Вуглець та його основні неорганічні сполуки. Фізичні та хімічні властивості вуглецю

Одним із найдивовижніших елементів, який здатний формувати величезну кількість різноманітних сполук органічної та неорганічної природи, є вуглець. Це настільки незвичайний за властивостями елемент, що Менделєєв передрікав йому велике майбутнє, говорячи про не розкриті поки особливості.

Пізніше це підтвердилося практично. Стало відомо, що він - головний біогенний елемент нашої планети, що входить до складу всіх живих істот. Крім цього, здатний існувати в таких формах, які кардинально різняться за всіма параметрами, але при цьому складаються лише з атомів вуглецю.

Загалом, особливостей цієї структури багато, саме з ними і постараємося розібратися в ході статті.

Вуглець: формула та положення в системі елементів

У періодичній системі елемент вуглець розташовується в IV (за новим зразком у 14) групі, головній підгрупі. Його порядковий номер 6, а атомна вага 12,011. Позначення елемента знаком С говорить про його назву латиною - carboneum. Є кілька різних форм, у яких є вуглець. Формула тому буває різна і залежить від конкретної модифікації.

Однак для написання рівнянь реакцій конкретне позначення, звичайно, є. В цілому, коли йдеться про речовину в чистому вигляді, прийнято молекулярну формулу вуглецю С, без індексації.

Історія відкриття елемента

Сам собою цей елемент відомий з самої давнини. Адже один із найголовніших мінералів у природі – це кам'яне вугілля. Тому для давніх греків, римлян та інших народностей секретом не був.

Крім цього різновиду, також використовували алмази та графіт. З останнім довгий час було багато заплутаних ситуацій, оскільки часто без аналізу складу за графіт приймали такі сполуки, як:

  • сріблястий свинець;
  • карбід заліза;
  • сульфід молібдену.

Всі вони були забарвлені у чорний колір і тому вважалися графітом. Пізніше це непорозуміння було роз'яснено, і ця форма вуглецю стала собою.

З 1725 велике комерційне значення набувають алмази, а в 1970 освоєно технологію отримання їх штучним шляхом. З 1779, завдяки роботам Карла Шееле, вивчаються хімічні властивості, які виявляє вуглець. Це послужило початком низки найважливіших відкриттів у галузі даного елемента і стало основою з'ясування всіх його унікальних особливостей.

Ізотопи вуглецю та поширення в природі

Незважаючи на те, що аналізований елемент - один з найважливіших біогенних, його загальний вміст у масі земної кори становить 0,15%. Так походить від того, що він зазнає постійної циркуляції, природного кругообігу в природі.

У цілому нині можна назвати кілька сполук мінерального характеру, до складу яких входить вуглець. Це такі природні породи, як:

  • доломіт і вапняки;
  • антрацит;
  • горючі сланці;
  • природний газ;
  • кам'яне вугілля;
  • нафту;
  • буре вугілля;
  • торф;
  • бітуми.

Крім цього, не слід забувати і про живі істоти, які є просто сховищем вуглецевих сполук. Адже їм утворені білки, жири, вуглеводи, нуклеїнові кислоти, а отже найважливіші структурні молекули. У цілому нині на перерахунок сухої маси тіла з 70 кг 15 посідає чистий елемент. І так у кожної людини, не кажучи вже про тварин, рослин та інші істоти.

Якщо ж розглянути і води, тобто гідросферу в цілому і атмосферу, то тут є суміш вуглець-кисень, що виражається формулою 2 . Діоксид або вуглекислий газ - один з основних газів, що становлять повітря. Саме такому вигляді масова частка вуглецю становить 0,046%. Ще більше розчинено вуглекислий газ у водах Світового океану.

Атомна маса вуглецю як елемента становить 12,011. Відомо, що ця величина розраховується як середнє арифметичне між атомними вагами всіх існуючих у природі ізотопних різновидів, з урахуванням їхньої поширеності (у відсотковому співвідношенні). Так відбувається і у речовини, що розглядається. Є три основні ізотопи, у вигляді яких знаходиться вуглець. Це:

  • 12 С - його масова частка у переважній більшості становить 98,93 %;
  • 13 С – 1,07 %;
  • 14 С - радіоактивний, період напіврозпаду 5700 років, стійкий бета-випромінювач.

У практиці визначення геохронологічного віку зразків широко застосовується радіоактивний ізотоп 14, який є індикатором, завдяки своєму тривалому періоду розпаду.

Алотропні модифікації елемента

Вуглець - це такий елемент, який у вигляді простої речовини існує у кількох формах. Тобто він здатний формувати найбільше з відомих сьогодні число алотропних модифікацій.

1. Кристалічні варіації – існують у вигляді міцних структур із правильними ґратами атомного типу. До цієї групи належать такі різновиди, як:

  • алмази;
  • фулерени;
  • графіти;
  • карбини;
  • лонсдейліти;
  • та трубки.

Усі вони різняться грати, у вузлах яких атом вуглецю. Звідси й унікальні, не схожі властивості, як фізичні, і хімічні.

2. Аморфні форми – їх утворює атом вуглецю, що входить до складу деяких природних сполук. Тобто це не чисті різновиди, а з домішками інших елементів у незначній кількості. До цієї групи входять:

  • активоване вугілля;
  • кам'яний та деревний;
  • сажа;
  • вуглецева нанопена;
  • антрацит;
  • скловуглець;
  • технічний різновид речовини.

Їх також поєднують особливості будови кристалічної решітки, що пояснюють властивості, що виявляються.

