W stanie wolnym węgiel znany jest w postaci diamentu, który krystalizuje w układzie sześciennym oraz grafitu, który należy do układu heksagonalnego. Jego formy, takie jak węgiel drzewny, koks, sadza, mają nieuporządkowaną strukturę.
Ryż. 117. Struktura diamentu. Strzałki pokazują wiązania między atomami w czworościanach.
Karbyn i polikumulen otrzymuje się syntetycznie - odmiany węgla, składające się z polimerów o łańcuchu liniowym typu... -C?C-C?C... lub...=C=C=C=... Carbyne ma właściwości półprzewodnikowe. Po mocnym podgrzaniu bez dostępu powietrza zamienia się w grafit.
Diament to bezbarwna, przezroczysta substancja, która niezwykle silnie załamuje promienie świetlne. Krystalizuje w siatce sześciennej skupionej na ścianie. W tym przypadku połowa atomów znajduje się w wierzchołkach i środkach ścian jednego sześcianu, a druga w wierzchołkach i środkach ścian innego sześcianu, przesunięta względem pierwszego w kierunku jego przestrzennego przekątna. Atomy węgla w diamencie znajdują się w stanie hybrydyzacji sp 3 i tworzą trójwymiarową sieć czworościenną, w której są połączone ze sobą wiązaniami kowalencyjnymi*. Odległość między atomami w czworościanie wynosi 0,154 nm. Strukturę diamentu pokazano na ryc. 117.
* Podobny czworościenny układ wiązań utworzonych przez atom węgla jest również charakterystyczny dla węglowodorów konwertowalnych i ich pochodnych (patrz § 162).
Ze wszystkich prostych substancji ma diament maksymalny numer atomów na jednostkę objętości – atomy węgla są „upakowane” w diamencie bardzo ciasno. To, a także wysoka siła wiązania w czworościanach węgla, powoduje, że diament ma lepszą twardość niż wszystkie znane substancje. Dlatego jest szeroko stosowany w przemyśle; Prawie 80% wydobywanych diamentów wykorzystuje się do celów technicznych. Służy do obróbki różnych twardych materiałów i do wiercenia skał. Chociaż diament jest bardzo twardy, jest również delikatny. Proszek uzyskany ze szlifowania diamentu służy do polerowania kamieni szlachetnych i samych diamentów. Prawidłowo wypolerowane przezroczyste diamenty nazywane są brylantami.
Ze względu na dużą wartość diamentów podejmowano wiele prób ich sztucznego uzyskania z grafitu. Jednak przez długi czas próby te kończyły się niepowodzeniem. Dopiero w 1955 roku, stosując bardzo wysokie ciśnienie (około 10 10 Pa) i długotrwałe ogrzewanie w temperaturze około 3000°C, amerykańskim, a zarazem szwedzkim naukowcom udało się uzyskać syntetyczne diamenty. Związek Radziecki również opracował metodę produkcji syntetycznych diamentów i rozpoczęto ją w 1961 roku produkcja przemysłowa. Ponadto w 1969 r. w ZSRR zsyntetyzowano nitkowate kryształy diamentu, które otrzymano pod normalnym ciśnieniem.
Ryż. 118. Struktura grafitu.
Wąsy, czyli wąsy, mają strukturę praktycznie pozbawioną wad i charakteryzują się bardzo dużą wytrzymałością.
Po podgrzaniu w tlenie diament spala się, tworząc dwutlenek węgla. Jeśli za bardzo podgrzejesz diament bez dostępu powietrza, zamieni się on w grafit.
Grafit to ciemnoszary kryształ o słabym zabarwieniu metaliczny połysk. Posiada warstwową kratkę. Wszystkie atomy węgla są tu w stanie hybrydyzacji sp 2: każdy z nich tworzy trzy wiązania kowalencyjne z sąsiadującymi atomami, a kąty pomiędzy kierunkami wiązań wynoszą 120°C. Rezultatem jest płaska siatka złożona z regularnych sześciokątów, na których wierzchołkach znajdują się jądra atomów węgla; odległość między sąsiednimi jądrami wynosi 0,1415 nm.
W tworzeniu wiązań α biorą udział trzy elektrony z każdego atomu węgla. Czwarty elektron warstwy zewnętrznej zajmuje orbital 2p, który nie bierze udziału w hybrydyzacji. Takie niehybrydowe chmury elektronów atomów węgla są zorientowane prostopadle do płaszczyzny warstwy i zachodząc na siebie tworzą zdelokalizowane wiązania β. Strukturę grafitu pokazano na ryc. 118.
Sąsiednie warstwy atomów węgla w krysztale grafitu znajdują się w dość dużej odległości od siebie (0,335 nm); wskazuje to na niską siłę wiązania pomiędzy atomami węgla znajdującymi się w różnych warstwach. Warstwy sąsiednie połączone są ze sobą głównie siłami van der Waalsa, jednak część połączenia ma charakter metaliczny, czyli na skutek „wspólnego” elektronów przez wszystkie atomy kryształu. Wyjaśnia to stosunkowo wysoką przewodność elektryczną i cieplną grafitu nie tylko w kierunku warstw, ale także w kierunku prostopadłym do nich.
Rozważana struktura grafitu powoduje silną anizotropię jego właściwości. Zatem przewodność cieplna grafitu w kierunku płaszczyzny warstwy wynosi 4,0 J/(cm·s·K), a w kierunku prostopadłym 0,79 J/(cm·s·K). Opór elektryczny grafitu w kierunku warstw jest 10 4 razy mniejszy niż w kierunku prostopadłym.
Poszczególne warstwy atomów w krysztale grafitu, powiązane ze sobą stosunkowo słabo, można łatwo od siebie oddzielić.
Wyjaśnia to niską wytrzymałość mechaniczną grafitu. Jeśli posuniesz kawałek grafitu po papierze, maleńkie kryształki grafitu wyglądające jak płatki przyklejają się do papieru, pozostawiając na nim szarą linię. To jest podstawa wykorzystania grafitu do wyrobu ołówków.
W powietrzu grafit nie zapala się nawet przy silnym ogniu, ale łatwo spala się w czystym tlenie, zamieniając się w dwutlenek węgla.
Ze względu na swoją przewodność elektryczną grafit jest używany do produkcji elektrod. Tygle ognioodporne do topienia metali wykonane są z mieszaniny grafitu i gliny. Grafit zmieszany z olejem stanowi doskonały smar, gdyż jego płatki wypełniając nierówności materiału tworzą gładką powierzchnię ułatwiającą poślizg. Grafit jest również stosowany jako moderator neutronów w reaktorach jądrowych.
Oprócz grafitu naturalnego, w przemyśle wykorzystuje się także grafit sztuczny. Pozyskuje się go głównie z najlepszych odmian węgiel. Transformacja zachodzi w temperaturze około 3000°C w piecach elektrycznych bez dostępu powietrza. Na bazie naturalnego, a w szczególności sztucznego grafitu, materiałów stosowanych w przemysł chemiczny. Ze względu na wysoką odporność chemiczną stosowane są na wykładziny, rury itp.
Grafit jest stabilny termodynamicznie w szerokim zakresie temperatur i ciśnień, szczególnie w normalnych warunkach. W związku z tym przy obliczaniu wielkości termodynamicznych jako stan standardowy przyjmuje się grafit węglowy. Diament jest stabilny termodynamicznie tylko w wysokie ciśnienia(powyżej 10 9 Pa). Jednak szybkość przemiany diamentu w grafit zauważalna jest dopiero w temperaturach powyżej 1000°C, przy 1750°C przemiana diamentu w grafit następuje szybko.
