Углерод образует 5 аллотропных модификаций: кубический алмаз, гексагональный алмаз, графит и две формы карбина . Гексагональный алмаз найден в метеоритах (минерал лонсдейлит ) и получен искусственно при очень высоком давлении и длительном нагревании.
Алмаз – самый твердый из всех природных веществ – используют для резки стекла и для бурения горных пород. Алмаз – прозрачное, бесцветное, кристаллическое вещество, обладающее высокой светопреломляемостью. Алмазы образуют отдельные кристаллы, образующие кубическую гранецентрированную решетку – одна половина атомов в кристалле расположена в вершинах и центрах граней одного куба, а другая – в вершинах и центрах граней другого куба, смещенного относительно первого в направлении его пространственной диагонали. sp3-гибридизация . Атомы образует трехмерную тетраэдрическую сетку, где они связаны ковалентными связями.
Из простых веществ алмаз имеет максимальное число атомов, расположенных плотно друг к другу, отчего он прочный и твердый. Прочность связей в углеродных тетраэдрах (?-связи) обуславливает высокую химическую устойчивость алмаза. На него действует лишь F2и O2при 800 °C.
При сильном нагревании без доступа воздуха алмаз переходит в графит. Графит – кристаллы темно-серого цвета, со слабым металлическим блеском, маслянистый на ощупь. sp3-гибридизация . Каждый атом образует по 3 ковалентных?-связи с соседними атомами под углом 120° – образуется плоская сетка, состоящая из правильных шестиугольников, в вершинах которых находятся атомы С. Образовавшиеся слои С идут параллельно друг другу. Связи между ними слабые, их обеспечивают электроны, не участвующие в гибридизации орбиталей. Последние образуют?-связи. Связь атомов С в разных слоях носит частично металлический характер – обобществление электронов всеми атомами.
Графит обладает относительно высокой электро– и теплопроводностью, стоек к нагреванию. Из графита изготавливают карандаши.
Карбин получен синтетически? и?-формы (поликумулен ) каталитическим окислением ацетилена. Это твердые, черные вещества со стеклянным блеском. При нагревании без доступа воздуха переходят в графит.
Уголь – аморфный углерод – неупорядоченная структура графита – получается при нагревании углеродосодержащих соединений.
В природе имеется большие залежи угля.
Уголь имеет несколько сортов:
2) костяной уголь;
40. Оксиды углерода. Угольная кислота
Углерод с кислородом образует оксиды: СО, СО2, С3О2, С5О2, С6О9 и др. Оксид углерода (II) – СО . Физические свойства: угарный газ, без цвета и запаха, ядовит, в воде почти не растворим, растворим в органических растворителях, t кипения = -192 °C, t плавления = -205 °C. Химические свойства: несолеобразующий оксид. В обычных условиях малоактивен, при нагревании проявляет восстановительные свойства:
1) с кислородом: 2C+2O + O2 = 2C+4O2;
2) восстанавливает металлы из руд: C+2O + CuO = Сu + C+4O2;
3) с хлором (на свету): CO + Cl2 = COCl2(фосген);
4) с водородом: СО + Н2 = СН3ОН (метанол);
5) с серой: СО + S = СОS (сульфоксид углерода);
6) реагирует с расплавами щелочей: CO + NaOH = HCOONa (формиат натрия);
7) с переходными металлами образует карбонилы: Ni + 4CO = Ni(CO)4, Fe + 5CO = Fe(CO)5.
СО легко соединяется с гемоглобином – Hb крови, образуя карбоксигемоглобин, препятствуя переносу О2 от легких к тканям: Hb + CO = HbCO.
При вдохе воздуха карбогемоглобин распадается на исходные продукты: HbCO?Hb + CO.
Получение:
1) в лаборатории – термическим разложением муравьиной или щавелевой кислоты в присутствии H2SO4(конц.):
2) в промышленности (в газогенераторах):
Оксид углерода (IV) СO2. Физические свойства: углекислый газ, без цвета и запаха, малорастворим в воде, тяжелее воздуха, t плавления = -78,5 °C, твердый CO2 – сухой лед, не поддерживает горение.
