكل أكسيدًا يظهر فيه حالة أكسدة تبلغ +2؛ يمكن للكربون أيضًا أن يشكل أكسيدًا، حيث يُظهر نفس حالة الأكسدة. قارن بين الخواص الكيميائية لهذين الأكسيدين ووضحهما بمعادلات التفاعل.

إن قابلية أول أكسيد الكربون للاشتعال، فضلاً عن خصائصه المختزلة، تجعل منه وقودًا قيمًا للغاية وعامل اختزال في العديد من التطبيقات. عمليات الانتاجوخاصة في علم المعادن، لذلك يتم إنتاج أول أكسيد الكربون خصيصًا في الأفران، والتي تسمى مولدات الغاز (الشكل 65).

أرز. 65. دائرة مولد الغاز

مولد الغاز عبارة عن فرن يُسكب فيه فحم الكوك في الأعلى. يتم إشعال النار في فحم الكوك من الأسفل، ويتم توفير الهواء من الأسفل للحفاظ على احتراق فحم الكوك. عندما يتلامس الأكسجين الموجود في الهواء مع الفحم الساخن، يحترق الأخير ليشكل ثاني أكسيد الكربون:
ج + O2 = ثاني أكسيد الكربون
وبمرور أملاح الفحم اللاحقة، يتم تقليل ثاني أكسيد الكربون إلى أول أكسيد الكربون: CO2 + C = 2CO
ونتيجة لذلك، يخرج من مولد الغاز غاز المولد بالتركيبة التالية: CO + CO2 + N2 (الهواء). ويسمى هذا الغاز الهواء. يحتوي غاز الهواء على مادة واحدة فقط قابلة للاشتعال، وهي ثاني أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون، ثاني أكسيد الكربون، هو الصابورة. للتأكد من عدم وجود صابورة في الغاز، يتم تمرير بخار الماء شديد السخونة عبر المولد، والذي يتفاعل مع الكربون ويشكل غاز الماء:
C + H2O ⇄ CO + H2

لا يحتوي غاز الماء على صابورة، لأن أول أكسيد الكربون يحترق وهو عامل اختزال جيد، ولكن عندما يمر بخار الماء عبر الفحم لفترة طويلة، يبرد الأخير ويتوقف عن العمل. ولمنع حدوث ذلك، يتم تمرير الهواء وبخار الماء بالتناوب عبر مولد الغاز، مما ينتج عنه غاز مختلط.
تستخدم الغازات المنتجة على نطاق واسع في التكنولوجيا.

أرز. 66. مخطط تغويز الفحم تحت الأرض.

■ 12. ما حجم غاز الماء الناتج عن تمرير بخار الماء خلال 36 كجم من الفحم؟
13. اكتب معادلات التفاعلات التي تحدث أثناء اختزال أكسيد الحديد (III) مع غاز الماء.
14. كيف يمكنك فصل الغازات التي يتكون منها غاز مولد الهواء؟
15. تم تمرير غاز مولد الهواء عبر محلول الكالسيوم. كيف تغير التكوين خليط الغاز؟ تأكيد مع معادلات رد الفعل.
16. كيف يختلف الغاز المختلط عن غاز الهواء؟ وضح تركيبة مكونات الغاز المختلط.

في عام 1888، اقترح D. I. Mendeleev طريقة لتغويز الفحم تحت الأرض. وهو يتألف مما يلي. في طبقة الفحم (الشكل 66)، يتم حفر بئرين من السطح إلى الأسفل على مسافة 25-30 متر عن بعضهما البعض. باستخدام السخانات الكهربائية، يتم إشعال النار في التماس الفحم أدناه. عند مرور الهواء إلى بئر النفخ، يتم حرق قناة بينها وبين بئر مخرج الغاز، تتدفق من خلالها الغازات إلى بئر مخرج الغاز وترتفع إلى السطح على طولها. في الجزء السفلي من التماس، كما هو الحال في مولد الغاز، يتم حرق الفحم إلى ثاني أكسيد الكربون. أعلى إلى حد ما، يتم تقليل ثاني أكسيد الكربون إلى أول أكسيد الكربون، وحتى أعلى، تحت تأثير حرارة التماس الفحم الساخن، يتم إجراء التقطير الجاف، ويتم إزالة منتجاتها أيضا من خلال مخرج الغاز جيدا. منتجات التقطير الجاف ذات قيمة كبيرة. وبعد ذلك، يتم فصل الغاز المتسرب منها، وبعد ذلك يمكن استخدامه للغرض المقصود منه.