Węgiel „amorficzny” (węgiel). Kiedy związki zawierające węgiel są podgrzewane bez dostępu powietrza, uwalniają czarną masę zwaną węglem „amorficznym” lub po prostu węglem. Taki węgiel składa się z drobnych kryształów o nieuporządkowanej strukturze grafitu. Węgiel rozpuszcza się w wielu stopionych metalach, takich jak żelazo, nikiel i platyna. Gęstość węgla waha się od 1,8 do 2,1 g/cm3.
Węgle różnią się znacznie właściwościami w zależności od substancji, z której są otrzymywane, oraz metody produkcji. Ponadto zawsze zawierają zanieczyszczenia, które znacznie wpływają na ich właściwości. Najważniejsze gatunki techniczne węgla: koks, węgiel drzewny, węgiel kostny i sadza.
Koks otrzymywany jest poprzez suchą destylację węgla. Stosowany jest głównie w metalurgii do wytapiania metali z rud.
Ryż. 119. Urządzenie do wykazywania absorpcji amoniaku przez węgiel.
Węgiel drzewny powstaje w wyniku ogrzewania drewna bez dostępu powietrza. Jednocześnie wychwytywane są cenne produkty suchej destylacji – alkohol metylowy, kwas octowy itp. Węgiel drzewny wykorzystywany jest w przemyśle metalurgicznym i kowalstwie.
Ze względu na porowatą strukturę węgiel drzewny ma wysoką zdolność adsorpcji.
Aby zaobserwować adsorpcję gazów przez węgiel, przeprowadzimy następujące doświadczenie. Napełnij szklany cylinder amoniakiem i opuść jego otwarty koniec do kubka z rtęcią (ryc. 119). Następnie po podgrzaniu na palniku kawałka węgla drzewnego zanurzamy go w rtęci i umieszczamy pod otworem butli z amoniakiem. Węgiel unosi się w cylindrze na powierzchnię rtęci, a rtęć natychmiast zaczyna się unosić w wyniku absorpcji amoniaku przez węgiel.
Węgle aktywne szczególnie dobrze absorbują gazy (s. 312). Stosowane są do pochłaniania par lotnych cieczy z mieszanin powietrza i gazów, w maskach gazowych, a także jako katalizator w niektórych gałęziach przemysłu chemicznego.
Węgiel ma zdolność adsorbowania nie tylko gazów, ale także substancji rozpuszczonych. Ta jego właściwość została odkryta w koniec XVIII wieczny rosyjski akademik T. E. Lovitz.
Zwęglenie kostne powstaje w wyniku zwęglenia odtłuszczonych kości. Zawiera od 7 do 11% węgla, około 80% fosforanu wapnia i innych soli. Węgiel kostny ma bardzo dużą zdolność absorpcji, szczególnie w odniesieniu do barwników organicznych i służy do usuwania różnych barwników z roztworów.
Sadza jest najczystszym węglem „amorficznym”. W przemyśle uzyskuje się go poprzez termiczny rozkład metanu, a także spalanie żywicy, terpentyny i innych substancji bogatych w węgiel przy niedostatecznym dostępie powietrza. Sadzę wykorzystuje się jako czarną farbę (tusz, farba drukarska), a także przy produkcji gumy jako jej składnik.
| <<< Назад
|
Do przodu >>> |
Węgiel jest zdolny do tworzenia kilku modyfikacji alotropowych. Są to diament (najbardziej obojętna modyfikacja alotropowa), grafit, fuleren i karbyn.
Węgiel drzewny i sadza są węglem amorficznym. Węgiel w tym stanie nie ma uporządkowanej struktury i faktycznie składa się z drobnych fragmentów warstw grafitu. Węgiel amorficzny poddany działaniu gorącej pary wodnej nazywany jest węglem aktywnym. 1 gram węgla aktywnego, ze względu na obecność w nim wielu porów, ma łączną powierzchnię ponad trzystu metry kwadratowe! Ze względu na zdolność wchłaniania różnych substancji Węgiel aktywowany jest szeroko stosowany jako wypełniacz filtrów, a także jako enterosorbent przy różnego rodzaju zatruciach.
Z chemicznego punktu widzenia węgiel amorficzny jest jego najbardziej aktywną formą, grafit wykazuje umiarkowaną aktywność, a diament jest substancją wyjątkowo obojętną. Z tego powodu omówione poniżej właściwości chemiczne węgla należy przypisać przede wszystkim węglowi amorficznemu.
Właściwości redukujące węgla
Jako środek redukujący węgiel reaguje z niemetalami, takimi jak tlen, halogeny i siarka.
W zależności od nadmiaru lub braku tlenu podczas spalania węgla możliwe jest powstawanie tlenku węgla CO lub dwutlenku węgla CO 2:
Kiedy węgiel reaguje z fluorem, powstaje tetrafluorek węgla:
Gdy węgiel ogrzewa się za pomocą siarki, powstaje dwusiarczek węgla CS 2:
Węgiel ma zdolność redukcji metali po aluminium w szeregu aktywności z ich tlenków. Na przykład:
Węgiel reaguje również z tlenkami metale aktywne jednak w tym przypadku z reguły nie obserwuje się redukcji metalu, ale powstawanie jego węglika:
Oddziaływanie węgla z tlenkami niemetali
Węgiel wchodzi w reakcję współproporcjonowania z dwutlenkiem węgla CO 2:
Jednym z najważniejszych procesów z przemysłowego punktu widzenia jest tzw konwersja węgla energetycznego. Proces odbywa się poprzez przepuszczanie pary wodnej przez rozżarzony węgiel. Zachodzi następująca reakcja:
Na wysoka temperatura węgiel jest w stanie zredukować nawet tak obojętny związek jak dwutlenek krzemu. W takim przypadku, w zależności od warunków, możliwe jest powstawanie krzemu lub węglika krzemu ( karborund):
Ponadto węgiel jako środek redukujący reaguje z kwasami utleniającymi, w szczególności ze stężonymi kwasami siarkowymi i azotowymi:
Właściwości utleniające węgla
Pierwiastek chemiczny węgiel nie jest wysoce elektroujemny, więc proste substancje, które tworzy, rzadko się wykazują właściwości utleniające w stosunku do innych niemetali.
Przykładem takich reakcji jest oddziaływanie amorficznego węgla z wodorem po podgrzaniu w obecności katalizatora:
a także z krzemem w temperaturze 1200-1300 o C:
Węgiel wykazuje właściwości utleniające w stosunku do metali. Węgiel może reagować z metalami aktywnymi i niektórymi metalami o aktywności pośredniej. Reakcje zachodzą po podgrzaniu:
| Aktywne węgliki metali ulegają hydrolizie pod wpływem wody:
a także roztwory kwasów nieutleniających: W tym przypadku powstają węglowodory zawierające węgiel na tym samym stopniu utlenienia, co w pierwotnym węgliku. |
Właściwości chemiczne krzemu
Krzem może występować, podobnie jak węgiel, w postaci krystalicznej i stan amorficzny i podobnie jak w przypadku węgla, krzem amorficzny jest znacznie bardziej aktywny chemicznie niż krzem krystaliczny.
Czasami amorficzny i krystaliczny krzem nazywany jest modyfikacjami alotropowymi, co ściśle rzecz biorąc nie jest do końca prawdą. Krzem amorficzny jest zasadniczo konglomeratem losowo rozmieszczonych względem siebie drobne cząstki krystaliczny krzem.