Получение:
1) в промышленности (обжиг известняка): CaCO3?CaO + CO2;
2) действием сильных кислот на карбонаты и гидрокарбонаты: CaCO3(мрамор) + 2HCl =CaCl2 + H2O + CO2; NaHCO3 + HCl = NaCl + H2O + CO2.
Химические свойства: кислотный оксид, реагирует с основными оксидами и основаниями, образуя соли угольной кислоты:
При повышенной температуре проявляет окислительные свойства: С+4O2 + 2Mg = 2Mg+2O + C0.
Качественная реакция – помутнение известковой воды: Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3(белый осадок) + H2O.
Угольная кислота – слабая, существует в водном растворе: CO2 + H2O = H2CO3.
Соли: средние – карбонаты (С О32-), кислые – бикарбонаты, гидрокарбонаты (НС03-).
Карбонаты и гидрокарбонаты превращаются друг в друга:
Качественная реакция – «вскипание» при действии сильной кислоты: Na2CO3 + 2HCl = 2NaCl + H2O + CO2; CO32-+ 2H+= H2O + CO2.
Слайд 2
Нахождение в природе.
Среди множества химических элементов, без которых невозможно существование жизни на Земле, углерод является главным. Более 99% углерода в атмосфере содержится в виде углекислого газа. Около 97% углерода в океанах существует в растворённой форме (), а в литосфере - в виде минералов. Элементарный углерод присутствует в атмосфере в малых количествах в виде графита и алмаза, а в почве - в форме древесного угля.
Слайд 3
Положение в ПСХЭ.Общая характеристика элементов подгруппы углерода.
Главную подгруппу IV группы периодической системы Д. И. Менделеева образуют пять элементов - углерод, кремний, германий, олово и свинец. В связи с тем, что от углерода к свинцу радиус атома увеличивается, размеры атомов возрастают, способность к присоединению электронов, а, следовательно, и неметаллические свойства будут ослабевать, легкость же отдачи электронов - возрастать.
Слайд 4
Электронноестроение
В нормальном состоянии элементы этой подгруппы проявляют валентность, равную 2.При переходе в возбуждённое состояние, сопровождающееся переходом одного из s – электронов внешнего слоя в свободную ячейку p – подуровня того же уровня, все электроны наружного слоя становятся не спаренными и валентность при этом возрастает до 4.
Слайд 5
Методы получения: лабораторные и промышленные.
Углерод Неполное сжигание метана: СН4 + О2 = С + 2Н2О Оксид углерода (II) В промышленности: Оксид углерода (II) получают в особых печах, называемых газогенераторами, в результате двух последовательно протекающих реакций. В нижней части газогенератора, где кислорода достаточно, происходит полное сгорание угля и образуется оксид углерода (IV): C + O2 = CO2 + 402 кДж.
Слайд 6
По мере продвижения оксида углерода (IV) снизу вверх последний соприкасается с раскалённым углём: CO2 + C = CO – 175 кДж. Получающийся газ состоит из свободного азота и оксида углерода (II). Такая смесь называется генераторным газом. В газогенераторах иногда через раскалённый уголь продувают водяной пар: C + H2O = CO + H2 – Q, «CO + H2» - водянойгаз. В лаборатории: Действуя на муравьиную кислоту концентрированной серной кислотой, которая связывает воду: HCOOH H2O + CO.
Слайд 7
Оксид углерода (IV) В промышленности: Побочный продукт при производстве извести: CaCO3 CaO + CO2. В лаборатории: При взаимодействии кислот с мелом или мрамором: CaCO3 + 2HCl CaCl2 + CO2+ H2O. Карбиды Карбиды получают при помощи прокаливания металлов или их оксидов с углём.
Слайд 8
Угольная кислота Получают растворением оксида углерода (IV) в воде. Так как угольная кислота очень не прочное соединение, то эта реакция обратима:CO2 + H2O H2CO3. Кремний В промышленности: При нагревании смеси песка и угля: 2C + SiO2Si + 2CO. В лаборатории: При взаимодействии смеси чистого песка с порошком магния: 2Mg + SiO2 2MgO + Si.