يستخدم الغاز المنتج في صناعة المعادن، وفي إنتاج الزجاج والسيراميك، وفي توربينات ومحركات الغاز الاحتراق الداخلي، في البيت.
أول أكسيد الكربون ويستخدم على نطاق واسع في الصناعة التوليف العضوي- عند تلقي الأمونيا، كلوريد الهيدروجينالوقود الاصطناعي، المنظفاتإلخ.

■ 17. حساب استهلاك الفحم في مولد الغاز إذا كانت النتيجة 112 لتر غاز ماء.

ثاني أكسيد الكربون CO2 هو أعلى أكسيد الكربون، حيث يبلغ 44 متر مكعب. هـ (وهو أثقل من الهواء بأكثر من مرة ونصف). نقطة الغليان (التسامي) -78.5 درجة.
عند تبريده بقوة، يتحول ثاني أكسيد الكربون إلى كتلة صلبة تشبه الثلج - "الثلج الجاف"، الذي لا يتحول إلى سائل عند الضغط العادي، ولكنه يتسامى، وهو أمر مريح للغاية عند تخزين المنتجات القابلة للتلف: أولاً، لا توجد رطوبة وثانياً، ثاني أكسيد الكربون الموجود في الغلاف الجوي يمنع نمو البكتيريا والعفن. ثاني أكسيد الكربون هو أكسيد حمضي نموذجي له كل الخصائص المميزة.

■ 18. اكتب معادلات للتفاعلات الكيميائية التي تميز خواص ثاني أكسيد الكربون كأكسيد حمضي.

ثاني أكسيد الكربون قابل للذوبان تمامًا في الماء: يذوب حجم واحد من ثاني أكسيد الكربون في حجم واحد من الماء. في هذه الحالة، يتفاعل مع الماء لتكوين حمض الكربونيك غير المستقر للغاية: H2O + CO2 ⇄ H2CO3
مع زيادة الضغط، يزيد ثاني أكسيد الكربون بشكل حاد. وهذا هو أساس استخدام ثاني أكسيد الكربون في إنتاج المشروبات الغازية.

■ 19. معرفة أنماط انزياحات التوازن، تشير إلى الاتجاه الذي يمكن أن ينزاح فيه التوازن في التفاعل
CO2+ H2O ⇄ H2CO3
أ) زيادة ضغط الدم. ب) زيادة درجة الحرارة.

لا يدعم ثاني أكسيد الكربون الاحتراق أو التنفس، وفي غلافه الجوي تموت الحيوانات ليس بسبب التسمم، بل بسبب نقص الأكسجين. لا يمكن حرق ثاني أكسيد الكربون إلا عند درجة حرارة عالية جدًا، مما يؤدي إلى تحلله وبالتالي تقليل الكربون:
2Mg + CO2 = 2MgO + C
وفي الوقت نفسه، ثاني أكسيد الكربون ضروري نباتات خضراءلعملية التمثيل الضوئي. إن إثراء الجو بثاني أكسيد الكربون في البيوت المحمية يعزز تكوين المواد العضوية بالنباتات.
في الغلاف الجوي للأرضيحتوي على 0.04% ثاني أكسيد الكربون. كمية صغيرة من ثاني أكسيد الكربون في الهواء تحفز نشاط مركز الجهاز التنفسي.
يتم الحصول على ثاني أكسيد الكربون عادة عن طريق تفاعل أملاح حمض الكربونيك مع كمية أخرى حامض قوي:
CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2CO3
تتم هذه العملية في المختبر بجهاز كيب، حيث يتم شحنه بالرخام وحمض الهيدروكلوريك.

أرز. 67. طفاية حريق رغوية. 1-خزان بمحلول مائي من الصودا. 2 - أمبولة بحمض الكبريتيك. 3 - الطبال. 4 - شبكة حديدية. 5 - منفذ؛ ب - المقبض

يتم استخدام طريقة مماثلة لإنتاج ثاني أكسيد الكربون في ما يسمى طفايات الحريق الرغوية (الشكل 67). طفاية الحريق هذه عبارة عن أسطوانة فولاذية مملوءة بمحلول الصودا Na2CO3. منغمسين في هذا الحل أمبولة زجاجيةمع حامض الكبريتيك. يتم تركيب مضرب فوق الأمبولة، والتي يمكن استخدامها إذا لزم الأمر لكسر الأمبولة، وبعدها ستبدأ بالتفاعل مع الصودا حسب المعادلة:
Na2CO3 + H2SO4 = Na2SO4 + H2CO3

يشكل ثاني أكسيد الكربون المنطلق بكميات كبيرة رغوة وفيرة يتم طردها بضغط الغاز من خلال ثقب في الجدار الجانبي ويغطي الجسم المحترق ويمنع وصول الأكسجين الجوي إليه.