Oddziaływanie krzemu z substancjami prostymi
niemetale
W normalnych warunkach krzem ze względu na swoją obojętność reaguje tylko z fluorem:
Krzem reaguje z chlorem, bromem i jodem dopiero po podgrzaniu. Charakterystyczne jest, że w zależności od aktywności halogenu wymagana jest odpowiednio różna temperatura:
Zatem w przypadku chloru reakcja zachodzi w temperaturze 340-420 o C:
Z bromem – 620-700 o C:
Z jodem – 750-810 o C:
Zachodzi reakcja krzemu z tlenem, ale wymaga ona bardzo mocnego nagrzania (1200-1300 o C) ze względu na to, że silna warstwa tlenku utrudnia tę interakcję:
W temperaturze 1200-1500 o C krzem powoli oddziałuje z węglem w postaci grafitu, tworząc karborund SiC - substancję o atomowej siatce krystalicznej podobnej do diamentu i prawie nie gorszej od niej wytrzymałości:
Krzem nie reaguje z wodorem.
metale
Ze względu na niską elektroujemność krzem może wykazywać właściwości utleniające tylko w stosunku do metali. Spośród metali krzem reaguje z metalami aktywnymi (alkalicznymi i ziem alkalicznych), a także wieloma metalami o pośredniej aktywności. W wyniku tej interakcji powstają krzemki:
Oddziaływanie krzemu z substancjami złożonymi
Krzem nie reaguje z wodą nawet po ugotowaniu, natomiast krzem amorficzny oddziałuje z przegrzaną parą wodną w temperaturze około 400-500 o C. W tym przypadku powstaje wodór i dwutlenek krzemu:
Ze wszystkich kwasów krzem (w stanie amorficznym) reaguje tylko ze stężonym kwasem fluorowodorowym:
Krzem rozpuszcza się w stężone roztwory alkalia. Reakcji towarzyszy wydzielanie się wodoru.
Państwo instytucja edukacyjna Szkoła ogólnokształcąca Nr 89 Dzielnica Kalinińska w Petersburgu
Nauczyciel chemii: Julia Władysławowna Malinowska
Podsumowanie lekcji na temat: „Pozycja węgla i krzemu w układzie okresowym pierwiastki chemiczne, charakterystyka porównawcza tych elementów. Alotropia węgla.”
Klasa: 9 klasa
Cel: stwarzać warunki do systematyzacji i pogłębiania wiedzy uczniów na temat budowy atomów, zależności pomiędzy składem – strukturą – właściwościami substancji
Zadania:
Edukacyjny:
Uogólnienie i pogłębienie wiedzy studentów na temat budowy atomów w zależności od ich położenia w układzie okresowym; zależności pomiędzy składem – strukturą – właściwościami substancji na przykładzie alotropowych modyfikacji węgla
Poszerzanie ogólnych horyzontów kulturowych studentów
Rozwijanie umiejętności analizowania, porównywania, wyciągania wniosków, nawiązywania relacji
Ujawnianie idei ideologicznych na temat związku między składem, strukturą i właściwościami substancji; kształcić się intelektualnie rozwinięta osobowość; wspieranie kultury komunikacji
Typ lekcji: Przez cel dydaktyczny– doskonalenie i zastosowanie wiedzy; metodą organizacji - zastosowanie wiedzy i zapoznanie się z nowym materiałem
Wykorzystane technologie edukacyjne:
Informacja
Technologia aktualizacji osobistych doświadczeń
Targetowanie technologiczne rozwój poznawczy osobowości
Forma postępowania: połączenie rozmowy, samodzielnej aktywności
Sprzęt: komputer, projektor, prezentacja komputerowa, kolekcja: „Rodzaje węgla”, próbki sieci krystalicznych diamentu i grafitu.
Etap lekcji 1
Organizacyjny. Ogłoszenie tematu lekcji.
Cześć! Dzisiaj na zajęciach będziemy rozmawiać o dwóch pierwiastkach chemicznych.
Nazwy tych pierwiastków pochodzą od łacińskich słów „carbo” i „lapis cremans”. (Uczniowie natychmiast to rozumieją porozmawiamy o węglu i krzemie.).
„Carbo” - „carboneum” - oznacza „węgiel” - węgiel, a „lapis cremans” - kamień dający ogień - krzem.
Dzisiaj na lekcji będziemy musieli podać porównawczy opis tych elementów, wykorzystując wcześniej zdobytą wiedzę.
W zeszytach uczniowie zapisują temat lekcji: „ Charakterystyka porównawcza pierwiastki węgla i krzemu.”
Porównać oznacza wybrać przede wszystkim kryteria porównania. Proszę, powiedz mi, jakie kryteria Twoim zdaniem powinniśmy porównać. Uczniowie odpowiadają: położenie w PS, budowa atomów, możliwości walencyjne, stopień utlenienia itp.
Etap lekcji 2
Wykorzystując wiedzę o budowie atomów, charakterystyce pierwiastków według położenia w PS, uczniowie samodzielnie wypełniają tabela porównawcza № 1.
Tabela nr 1. Charakterystyki porównawcze pierwiastków węgla i krzemu
|
Kryteria porównania |
Z węgiel
|
Si krzem
|
|
Stanowisko w PS |
II okres, grupa IV, podgrupa główna (A) |
III okres, grupa IV, podgrupa główna (A) |
|
Struktura atomowa |
Z i =+6, p=6, e=6, n=12-6=6, zewnętrzne e=4 |
Z i =+14, p=14, e=14, n=28-14=14, zewnętrzne e=4 |
|
Konfiguracja elektronowa atomów |
1s 2 2s 2 2p 2 |
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 |
|
Możliwości walencyjne |
II w stanie stacjonarnym IV w stanie wzbudzonym |
|
|
Możliwe stany utlenienia |
-4 do +4 CH 4, C 2 H 6, C 2 H 4, CaS 2, C, C 2 F 2, CO, C 2 F 6, CO 2 |
-4, 0, +2, +4 Mg2Si,Si,SiO,SiO2 |
|
Promień atomowy |
wzrasta |
|
|
Elektroujemność (skala Paulinga) |
2,5 |
1,9 |
|
Formuła tlenku wyższego, jego natura, nazwa |
CO 2 – kwaśny, tlenek węgla (IV), dwutlenek węgla, dwutlenek węgla |
SiO 2 – kwasowy, tlenek krzemu (IV) |
|
Formuła wyższy wodorotlenek, jego charakter, imię |
H 2 CO 3 – słaby niestabilny kwas (CO 2 + H 2 O), sole - węglany |
H 2 SiO 3 – słaby kwas, ma strukturę polimerową (SiO 2 nH 2 O), sole są krzemianami |
|
Przyłącze wodoru |
CH 4 - metan |
SiН 4 – silan (niestabilny) |
|
W naturze |
Niezbędny pierwiastek materii organicznej |
Najobficiej występujący (po tlenie) pierwiastek skorupa Ziemska |
Na końcu niezależna praca Po wypełnieniu tabeli wszyscy wraz z nauczycielem wypełniają tabelę zapisaną wcześniej na tablicy. Podczas wspólnego wypełniania uczniowie wraz z nauczycielem zauważają i wymawiają niektóre cechy elementów, na które należy zwrócić uwagę:
W prawie wszystkich ich związkach węgiel i krzem są czterowartościowe, tj. atomy tych pierwiastków są w stanie wzbudzonym. Nauczyciel (uczeń) pokazuje to na tablicy:
Różnorodność stopni utlenienia atomów węgla wynika z istnienia związków organicznych, w substancjach nieorganicznych najbardziej charakterystycznymi stopniami utlenienia są: -4, 0, +2, +4
Charakterystyczną różnicą między węglem i krzemem jest zdolność węgla do tworzenia łańcuchów. Atomy węgla łączą się ze sobą, tworząc stabilne związki; podobne związki krzemu są niestabilne.