Слайд 9
Кремниевая кислота Получают при действии кислот на растворы её солей. При этом она выпадает в виде студенистого осадка: Na2SiO3 + HCl 2NaCl + H2SiO3 2H+ + SiO32- H2SiO3
Слайд 10
Аллотропные видоизменения углерода.
Углерод существует в трех аллотропных модификациях: алмаз, графит и карбин.
Слайд 11
Графит.
Мягкий графит имеет слоистое строение. Непрозрачен, серого цвета с металлическим блеском. Довольно хорошо проводит электрический ток, благодаря наличию подвижных электронов. Скользок на ощупь. Одно из самых мягких среди твердых веществ. Рис.2 Модель решетки графита.
Слайд 12
Алмаз.
Алмаз - самое твердое природное вещество. Кристаллы алмазов высоко ценятся и как технический материал, и как драгоценное украшение. Хорошо отшлифованный алмаз - бриллиант. Преломляя лучи света, он сверкает чистыми, яркими цветами радуги. Самый крупный из когда-либо найденных алмазов весит 602 г, имеет длину 11 см, ширину 5 см, высоту 6 см. Этот алмаз был найден в 1905 г и носит имя «Кэллиан». Рис.1 Модель решетки алмаза.
Слайд 13
Карбин и Зеркальный углерод.
Карбин представляет собой порошок глубокого черного цвета с вкраплением более крупных частиц. Карбин - самая термодинамически устойчивая форма элементарного углерода. Зеркальный углерод имеет слоистое строение. Одна из важнейших особенностей зеркального углерода (кроме твердости, стойкости к высоким температурам и т. д.) - его биологическая совместимость с живыми тканями.
Слайд 14
Химические свойства.
Щелочи переводят кремний в соли кремниевой кислоты с выделением водорода:Si + 2КОН + H2O= К2Si03 + 2Н2 С водой углерод и кремний реагируют лишь при высоких температурах: С + Н2О ¬ СО + Н2 Si + ЗН2О = Н2SiO3 + 2Н2 Углерод в отличие от кремния непосредственно взаимодействует с водородом:С + 2Н2 = СН4
Слайд 15
Карбиды.
Соединения углерода с металлами и другими элементами, которые по отношению к углероду являются электроположительными, называются карбидами. При взаимодействии карбида алюминия с водой образуется метан Al4C3 + 12H2O = 4Al (OH)3 + 3CH4 При взаимодействии с водой карбида кальция – ацетилен: CaC2 + 2H2O = Ca (OH)2 + C2H2
Рb. Все они относятся к р -элементам, так как у них достраивается р -электронная оболочка внешнего слоя (табл. 15).
|
Элемент |
Заряд ядра |
Число электронов на энергетических уровнях |
Радиус атома, Å |
||||||
|
0,77 1,17 1,22 1,40 1,46 |
|||||||||
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,
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).
РАДОН ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Химическое поведение молекулы любого изотопа радона определяется его принадлежностью к инертным газам. Правда, в их ряду...
Тема – 20: Подгруппа углерода. Положение углерода в периодической системе. Аллотропия углерода.
Студент должен:
Знать:
· Особенности строения атом подгруппы углерода.
· Свойства, состав, получение и применений важнейших химических соединений.
Уметь:
· Характеризовать общие свойства подгруппы углерода.
· Составлять химические формулы водородных и кислородных соединений.
· Выполнять химические опыты, подтверждающие свойства изученных неметаллов.
20.1. Общая характеристика неметаллов (IV) группы
Главную подгруппу IV группы образуют элементы углерод (С), кремний (Si ), германий (Ge ), олово (Sn ), и свинец (Рb).