للأغراض الصناعية يتم الحصول على ثاني أكسيد الكربون من تحلل الحجر الجيري:
CaCO3 = CaO + CO2
يتم إنتاج ثاني أكسيد الكربون عند احتراق الفحم ويتم إطلاقه أيضًا أثناء تخمير السكريات والعمليات الأخرى.

■ 20. هل من الممكن ملء طفاية الحريق الرغوية بمحلول كربونات آخر بدلا من محلول الصودا؟ حمض الكبريتيكاستبدله بحمض آخر. أعط أمثلة.
21. تم تمرير خليط من الغازات المكونة من ثاني أكسيد الكربون وكبريتيد الهيدروجين وثاني أكسيد الكبريت عبر ماء اليود. ما هو تكوين خليط الغاز عند المخرج؟ ماذا يوجد في الحل؟
22. ما حجم ثاني أكسيد الكربون الناتج عن حرق 112 لترًا من أول أكسيد الكربون؟
23. ما حجم أول أكسيد الكربون الذي يتكون أثناء أكسدة 4 مولات من الكربون؟

24. ما هي كمية ثاني أكسيد الكربون التي يمكن الحصول عليها من تحلل 250 جرام من الحجر الجيري المحتوي على 20% شوائب إذا كان مردود ثاني أكسيد الكربون 80% من الناتج النظري؟
25. ما وزن 1 م 3 من خليط الغاز الذي يتكون من 70٪ أول أكسيد الكربون و 30٪ ثاني أكسيد الكربون؟

حمض الكربونيك وأملاحه

ثاني أكسيد الكربون هو أنهيدريد الكربونيك. H2CO3 في حد ذاته مادة هشة للغاية. إنه موجود فقط في محاليل مائية. وعندما تحاول عزله من هذه المحاليل فإنه يتحلل بسهولة إلى الماء وثاني أكسيد الكربون:
H2CO3 ⇄ H2O + CO2
H2CO3 ⇄ H + + HCO - 3 ⇄ 2H + + CO 2 3 -
جدا بالكهرباء ضعيفة; ومع ذلك، كونها ثنائية القاعدة، فإنها تشكل سلسلتين من الأملاح: البيكربونات المتوسطة والحمضية. تعتبر أملاح ثاني أكسيد الكربون مثيرة للاهتمام لأنه عندما تتعرض للحمض، يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون:
K2CO3 + 2HCl = 2KCl + H2CO3

■ 26. اكتب المعادلة أعلاه على الصورة الأيونية، ثم أعط معادلتين أخريين للتفاعل توضحان تأثير الأحماض على.
27. اكتب معادلة التفاعل لفعل حمض الهيدروكلوريك على بيكربونات المغنيسيوم في صورته الجزيئية والأيونية.

وعندما تعالج بثاني أكسيد الكربون والماء فإنها تتحول إلى بيكربونات. عند التسخين يحدث التحول العكسي:
الظروف العادية
CaCO3 + CO2 + H2O ⇄ Ca(HCO3)2
التدفئة
يؤدي تحول الكربونات غير القابلة للذوبان إلى بيكربونات قابلة للذوبان إلى ترشيح الكربونات من القشرة الأرضية، مما يؤدي إلى تكوين الفراغات - الكهوف. كربونات بالنسبة للجزء الاكبرغير قابلة للذوبان في الماء، باستثناء الكربونات الفلزات القلويةوالأمونيوم. البيكربونات أكثر قابلية للذوبان.

بين الكربونات انتباه خاصيستحق CaCO3، والذي يوجد في ثلاثة أشكال: على شكل رخام وحجر جيري وطباشير. بالإضافة إلى ذلك، بالاشتراك مع كربونات المغنيسيوم، فهو جزء من صخرالدولوميت MgCO3 · CaCO3. على الرغم من نفسه التركيب الكيميائيفالخصائص الفيزيائية لهذه الصخور مختلفة تمامًا.
الرخام مادة صلبة بلورية ذات أصل ناري. وتبلورت تدريجياً داخل الصهارة المبردة. في كثير من الأحيان يتم تلوين الرخام بالشوائب الموجودة فيه ألوان مختلفة. الرخام مصقول جيدًا وبالتالي يستخدم على نطاق واسع كمواد تشطيب لتكسية هياكل المباني وفي النحت.