Etap lekcji 3
Od charakterystyki pierwiastków chemicznych po proste substancje.
Praca z prezentacją komputerową.
Atomy węgla charakteryzują się alotropią. Uczniowie przywołują definicję tego pojęcia – „alotropia”. Nauczyciel pyta: „Jakie mają wcześniej badane pierwiastki chemiczne modyfikacje alotropowe?».
Uczniowie podają przykłady: pierwiastek tlen (O) – O 2 – tlen, O 3 – ozon; siarka pierwiastkowa (S) – siarka krystaliczna i plastyczna.
Następnie nauczyciel pyta uczniów, czy mogą znać alotropowe modyfikacje węgla.
Węgiel występuje w postaci następujących prostych substancji: diamentu, grafitu, karbinu, fulerenu. Węgiel i sadzę można uznać za odmiany grafitu.
Węgiel jest interesujący.
Już go poznałem prymitywny: znalazł go w miejscach pożarów i po pożarach, które wzniecił. Węgiel drzewny jest bardzo porowaty i nie tonie. W 1785 roku naukowiec i chemik Tovius Lowitz przypadkowo rozlał kwas winowy (brązowy z powodu zanieczyszczeń) na mieszaninę piasku i węgla. Lovitz zebrał rozlany roztwór i odfiltrował go z piasku i węgla. W filtrze pozostaje bezbarwna substancja. Okazało się, że węgiel wchłonął zanieczyszczenia zawarte w kwasie winowym. W ten sposób odkryto zjawisko zwane adsorpcją.
Adsorpcja– właściwości węgla i innych ciał stałych polegające na zatrzymywaniu na ich powierzchni gazów i substancji rozpuszczonych. Substancje, na powierzchni których następuje adsorpcja, nazywane są adsorbentami.
Adsorpcja węgla zależy od jego porowatości. Im więcej porów, tym lepsza zdolność sorpcyjna węgla. Ale zwykle pory węgla są wypełnione różne substancje. Aby je oczyścić, węgiel podgrzewa się w strumieniu pary wodnej. Taki węgiel, z oczyszczonymi porami, nazywany jest aktywowanym.
Pierwszy wojna światowa zjawisko adsorpcji znalazło zastosowanie w walce z chemicznymi środkami bojowymi. Chlor (gaz duszący) zaczęto stosować od 1915 roku Zachodni front w pobliżu miasta Ypres przeciwko wojskom anglo-francuskim. Atak chlorem pozbawił całą dywizję skuteczności bojowej (wyłączono z akcji 15 tys. osób, zginęło 5 tys.).
Rosyjski profesor Nikołaj Zelinski (późniejszy akademik) wynalazł i przetestował w lipcu 1915 roku maskę gazową działającą w oparciu o zjawisko adsorpcji.
Krzem tworzy prostą substancję - krzem krystaliczny. Istnieje również amorficzny proszek krzemowy biały.
Następnie nauczyciel zatrzymuje się i wskazuje właściwości fizyczne każda prosta substancja utworzona przez atomy węgla (szkielety).
Nauczyciel zwraca uwagę uczniów na fakt, że diament i grafit, składające się z atomów węgla, mają bardzo różne właściwości fizyczne. Dlaczego? (uczniowie nie zawsze są w stanie odpowiedzieć na to pytanie). Nauczyciel zwraca uwagę na odmienną budowę sieci krystalicznych diamentu i grafitu.
W krysztale diamentu każdy atom węgla tworzy cztery silne wiązania kowalencyjne, są one skierowane w stronę wierzchołków czworościanu, wszystkie odległości między atomami są takie same. W graficie odległość między atomami w warstwie jest znacznie mniejsza niż odległość między warstwami (próbki sieci krystalicznych).
Etap lekcji 4
Jej cel: poszerzanie ogólnych horyzontów kulturowych studentów, zakładanie powiązania interdyscyplinarne chemia z historią.
Na poprzedniej lekcji jako Praca domowa nauczyciel zaprosił uczniów do odnalezienia ciekawych faktów na temat historii diamentów i przygotowania przemówienia połączonego z prezentacją komputerową.
Jeśli są uczniowie, którzy wykonali zadanie, nauczyciel udziela im głosu, jeśli nie, mówi im o tym i pokazuje swoją prezentację.
Etap lekcji 5
Zreasumowanie. Odbicie.
Uczniowie odpowiadają na pytania:
Jakich nowych pojęć nauczyliśmy się na lekcji?
Jakie pytania sprawiały trudności? I tak dalej.
Nauczyciel wystawia oceny tym uczniom, którzy wykazali się dobrą i doskonałą wiedzą na lekcji oraz byli aktywni.
Bibliografia:
Lewkin A.N. Generał i chemia nieorganiczna: materiały do egzaminów. – Petersburg: „Paritet”, 2003 – 240 s.
Malinovskaya Yu.V. Chemia. Klasa szósta/Kurs propedeutyczny. – St.Petersburg: Ikar Firm LLP, 2002, - 76 s.
Taube P. R., Rudenko E. I. Od wodoru do Nobla? – M.: stan. Wydawnictwo " Szkoła Podyplomowa", 1961 – 330 s.
Chemia: podręcznik dla klasy IX edukacji ogólnej. uch./ Rudzitis G.E., Feldman F.G. – wyd. 11. Pere. – M.: Edukacja, 2010
Krótki plan lekcji z chemii na ten temat „Pozycja węgla i krzemu w PSCE, budowa ich atomów. Węgiel, alotropia, właściwości fizyczne i chemiczne” dla klasy IX, nauka według materiałów Rudzitisa w wymiarze 2 godzin tygodniowo.
Pobierać:
Zapowiedź:
Lekcja 27
Pozycja węgla i krzemu w PSCE, budowa ich atomów. Węgiel, alotropia, właściwości fizyczne i chemiczne
Cele Lekcji:
1. Scharakteryzować położenie węgla i krzemu w PSCE, budowę ich atomów, scharakteryzować alotropowe modyfikacje węgla, jego właściwości fizyczne i chemiczne(wynik przedmiotowy).
2. Kontynuuj rozwijanie umiejętności generowania pomysłów, identyfikowania związków przyczynowo-skutkowych, szukania analogii i pracy w zespole, wykorzystywania alternatywne źródła Informacja(wynik metaprzedmiotowy).
3. Kształtowanie umiejętności zarządzania swoim Działania edukacyjne, przygotowanie do zrozumienia wyboru dalszej ścieżki edukacyjnej(wynik osobisty).
Podczas zajęć
- Przygotowanie do odbioru nowego materiału (10 min)
Ankieta wśród uczniów na temat prac domowych.
- Nauka nowego materiału (20 min)
Węgiel i krzem należą do grupy IV główna podgrupa Układ okresowy. Formuła elektroniczna i elektronowo-graficzna. Wartościowość, stany utlenienia.
Alotropia węgla: diament, grafit, karbyn, fuleren.
Pokaz „Sieci krystaliczne diamentu i grafitu”, „Wprowadzenie do różne rodzaje paliwo."