Электронная конфигурация внешнего электронного слоя атомов элементов этой подгруппы - ns 2 np 2 . В основном (невозбужденном) состоянии на р-подуровне находятся два неспаренных электрона, которые обусловливают общую для всех элементов валентность, равную (II). При переходе атомов в возбужденное состояние число неспаренных электронов увеличивается до четырех, поэтому еще одна характерная валентность равна IV.
https://pandia.ru/text/80/150/images/image002_147.jpg" width="400" height="120">
Углерод и кремний проявляют в различных соединениях как положительные, так и отрицательные степени окисления. Металлы Ge, Sn, Pb во всех соединениях проявляют положительные степени окисления, за исключением водородных соединений GeH4, SnH4 и РЬН4, которые весьма неустойчивы.
Из всей подгруппы только углерод образует устойчивое водородное соединение СН4.
Элементы главной подгруппы IV группы образуют высшие оксиды типа R02 и низшие оксиды типа RO. Характер этих оксидов различен:
20.2.Углерод
Электронная формула атома углерода - ls22s22p2. Элекронно - графическая формула внешнего слоя:
Возможные валентности: II, IV. Возможные степени окисления: -4, 0, +2, +4.
В большинстве своих соединений углерод имеет валентность IV и степень окисления +4.
Так как углерод обладает большой энергией ионизации и малой энергией сродства к электрону, для него не характерно образование ионных связей. Обычно углерод образует ковалентные малополярные связи.
Отличительной особенностью углерода является способность его атомов соединяться друг с другом с образованием углерод-углеродных цепей: линейных, разветвленных и циклических:
https://pandia.ru/text/80/150/images/image005_76.jpg" width="373" height="282">
Графит - мягкое темно-серое вещество с металлическим блеском. Кристаллическая решетка имеет слоистое строение (рис. 15).
В плоскости одного слоя атомы углерода связаны между собой прочными ковалентными связями между собой прочными ковалентными связями и образуют шестичленные кольца. Отдельные слои графита, составленные из бесконечного множества таких колец, связаны друг с другом сравнительно слабо. Расстояние между слоями в кристалле графита больше расстояния между соседними атомами в одной плоскости в 2,5 раза.
Иными словами, каждый атом углерода в кристаллической решетки графита образует 3 прочные ковалентные связи с атомами углерода в том же слое, на что затрачивает три валентных электрона. Четвертый электрон является относительно свободным. Эти свободные электроны принимают участие в образовании связей между слоями, обобществляясь всеми атомами кристалла по типу металлической связи. Таким образом, кристаллическую решетку графита можно считать переходной между атомной и металлической решетками. Этим объясняются сравнительно высокие электро - и теплопроводность графита.
С некоторыми оговорками (ввиду наличия примесей) к аллотропным модификациям углерода можно отнести и так называемый аморфный углерод, важнейшими представителями которого являются сажа, кокс и древесный уголь . Из древесного угля путем его обработки перегретым паром при высокой температуре получают активированный уголь.
Искусственно получают еще одну аллотропную модификацию углерода - карбин. Это порошок черного цвета с вкраплениями более крупных частиц. В карбине атомы углерода соединяются друг с другом в длинные линейные цепи двух типов: с чередованием тройных и одинарных связей... - С = С-С = С - С = С- ...и с непрерывной системой двойных связей... = С = С = С = С = ... .В последние годы небольшие количества карбина обнаружены в природе.
20.2.2. Химические свойства углерода
При обычной температуре углерод проявляют малую химическую активность. При нагревании реакционная способность увеличивается, особенно у графита и аморфного углерода.
Имея на внешнем электронном слое 4 электрона, атомы углерода могут их отдавать, проявляя при этом восстановительные свойства:
С0 - 4ё → С+4
С другой стороны, атомы углерода могут принимать недостающие до октета 4 электрона, проявляя при этом окислительные свойства:
С0 + 4ё → С-4.
Так как у углерода невысокая электроотрицательность (по сравнению с галогенами, кислородом, азотом и другими активными неметаллами), то окислительные свойства его выражены значительно слабее.
1. Углерод как восстановитель
При взаимодействии с простыми веществами, образованными более электроотрицательными неметаллами, углерод проявляет восстановительные свойства.
а) Предварительно нагретый углерод горит на воздухе
с
выделением большого количества тепла, образуя оксид
углерода (CO2), или углекислый газ:
С + 02 = С02 + Q (T° = -394 кДж/моль).