حجر الكلس - الصخور الرسوبيةأصل عضوي. في كثير من الأحيان في الحجر الجيري، يمكنك العثور على بقايا الحيوانات القديمة، وخاصة الرخويات في الأصداف الجيرية. في بعض الأحيان تكون كبيرة جدًا، وفي بعض الأحيان تكون مرئية فقط تحت المجهر. على مدى ملايين السنين، ضغط الحجر الجيري وأصبح قاسيًا لدرجة أنه تم استخدامه كمواد بناء. ولكن الآن يتم استبدالها تدريجياً بمواد صناعية أرخص وأخف وزناً وأكثر راحة. يستخدم الحجر الجيري بشكل رئيسي لإنتاج الجير.

الطباشير هو صخرة رسوبية بيضاء ناعمة. تستخدم في البناء لتبييض. عند صنع مسحوق الأسنان، يتم أولاً إذابة الطباشير في الحمض ثم ترسيبه مرة أخرى، حيث أن المادة الطبيعية تحتوي على أصغر كمية من الطباشير. الجسيمات الدقيقهالسيليكا، والتي يمكن أن تخدش مينا الأسنان.
يوجد بيكربونات الكالسيوم Ca(HCO3)2 في الطبيعة في حالة مذابة. يتكون من تفاعل الماء مع ثاني أكسيد الكربون على الحجر الجيري. وجود هذا الملح يعطي الماء عسراً مؤقتاً (كربونات).
من الأمور ذات الأهمية الاستثنائية صودا Na2CO3، والتي توجد أحيانًا بشكل طبيعي فيما يسمى ببحيرات الصودا. لكن حاليا يتم استخراج الصودا من مصادر طبيعيةيتم استبداله بإنتاج صناعي أرخص لهذا المنتج. إذا كانت الصودا تحتوي على ماء متبلور فإنها تسمى صودا بلورية Na2CО3 10Н2О، أما إذا كانت لا تحتوي عليه فتسمى صودا متبلورة. رماد الصودا. تستخدم الصودا على نطاق واسع في صناعات الصابون والنسيج والورق والزجاج.

بيكربونات الصودا، أو ثنائي كربونات الصوديوم، أو صودا الخبز، يتم استخدام NaHCO3 في منتجات الحلويات كعامل تخمير، وكذلك في الطب لحموضة المعدة العالية، وحرقة المعدة، والسكري، وما إلى ذلك.
وتستخدم كربونات البوتاسيوم K2CO3، أو البوتاس، مثل الصودا، في صناعة الصابون وفي إنتاج الزجاج المقاوم للحرارة.
تجدر الإشارة إلى أن الكربون يشكل ما يسمى مركبات العضويةالتي يتجاوز عددها وتنوعها بكثير مركبات جميع العناصر الأخرى مجتمعة. يتم فصل الدراسة التفصيلية لمركبات الكربون في مجال مستقل يسمى الكيمياء العضوية.

■ 28. كيفية تمييز كربونات الصوديوم المقدمة في الحالة الصلبة عن بعضها البعض،
تم تحميص 32.2 كجم من كربونات الكالسيوم. تبين أن وزن المتبقي بعد التكليس هو 1 كجم 800 جم، ما نسبة الكربونات المتحللة؟
33. كيف تتخلص من شوائب نترات الكالسيوم؟
34. كيف يمكنك التعرف على كربونات الباريوم وكبريتيت الباريوم وكبريتات الباريوم، بوجود حمض الهيدروكلوريك فقط تحت تصرفك؟
35. تم اختزال أكسيد الحديد (III) بأول أكسيد الكربون الناتج من 5 كجم من الفحم. ما هي كمية الحديد التي تم الحصول عليها؟

الكربون أمر حيوي عنصر مهمللحيوانات والنباتات. تستخدم النباتات ثاني أكسيد الكربون من الهواء والطاقة من الشمس لتكوين مادة عضوية. الحيوانات العاشبة التي تتغذى على النباتات تستخدم هذه المواد الجاهزة بدورها

أرز. 68. دورة الكربون في الطبيعة

طعام للحيوانات المفترسة. تموت النباتات والحيوانات وتتعفن وتتأكسد وتتحول جزئيًا إلى ثاني أكسيد الكربون الذي تستهلكه النباتات مرة أخرى ويتحلل جزئيًا في التربة مكونًا أنواع مختلفةوقود. عند احتراق الوقود، يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون، الذي يدخل الغلاف الجوي وتستهلكه النباتات (الشكل 68).

الخواص الكيميائية للرادون يتم تحديد السلوك الكيميائي لجزيء أي نظائر للرادون من خلال انتمائه إلى الغازات الخاملة. صحيح من بينهم...