Właściwości chemiczne węgla:
I.C proste substancje:
1. Spalanie węgla: a) 2C + O 2 (niewystarczający) = 2СО, b) C + O 2 (g) = CO2
2. Z niemetalami: a) C + 2F 2 = CF 4, b) C + S = CS 2, c) C + H 2 = CH 4
3. Z metalami: a) Ca + 2C = CaC 2, b) 4Fe + 3C = Al 4 C 3
II. Z substancjami złożonymi:
1. Redukuje Me z ich tlenków: 2СuO + C = 2Cu + CO 2
2. Z parą: C + H 2 O = CO + H 2 (powyżej 1200 0 C)
C + 2H 2 O = CO 2 + 2H 2 (około 1000 0 C)
Pb. Wszystkie należą do R-elementy, ponieważ są w trakcie kompletowania R-powłoka elektroniczna warstwy zewnętrznej (tabela 15).
|
Element |
Opłata za rdzeń |
Liczba elektronów na poziomach energetycznych |
Promień atomowy, Å |
||||||
|
0,77 1,17 1,22 1,40 1,46 |
|||||||||
Wraz ze wzrostem ładunku jądrowego promień atomu wzrasta, a elektroujemność zauważalnie maleje. Pod tym względem właściwości metaliczne zauważalnie wzrastają od węgla do ołowiu. Zatem ma dobrze określone właściwości metaliczne, choć jest uważany za niemetal.
Do powstawania przyczyniają się czteroelektronowa warstwa zewnętrzna i małe promienie atomowe węgla i krzemu wiązania kowalencyjne, które są typowe dla tych elementów. Cechą zarówno węgla, jak i krzemu jest zdolność do tworzenia długich łańcuchów atomów o tej samej nazwie, co prowadzi do powstania szerokiej gamy substancji organicznych i krzemoorganicznych. Węgiel i może tworzyć dwa lub cztery wiązania walencyjne. Maksymalny stopień utlenianie pierwiastków głównej podgrupy grupy IV wynosi +4. Sugeruje to, że ich atomy mają warunkową możliwość oddania 4 elektronów, są też w stanie przyjąć do warstwy zewnętrznej nie więcej niż elektrony. W reakcjach redoks zachowują się jak środki redukujące.
Wyższy z tych pierwiastków wykazuje właściwości kwasowe. Odpowiadają kwasom, które są bardzo słabymi elektrolitami. Sugeruje to, że wśród głównych podgrup grup IV-VII podgrupa węglowa łączy pierwiastki o najmniej wyraźnych właściwościach niemetalicznych. Siła lotnych wodorków zauważalnie spada od węgla CH4 do ołowiu PbH4. Nie sposób nie zwrócić uwagi na charakter właściwości tlenków, w których pierwiastki wykazują stopień utlenienia +2. Jeśli węgiel tworzy nie tworzący soli tlenek CO, tlenek ołowiu PbO ma wyraźne właściwości amfoteryczne.
■ 1. Wśród pierwiastków grupy węglowej wskaż:
a) element o najmniejszym promień atomowy;
b) pierwiastek o najbardziej wyraźnych właściwościach metalicznych;
c) wzory wyższych tlenków pierwiastków grupy węglowej;
d) wzory wyższych kwasy tlenowe, odpowiadające wymienionym tlenkom;
e) wzory niższych tlenków;
f) zmiana trwałości lotnych związków wodoru (napisz serię wzorów i użyj strzałki, aby wskazać kierunek spadku stabilności).
Węgiel
Masa atomowa węgla wynosi 12,011. Zewnętrzna warstwa elektronowa atomu węgla ma 4 elektrony, jej konfiguracja elektronowa to 2s 2 2p 2, rozkład elektronów pomiędzy orbitalami.
Wśród pierwiastków podgrupy znajduje się węgiel najwyższa wartość elektroujemność.
Węgiel ma trzy modyfikacje alotropowe - i węgiel amorficzny. i występują w przyrodzie, a węgiel amorficzny można uzyskać wyłącznie sztucznie.
- twardy substancja krystaliczna, ogniotrwały i mało aktywny chemicznie. Czysty diament to bezbarwne, przezroczyste kryształy. Spośród minerałów największą twardość, wynoszącą 10, ma diament, a jego gęstość wynosi 3,514. Tak wysoką twardość tłumaczy się budową sieci krystalicznej typu atomowego, w której atomy węgla znajdują się w tej samej odległości od siebie (patrz ryc. 11).
Diament ze względu na swoją twardość znajduje szerokie zastosowanie do cięcia szkła, wiercenia twardych skał, w ciągarkach drutu, tarczach szlifierskich itp. Do tych celów wykorzystuje się diamenty zanieczyszczone różnymi zanieczyszczeniami.
Czyste, bezbarwne kryształy są cięte i polerowane proszkiem diamentowym i zamieniane w diamenty. Im więcej faset, tym lepiej „gra” diament. Diamenty są najczęściej małe, ich wagę mierzy się w karatach (1 karat równa się 0,2 g). Ale są też duże diamenty.
- minerał drobnokrystaliczny, w sieci krystalicznej, w której odległość między atomami jest taka sama tylko w dwóch kierunkach, a w trzecim jest znacznie większa. To sprawia, że kryształy grafitu są kruche, a sam minerał miękki. Twardość grafitu wynosi 1, gęstość 2,22, a temperatura topnienia około 3000°. Grafit ma dobrą przewodność elektryczną, dlatego wykorzystuje się go do produkcji elektrod i płytek do kąpieli elektrolitycznych. Proszek grafitowy zmieszany z olejem mineralnym jest dobrym smarem. Ponieważ grafit jest bardziej miękki niż papier i może pozostawić na nim ślad, używa się go do produkcji grafitów, tuszu, tuszu drukarskiego i papieru do kopiowania. Wysoka odporność cieplna grafitu pozwala na wykorzystanie go do produkcji tygli ognioodpornych. Grafit można uzyskać sztucznie - poprzez ogrzewanie koksu do temperatury 2500-3000°.
■ 2. Jaki typ sieci krystaliczne masz diament i grafit?
3. Wyjaśnij terminami elektroniczna Konfiguracja warstw elektronowych, dlaczego węgiel może tworzyć zarówno dwa, jak i cztery wiązania walencyjne.
Istnieje opinia, że sztucznie wytwarzany węgiel amorficzny (sadza, węgiel drzewny) nie jest samodzielną modyfikacją alotropową, ponieważ jego mikrokrystaliczna struktura jest taka sama jak grafitu.
Węgiel amorficzny w postaci węgla drzewnego otrzymywany jest w wyniku suchej destylacji drewna w postaci bardzo lekkiej, kruchej, porowatej masy. Struktura węgla amorficznego jest bardzo podobna do struktury grafitu, z tą różnicą, że kryształy w nim zawarte są ułożone losowo.
Ogromna powierzchnia węgla drzewnego powoduje jego charakterystyczne zjawisko adsorpcji. Cząsteczki węgla znajdujące się na powierzchni kawałka węgla przyciągają cząsteczki substancji z otoczenia, pokonując energię ruchu termicznego cząsteczek. Oczywiste jest, że im większa powierzchnia, tym silniejszy jest, więc rozdrobniony adsorbent lepiej się adsorbuje. Jeśli dokładnie zmielisz węgiel drzewny, a następnie umieścisz go pod okapem zawierającym opary bromu, zauważysz, jak kolor bromu stopniowo słabnie i ostatecznie zanika.
Jeśli proszek węglowy zostanie wstrząśnięty w probówce z roztworem nadmanganianu potasu, fuksyny lub nalewki herbacianej, wówczas roztwory te szybko odbarwią się. Jeśli zagotujesz adsorbent razem z substancją zaadsorbowaną na jego powierzchni w czysta woda, następnie kolor roztworu pojawia się ponownie, ponieważ ruch termiczny cząsteczki ulegają intensyfikacji i odrywają się od powierzchni adsorbentu – następuje desorpcja.