При недостатке кислорода образуется оксид углерода (II), или угарный газ СО:
2С + 02 → 2СО.
б) Раскаленный углерод взаимодействует с
серой и ее
парами, образуя дисульфид серы CS2 (сероуглерод):
С + 2S = CS2 - Q (это эндотермическая реакция)
Сероуглерод представляет собой летучую (Ткип = 46 °С) бесцветную жидкость с характерным запахом; является прекрасным растворителем жиров, масел, смол и т. д.
в) Из галогенов углерод наиболее легко взаимодействует
с фтором:
С + 2F2 = CF4 тетрафторуглерод
г) С азотом углерод непосредственно не взаимодействует.
Углерод выступает в роли восстановителя по отношению к сложным веществам:
а) при пропускании водяного пара через раскаленный
уголь образуется смесь углерода (II) с водородом (водяной газ)
б) при высокой температуре углерод восстанавливает
металлы из их оксидов:
https://pandia.ru/text/80/150/images/image008_58.jpg" height="12">реакции показывают, что углерод по своей восстановительной способности близок к металлам.
2. Углерод как окислитель
Окислительные свойства углерод проявляет по отношению к металлам и водороду.
а) Существует огромное количество углеводородов СхНу, т.е. соединений углерода с водородом. Однако непосредственное взаимодействие простых веществ С и Н2 Протекает с большим трудом при высоких температурах и давлении, в присутствии катализатора (платины или никеля). В результате этой обратимой реакции образуется простейший углерод - метан.
б) Несколько легче углерод взаимодействует с металлами, образуя карбиды металлов:
1
Са + 2С° = СаС2 карбид кальция
Карбиды металлов активно взаимодействуют с водой и кислотами.
20.3. Общая характеристика кремния
Кремний является аналогом углерода. Электронная конфигурация атома кремния:
Строениеhttps://pandia.ru/text/80/150/images/image010_52.jpg" width="150 height=57" height="57">
Как и углерод, кремний является неметаллом и про-, являет в своих соединениях и положительные, и отрицательные степени окисления, наиболее характерными являются следующие: -4 (силан SiH4, силициды металлов Mg2Si, Ca2Si и др.);
О (простое вещество Si) +4 (оксид кремния (IV), кремниевая кислота H2Si03 и ее соли - силикаты, галогениды кремния (IV) SiF, и др.) Наиболее устойчива для кремния степень окисления +4.
20.3.1. Нахождение в природе
Кремний - один из самых распространенных в земной коре элементов (более 25 % массы). Главная часть земной коры состоит из силикатных пород, представляющих собой соединения кремния с кислородом и рядом других элементов. Природные силикаты - это довольно сложные вещества. Их состав обычно изображается как соединение нескольких оксидов. Соединения, в состав которых входит оксид алюминия, называются алюмосиликатами. Таковы: белая глина А1203 2Si02 2Н20, полевой шпат К20 А1203 6 Si 02, слюда К20 А1203 6 Si 02 Н20.
Многие природные силикаты в чистом виде являются драгоценными камнями , например, аквамарин, изумруд, топаз и другие.
Значительная часть природного кремния представлена оксидом кремния (IV) Si02. Свободного Si02 в земной коре около 12 %, в виде горных пород 43 %. В общей сложности более 50 % земной коры состоит из оксида кремния (IV)
Очень чистый кристаллический Si02 известен в виде минералов горного хрусталя и кварца. Кварц распространен в виде песка и твердого минерала кремня (гидратиро-ванного оксида кремния (IV), или кремнезема).
Оксид кремния (IV), окрашенный различными примесями, образует драгоценные и полудрагоценные камниагат, аметист, яшму. В свободном виде кремний в природе не встречается.
20.3.2. Получение
В промышленности для получения кремния используют чистый песок Si02. В электрических печах при высокой температуре происходит восстановления кремния из его оксида коксом (углем):
Si02 + 2C = Si + 2CO
В лаборатории в качестве восстановителей используют магний или алюминий:
Si02 + 2Mg I Si + 2MgO
3Si02 + 4A1 =° 3Si + 2A1203
Наиболее чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремния водородом или цинком:
Электропроводка" href="/text/category/yelektroprovodka/" rel="bookmark">электропроводностью . Кристаллический кремний получают перекристаллизацией аморфного кремния. Аморфный кремний является более реакционноспособным, чем химически довольно инертный кристаллический кремний. Кристаллический кремний - полупроводник, его электропроводность возрастает при освещении и нагревании.
20.3.4. Химические свойства
По химическим свойствам кремний во многом схож с углеродом, что объясняется одинаковой структурой внешнего электронного слоя. При обычных условиях кремний довольно инертен, что обусловлено прочностью его кристаллической решетки. Непосредственно при комнатной температуре он взаимодействует только с фтором. При температуре 400-600 °С кремний реагирует с хлором и бромом, а в кислороде измельченный кремний сгорает. С азотом и углеродом кремний реагирует при очень высоких температурах. Во всех указанных реакциях кремний играет роль восстановителя.
https://pandia.ru/text/80/150/images/image013_31.jpg" width="355 height=108" height="108">
В технике карборунд получают в электрических печах из смеси песка и кокса:
Карборунд имеет алмазоподобную кристаллическую решетку, в которой каждый атом кремния окружен четырьмя атомами углерода и наоборот. Ковалентные связи между атомами очень прочны. Поэтому по твердости карборунд близок к алмазу. В технике карборунд применяют для изготовления точильных камней и шлифовальных кругов.
Кремний как восстановитель взаимодействует и с некоторыми сложными веществами, например, с фтороводородом:
С другими галогеноводородами он в реакцию не вступает.
На холоду кремний реагирует со смесью азотной и плавиковой (HF) кислот:
https://pandia.ru/text/80/150/images/image016_27.jpg" width="230" height="38 src=">
Силан - ядовитый газ с неприятным запахом, легко самовоспламеняется на воздухе:
SiH4 + 202 = Si02 + 2Н20
20.3.4. Оксид кремния (IV ). Кремниевая кислота и ее соли
Оксид кремния (IV) Si02 (диоксид кремния, кремнезем, ангидрид кремниевой кислоты) - твердое тугоплавкое вещество (температура плавления 1713 °С), нерастворимое в воде; из всех кислот только фтороврдородная кислота постепенно разлагает его:
Si02 + 4HF = SiF4T + 2Н20
Как кислотный океид Si02 при нагревании или сплавлении реагирует с основными оксидами, щелочами и некоторыми солями (например, карбонатами) с образованием кремниевойкислоты - силикатов.
Полученные искусственным путем силикаты натрия и калия - растворимое стекло - сильно гидролизованы. Их концентрированный раствор, называемый жидким стеклом, имеет сильнощелочную реакцию. Жидкое стекло применяется для изготовления несгораемых тканей, пропитки деревянных изделий, в качестве клея и т. д.
Кремниевая кислота H2Si03 относится к очень слабым кислотам. В воде она практически нерастворима, но легко образует коллоидные растворы. Ее можно получить из растворов силикатов действием на них более сильных кислот: соляной, серной, уксусной и даже угольной. H2Si03 выпадает из раствора в виде студенистого осадка:
https://pandia.ru/text/80/150/images/image018_25.jpg" width="170" height="28 src=">
20.3.5. Медико-биологическое значение углерода и кремния
Углерод. Является основой для всех органических соединений, это органоген номер один. Входит в состав клеток и тканей, всех биологически активных соединений. В организме гидрокарбонаты натрия и калия с угольной кислотой образуют буферную систему, участвующую в поддержании КОС (кислотно-основного состояния организма). Гидрокарбонат натрия (питьевая сода) применяется как антацидное средство. Активированный уголь как сорбирующее средство применяют при метеоризме, пищевых отравлениях, а также при отравлениях алкалоидами и солями тяжелых металлов.
Кремний входит в состав клеток эпителиальной и соединительной тканей, печени, надпочечника, хрусталика глаза. Нарушение обмена кремния связывают с возникновением гипертонии, ревматизма, гепатита и др.