Należy także zaznaczyć, że zjawisko katalizy, o którym była mowa powyżej, jest ściśle powiązane ze zjawiskiem adsorpcji.
■ 4. Jakie zjawisko nazywamy adsorpcją?
5. Gdzie jeszcze, poza procesami związanymi z węglem drzewnym, zachodzi zjawisko adsorpcji?
6. Wyjaśnij zjawisko desorpcji i wskaż przyczyny przyczyniające się do tego zjawiska.
Podczas obróbki przegrzaną parą wodną obecne tam obce zanieczyszczenia są usuwane z porów węgla, a porowatość węgla wzrasta. Ten rodzaj węgla nazywany jest węglem aktywnym.
Węgiel aktywowany jest bardzo szeroko stosowany, zwłaszcza w masce gazowej, którą po raz pierwszy zaproponował Academician. N. D. Zelinsky w celu ochrony dróg oddechowych przed toksycznymi gazami w powietrzu. Po raz pierwszy taką maskę gazową zastosowano podczas I wojny światowej (ryc. 64). Maska gazowa składa się z gumowej maski lub kasku ściśle przylegającej do twarzy i głowy, falistej gumowej rurki łączącej maskę z pudełkiem zawierającym środki oczyszczające powietrze.
System zaworów umożliwia wdychanie powietrza do maski wyłącznie przez skrzynkę, a wydychanie bezpośrednio do otaczającej przestrzeni. Pudełko maski gazowej zawiera ułożony warstwowo filtr przeciwdymowy wychwytujący cząstki stałe i kropelki, pochłaniacz chemiczny wiążący chemicznie trujące substancje dostające się do skrzynki oraz węgiel aktywny.
Węgiel aktywny czasami podaje się doustnie w postaci zawiesiny wodnej w przypadku przedostania się substancji toksycznych do żołądka. Węgiel drzewny jest również używany do produkcji czarnego prochu.
Węgiel amorficzny w postaci koksu stosowany jest w metalurgii. Koks produkowany jest w piecach koksowniczych z węgla. Jest to stała, porowata substancja będąca prawie czystym węglem. Koks jest doskonałym paliwem i dobrym reduktorem.
Ryż. 64. Urządzenie z maską gazową firmy N. D. Zelinsky. 1-kask; 2 - rura falista; 3 - zawór wydechowy; 4 - skrzynka filtra; 5 - węgiel aktywny; 6 - pochłaniacz chemiczny; 7 - filtr przeciwdymny.
Sadza powstaje w wyniku spalania substancje gazowe Z wysoki procent Zawartość węgla. Węgiel amorficzny w postaci sadzy jest szeroko stosowany w przemyśle gumowym oraz w przemyśle poligraficznym do produkcji farb drukarskich. Najwyższej jakości sadza powstaje w wyniku spalania paliw gazowych, takich jak acetylen.
■ 7. Sporządź i wypełnij poniższą tabelę:
Właściwości chemiczne węgla
Należy zauważyć, że główną właściwością węgla jest jego zdolność redukcyjna. Węgiel jest jednym z najlepszych reduktorów. Po podgrzaniu łatwo redukuje ich tlenki:
i łatwo spala się w tlenie, tworząc tlenek lub dwutlenek węgla
2C + O2 = 2СО —
C + O2 = CO2
W połączeniu z metalami węgiel tworzy węgliki o bardzo unikalnej strukturze molekularnej. Na przykład szczególnie szeroko stosowany w technologii węglik wapnia CaC2 ma następującą strukturę:
Węgiel łączy się z wodorem dopiero w temperaturze około 1200°, tworząc związek organiczny metan CH4:
C + 2H2 = CH4
■ 8. Oblicz, ile miedzi można zredukować z tlenku CuO przy użyciu 24 kg węgla, jeśli utrata miedzi wynosi 5%.
Kiedy przegrzana para wodna przepuszczana jest przez rozżarzony węgiel, ta ostatnia ulega redukcji z wody, w wyniku czego powstaje gaz wodny:
C + H2O = CO + Na
gaz wodny
Pomimo dużej zdolności redukującej węgla, jego zastosowanie jako środka redukującego nie zawsze jest wygodne, ponieważ tak jest solidny. O wiele wygodniej jest stosować gazowe środki redukujące. Wtedy kontakt reduktora z redukowaną substancją staje się pełniejszy. W związku z tym zaleca się przekształcenie węgla w tlenek węgla, który go konserwuje właściwości regeneracyjne i będąca jednocześnie substancją gazową.
▪ 9. Jaką objętość gazu wodnego (warunki normalne) można otrzymać przepuszczając parę wodną przez 5 gramów atomów węgla?
10. Azotan miedzi kalcynowano aż do całkowitego ustania wydzielania się brunatnego gazu, po czym zmieszano go z kruszonym węglem i ponownie kalcynowano. Co się stało w wyniku reakcji? Podaj odpowiedź, uzasadniając ją równaniami reakcji.
Tlenki węgla
Istnieją dwa znane tlenki węgla, w których występuje różne stopnie utlenianie: CO i CO2.
Tlenek węgla (II) CO, czyli jak to się nazywa, tlenek węgla, reprezentuje bezbarwny gaz, bezwonny. Temperatura wrzenia -191,5°. Jest nieco lżejszy od powietrza i wyjątkowo trujący. Toksyczność tlenku węgla tłumaczy się tym, że w połączeniu z hemoglobiną we krwi, z którą styka się, gdy dostanie się do płuc, tworzy karboksyhemoglobinę, która jest silnym związkiem, który nie ma zdolności reagowania z tlenem . W ten sposób hemoglobina we krwi jest ubezwłasnowolniona, a w przypadku ciężkiego zatrucia osoba może umrzeć głód tlenu. Tlenek węgla może przedostać się do pomieszczenia ogrzewanego piecami, jeśli komin zostanie zamknięty zbyt wcześnie, a niespalony tlenek węgla przedostanie się do salonu.
Właściwości chemiczne tlenku węgla są bardzo zróżnicowane. Jest to gaz palny, który łatwo pali się niebieskim płomieniem w tlenie i powietrzu, tworząc dwutlenek węgla:
2CO + O2 = 2CO2
Węgiel w tej reakcji ulega utlenieniu, przechodząc z C +2 do C +4, czyli wykazuje właściwości redukujące. Dlatego tlenek węgla można stosować jako środek redukujący. Rzeczywiście, tlenek węgla można zredukować z tlenków:
FeO + CO = CO2 + Fe
Należy również zauważyć, że tlenek węgla jest tlenkiem nie tworzącym soli.
11. Pierwiastek ołów Pb, który również należy do głównej podgrupy grupy IV, może tworzyć tlenek, w którym wykazuje stopień utlenienia +2; węgiel może również tworzyć tlenek, gdzie wykazuje ten sam stopień utlenienia. Porównaj właściwości chemiczne tych dwóch tlenków i zilustruj je równaniami reakcji.
Palność tlenku węgla, a także jego właściwości redukujące sprawiają, że jest on bardzo cennym paliwem i reduktorem w wielu zastosowaniach. procesy produkcji, zwłaszcza w metalurgii, dlatego tlenek węgla jest specjalnie wytwarzany w piecach, które nazywane są generatorami gazu (ryc. 65).
Ryż. 65. Obwód generatora gazu
Generator gazu to piec, do którego wlewa się koks. Koks jest podpalany od dołu, a od dołu doprowadzane jest powietrze w celu podtrzymania spalania koksu. Kiedy tlen zawarty w powietrzu wchodzi w kontakt z gorącym węglem, ten spala się, tworząc dwutlenek węgla:
C + O2 = CO2
Przechodząc przez kolejne sole węgla, dwutlenek węgla redukuje się do tlenku węgla: CO2 + C = 2CO
W rezultacie z generatora gazu wydobywa się gaz generatorowy o następującym składzie: CO + CO2 + N2 (powietrze). Gaz ten nazywany jest powietrzem. Powietrze gazowe zawiera tylko jedną substancję łatwopalną, CO, a dwutlenek węgla, CO2, jest balastem. Aby upewnić się, że w gazie nie ma balastu, przez generator przepuszcza się przegrzaną parę wodną, która w reakcji z węglem tworzy gaz wodny:
C + H2O ⇄ CO + H2
Gaz wodny nie ma balastu, ponieważ tlenek węgla pali się i jest dobrym środkiem redukującym, ale gdy para wodna przepuszcza przez węgiel przez dłuższy czas, ta ostatnia ochładza się i przestaje działać. Aby temu zapobiec, przez generator gazu przepuszcza się naprzemiennie powietrze i parę wodną, w wyniku czego powstaje mieszanina gazów.
Gazy generatorowe mają szerokie zastosowanie w technologii.
Ryż. 66. Schemat podziemnego zgazowania węgla.
▪ 12. Jaka objętość gazu wodnego powstanie po przepuszczeniu pary wodnej przez 36 kg węgla?
13. Napisz równania reakcji zachodzących podczas redukcji tlenku żelaza(III) gazem wodnym.
14. Jak oddzielić gazy tworzące gaz generatora powietrza?
15. Gaz z generatora powietrza przepuszczono przez roztwór wapnia. Jak zmienił się skład mieszanina gazów? Potwierdzić równaniami reakcji.
16. Czym różni się gaz mieszany od gazu powietrznego? Wskaż skład składników mieszaniny gazowej.
W 1888 roku D.I. Mendelejew zaproponował metodę podziemnego zgazowania węgla. Składa się z następujących elementów. W pokładzie węgla (ryc. 66) wierci się od powierzchni w dół dwa odwierty w odległości 25-30 m od siebie. Za pomocą grzejników elektrycznych podpalany jest pokład węgla znajdujący się poniżej. Kiedy powietrze jest wprowadzane do studni nadmuchowej, pomiędzy nią a studnią wylotową gazu spala się kanał, przez który gazy przedostają się do studni wylotowej gazu i wzdłuż niej unoszą się na powierzchnię. W najniższej części pokładu, podobnie jak w generatorze gazu, węgiel spalany jest do dwutlenku węgla. Nieco wyżej dwutlenek węgla redukuje się do tlenku węgla, a jeszcze wyżej pod wpływem ciepła ogrzanego pokładu węgla prowadzi się suchą destylację, której produkty są również usuwane przez studnię wylotową gazu. Produkty suchej destylacji są bardzo cenne. Następnie oddziela się od nich ulatniający się gaz, po czym można go wykorzystać zgodnie z jego przeznaczeniem.
Gaz generatorowy wykorzystywany jest w metalurgii, przy produkcji szkła i ceramiki, w turbinach gazowych i silnikach wewnętrzne spalanie, w domu.
Tlenek węgla i szeroko stosowany w przemyśle synteza organiczna- przy odbiorze amoniaku, chlorek wodoru, paliwo sztuczne, detergenty itp.
■ 17. Oblicz zużycie węgla w generatorze gazu, jeśli wynikiem jest 112 litrów gazu wodnego.
Dwutlenek węgla CO2 jest najwyższym tlenkiem węgla, ma 44 cu. e. (jest ponad półtora razy cięższy od powietrza). Temperatura wrzenia (sublimacja) -78,5°.
Po silnym ochłodzeniu dwutlenek węgla zamienia się w stałą masę przypominającą śnieg - „suchy lód”, który pod normalnym ciśnieniem nie przechodzi w ciecz, ale sublimuje, co jest bardzo wygodne podczas przechowywania łatwo psujących się produktów: po pierwsze nie ma wilgoci , a po drugie, atmosfera Dwutlenek węgla hamuje rozwój bakterii i pleśni. Dwutlenek węgla jest typowym tlenkiem kwasowym, który ma wszystkie charakterystyczne właściwości.
■ 18. Napisz równania reakcji chemicznych charakteryzujących właściwości dwutlenku węgla jako tlenku kwasowego.
Dwutlenek węgla jest dość rozpuszczalny w wodzie: jedna objętość CO2 rozpuszcza się w jednej objętości wody. W tym przypadku oddziałuje z wodą tworząc bardzo niestabilny kwas węglowy: H2O + CO2 ⇄ H2CO3
Wraz ze wzrostem ciśnienia gwałtownie wzrasta zawartość dwutlenku węgla. Stanowi to podstawę do wykorzystania CO2 w produkcji napojów gazowanych.
■ 19. Znając wzorce przesunięć równowagi, wskaż, w którą stronę równowaga może zostać przesunięta w reakcji
CO2+ H2O ⇄ H2CO3
a) zwiększenie ciśnienia krwi; b) zwiększenie temperatury.
Dwutlenek węgla nie wspomaga spalania ani oddychania, a w jego atmosferze zwierzęta umierają nie z powodu zatrucia, ale z braku tlenu. Tylko spalanie w bardzo wysokiej temperaturze może spalić dwutlenek węgla, rozkładając go, a tym samym redukując węgiel:
2Mg + CO2 = 2MgO + C
Jednocześnie niezbędny jest dwutlenek węgla zielone rośliny dla procesu fotosyntezy. Wzbogacanie atmosfery dwutlenkiem węgla w szklarniach sprzyja tworzeniu się materii organicznej przez rośliny.
W atmosfera ziemska zawiera 0,04% dwutlenku węgla. Niewielka ilość dwutlenku węgla w powietrzu pobudza czynność ośrodka oddechowego.
Dwutlenek węgla zwykle otrzymuje się w wyniku reakcji niektórych soli kwasu węglowego mocny kwas:
CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2CO3
Proces ten prowadzony jest w laboratorium w aparacie Kippa, ładującym go marmurem i kwasem solnym.
Ryż. 67. Gaśnica pianowa. 1-zbiornik z wodnym roztworem sody; 2 - ampułka z kwasem siarkowym; 3 - perkusista; 4 - siatka żelazna; 5 - wylot; b - uchwyt
Podobną metodę wytwarzania dwutlenku węgla stosuje się w tzw. gaśnicach pianowych (ryc. 67). Gaśnica ta ma postać stalowej butli wypełnionej roztworem sody Na2CO3. Zanurzony w tym rozwiązaniu szklana ampułka z kwasem siarkowym. Nad ampułką zamontowany jest wybijak, którym w razie potrzeby można rozbić ampułkę, po czym zacznie on oddziaływać z sodą zgodnie z równaniem:
Na2CO3 + H2SO4 = Na2SO4 + H2CO3
Uwalniający się w dużych ilościach dwutlenek węgla tworzy obfitą pianę, która pod wpływem ciśnienia gazu zostaje wyrzucona przez otwór w bocznej ścianie i przykrywając płonący przedmiot, utrudnia dostęp tlenu z powietrza.
Do celów przemysłowych dwutlenek węgla otrzymuje się z rozkładu wapienia:
CaCO3 = CaO + CO2
Dwutlenek węgla powstaje podczas spalania węgla i jest również uwalniany podczas fermentacji cukrów i innych procesów.
─ 20. Czy gaśnicę pianową można napełnić roztworem innego węglanu zamiast roztworu sody? Kwas Siarkowy zastąpić innym kwasem. Daj przykłady.
21. Przez wodę jodowaną przepuszczono mieszaninę gazów składającą się z dwutlenku węgla, siarkowodoru i dwutlenku siarki. Jaki jest skład mieszaniny gazów na wylocie? Co jest w rozwiązaniu?
22. Jaka objętość dwutlenku węgla powstanie po spaleniu 112 litrów tlenku węgla?
23. Jaka objętość tlenku węgla powstaje podczas utleniania 4 moli węgla?
24. Ile dwutlenku węgla można otrzymać z rozkładu 250 g wapienia zawierającego 20% zanieczyszczeń, jeśli uzysk CO2 wynosi 80% teoretycznej?
25. Ile waży 1 m 3 mieszaniny gazów składającej się z 70% tlenku węgla i 30% dwutlenku węgla?
Kwas węglowy i jego sole
Dwutlenek węgla to bezwodnik węgla. Sam H2CO3 jest bardzo delikatną substancją. Istnieje tylko w roztwory wodne. Kiedy próbujesz wyizolować go z tych roztworów, łatwo rozkłada się na wodę i dwutlenek węgla:
H2CO3 ⇄ H2O + CO2
H2CO3 ⇄ H + + HCO - 3 ⇄ 2H + + CO 2 3 -
jest bardzo słaby elektrolit; jednakże, będąc dwuzasadowym, tworzy dwie serie soli: średnie i kwaśne - wodorowęglany. Sole dwutlenku węgla są interesujące, ponieważ pod wpływem kwasu uwalniany jest dwutlenek węgla:
K2CO3 + 2HCl = 2KCl + H2CO3
■ 26. Zapisz powyższe równanie w postaci jonowej, a także podaj dwa kolejne równania reakcji ilustrujące wpływ kwasów.
27. Napisz równanie reakcji kwasu solnego na wodorowęglan magnezu w postaci cząsteczkowej i jonowej.
Poddane działaniu dwutlenku węgla i wody zamieniają się w wodorowęglany. Po podgrzaniu następuje odwrotna przemiana:
normalne warunki
CaCO3 + CO2 + H2O ⇄ Ca(HCO3)2
ogrzewanie
Przejście nierozpuszczalnego węglanu w rozpuszczalny wodorowęglan prowadzi do wymywania węglanów ze skorupy ziemskiej, w wyniku czego powstają puste przestrzenie - jaskinie. Węglany przez większą część nierozpuszczalny w wodzie, z wyjątkiem węglanów metale alkaliczne i amon. Wodorowęglany są bardziej rozpuszczalne.
Wśród węglanów specjalna uwaga zasługuje na CaCO3, który występuje w trzech postaciach: w postaci marmuru, wapienia i kredy. Ponadto w połączeniu z węglanem magnezu wchodzi w skład głaz dolomit MgCO3 · CaCO3. Pomimo tego samego skład chemiczny właściwości fizyczne tych skał są zupełnie inne.
Marmur jest twardą, krystaliczną substancją pochodzenia magmowego. Stopniowo krystalizował wewnątrz stygnącej magmy. Często marmur jest barwiony zanieczyszczeniami różne kolory. Marmur jest bardzo dobrze wypolerowany i dlatego jest szeroko stosowany jako materiał wykończeniowy do okładzin konstrukcji budowlanych i rzeźby.
Wapień - skała osadowa pochodzenie organiczne. Często w wapieniu można znaleźć pozostałości starożytnych zwierząt, głównie mięczaków w wapiennych muszlach. Czasami są dość duże, a czasami można je zobaczyć tylko pod mikroskopem. Przez miliony lat wapień uległ zagęszczeniu i stał się tak twardy, że wykorzystuje się go jako materiał budowlany. Ale teraz jest stopniowo zastępowany tańszymi, lżejszymi i wygodniejszymi sztucznymi materiałami. Wapień używany jest głównie do produkcji wapna.
Kreda to miękka, biała skała osadowa. Stosowany w budownictwie do wybielania. Przy wytwarzaniu proszku do zębów kredę najpierw rozpuszcza się w kwasie, a następnie ponownie wytrąca, ponieważ naturalna substancja zawiera najmniejszą cząstki stałe krzemionka, która może zarysować szkliwo zębów.
Wodorowęglan wapnia Ca(HCO3)2 występuje w przyrodzie w postaci rozpuszczonej. Powstaje w wyniku działania wody w połączeniu z dwutlenkiem węgla na wapieniu. Obecność tej soli nadaje wodzie chwilową twardość (węglanową).
Wyjątkowo interesująca jest soda Na2CO3, która czasami występuje naturalnie w tzw. jeziorach sodowych. Ale obecnie ekstrakcja sody z naturalne źródła zastępuje się tańszą, sztuczną produkcją tego produktu. Jeśli soda zawiera wodę krystalizacyjną, nazywa się ją sodą krystaliczną Na2CО3 10Н2О, ale jeśli jej nie zawiera, to soda kalcynowana. Soda ma bardzo szerokie zastosowanie w przemyśle mydlarskim, tekstylnym, papierniczym i szklarskim.
Wodorowęglan sodu lub bi węglan sodu, czyli soda oczyszczona, NaHCO3 stosuje się w wypiekach cukierniczych jako środek spulchniający, a także w leku na nadkwaśność żołądka, zgagę, cukrzycę itp.
Węglan potasu K2CO3, czyli potaż, podobnie jak soda, stosowany jest w przemyśle mydlarskim oraz do produkcji szkła ogniotrwałego.
Należy zaznaczyć, że węgiel tworzy tzw związki organiczne, których liczba i różnorodność znacznie przewyższają związki wszystkich innych elementów razem wziętych. Szczegółowe badania związków węgla są podzielone na niezależną dziedzinę zwaną chemią organiczną.
■ 28. Jak odróżnić od siebie węglan sodu w postaci stałej,
32,2 kg kalcynowano węglanu wapnia. Masa pozostałości po kalcynacji wynosiła 1 kg · 800 g. Jaki procent węglanu uległ rozkładowi?
33. Jak pozbyć się zanieczyszczeń azotanem wapnia?
34. Jak mając do dyspozycji wyłącznie kwas solny, rozpoznać węglan baru, siarczyn baru i siarczan baru?
35. Tlenek żelaza(III) zredukowano tlenkiem węgla otrzymanym z 5 kg węgla. Ile żelaza uzyskano?
Węgiel jest niezbędny ważny element dla zwierząt i roślin. Rośliny wykorzystują dwutlenek węgla z powietrza i energię słoneczną do tworzenia materii organicznej. Z kolei służą roślinożercom, którzy żywią się roślinami, korzystając z tych gotowych substancji
Ryż. 68. Obieg węgla w przyrodzie
pokarm dla drapieżników. Rośliny i zwierzęta umierając, gniją, utleniają się i częściowo przekształcają w dwutlenek węgla, który jest ponownie pochłaniany przez rośliny, a częściowo stopniowo rozkłada się w glebie, tworząc różne rodzaje paliwo. Podczas spalania paliwa wydziela się dwutlenek węgla, który przedostaje się do atmosfery i jest zużywany przez rośliny (ryc. 68).
WŁAŚCIWOŚCI CHEMICZNE RADONU Zachowanie chemiczne cząsteczki dowolnego izotopu radonu zależy od jego przynależności do gazów obojętnych. To prawda, wśród nich...