3. З'єднання вуглецю як кластерів. Така структура, коли атоми замикаються в особливу порожню зсередини конформацію, заповнювану водою чи ядрами інших елементів. Приклади:

  • вуглецеві наноконуси;
  • астралени;
  • дівуглець.

Фізичні властивості аморфного вуглецю

Через велику різноманітність алотропних модифікацій, виділити якісь загальні фізичні властивості для вуглецю складно. Простіше говорити про конкретну форму. Так, наприклад, аморфний вуглець має такі характеристики.

  1. В основі всіх форм - дрібнокристалічні різновиди графіту.
  2. Висока теплоємність.
  3. Хороші провідникові властивості.
  4. Щільність вуглецю близько 2 г/см 3 .
  5. При нагріванні понад 1600 0 відбувається перехід в графітові форми.

Сажа і кам'яні різновиди знаходять широке застосування в технічних цілях. Вони не є проявом модифікації вуглецю в чистому вигляді, проте містять його дуже великій кількості.

Кристалічний вуглець

Існує кілька варіантів, у яких вуглець - речовина, що формує правильні кристали різного виду, де атоми з'єднуються послідовно. В результаті відбувається утворення наступних модифікацій.

  1. - кубічна, в якій з'єднуються чотири тетраедри. В результаті всі ковалентні хімічні зв'язки кожного атома максимально насичені та міцні. Це пояснює фізичні властивості: густина вуглецю 3300 кг/м 3 . Висока твердість, низька теплоємність, відсутність електричної провідності – все це є результатом будови кристалічних ґрат. Існують технічно отримані алмази. Утворюються під час переходу графіту в наступну модифікацію під впливом високої температури та певного тиску. Загалом так само висока, як і міцність – близько 35000С.
  2. графіт. Атоми розташовані подібно до структури попередньої речовини, проте відбувається насичення лише трьох зв'язків, а четверта стає довшою і менш міцною, вона з'єднує між собою "шари" гексагональних кілець решітки. В результаті виходить, що графіт - м'яка, жирна на дотик речовина чорного кольору. Має хорошу електричну провідність і має високу температуру плавлення - 3525 0 С. Здібно до сублімації - сублімації з твердого стану в газоподібний, минаючи рідке (при температурі 3700 0 С). Щільність вуглецю - 2,26 г/см 3, що набагато нижче за таку у алмазу. Це їх різні властивості. Через шарувату структуру кристалічної решітки, можливе використання графіту для виготовлення грифелів простих олівців. При проведенні паперу лусочки відшаровуються і залишають на папері слід чорного кольору.
  3. Фулерени. Відкрито було лише у 80-х роках минулого століття. Є модифікації, в яких вуглеці з'єднуються між собою в особливу опуклу замкнуту структуру, що має в центрі порожнечу. Причому форма кристала - багатогранник, правильна організація. Кількість атомів парна. Найвідоміша форма фулерен С 60 . Зразки подібної речовини були знайдені під час досліджень:
  • метеоритів;
  • донних відкладень;
  • фольгуритів;
  • шунгіти;
  • космічного простору, де містилися у вигляді газів.

Всі різновиди кристалічного вуглецю мають важливе практичне значення, оскільки мають ряд корисних у техніці властивостей.

Хімічна активність

Молекулярний вуглець виявляє низьку хімічну активність внаслідок власної стійкої конфігурації. Змусити його вступати в реакції можна лише повідомивши атому додаткову енергію та змусивши електрони зовнішнього рівня розпаритись. У цей момент валентність дорівнює 4. Тому в з'єднаннях він має ступінь окислення + 2, + 4, - 4.

Практично всі реакції з простими речовинами як металами, так і неметалами протікають під впливом високих температур. Цей елемент може бути як окислювачем, так і відновником. Однак останні властивості виражені у нього особливо сильно, саме на цьому ґрунтується застосування його в металургійній та інших галузях промисловості.

Загалом здатність вступати у хімічну взаємодію залежить від трьох факторів:

  • дисперсності вуглецю;
  • алотропної модифікації;
  • температури реакції.

Таким чином, у ряді випадків відбувається взаємодія з такими речовинами:

  • неметалами (воднем, киснем);
  • металами (алюмінієм, залізом, кальцієм та іншими);
  • оксидами металів та їх солями.

З кислотами та лугами не реагує, з галогенами дуже рідко. Найважливіша з властивостей вуглецю – здатність утворювати довгі ланцюги між собою. Вони можуть замикатися у цикл, формувати розгалуження. Так відбувається утворення органічних сполук, які сьогодні обчислюються мільйонами. Основою цих сполук є два елементи - вуглець, водень. Також до складу можуть входити інші атоми: кисень, азот, сірка, галогени, фосфор, метали та інші.

Основні сполуки та їх характеристика

Існує безліч різних сполук, до складу яких входить вуглець. Формула найвідомішого з них - 2 - вуглекислий газ. Однак крім цього оксиду існує ще СО - монооксид або чадний газ, а також недооксид С 3 Про 2 .

Серед солей, до складу яких входить даний елемент, найпоширенішими є карбонати кальцію та магнію. Так, карбонат кальцію має кілька синонімів у назві, тому що в природі зустрічається у вигляді:

  • крейди;
  • мармуру;
  • вапняку;
  • доломіту.

Важливе значення карбонатів лужноземельних металів проявляється в тому, що вони є активними учасниками процесів утворення сталактитів і сталагмітів, а також підземних вод.

Вугільна кислота - ще одна сполука, яка утворює вуглець. Формула її - Н 2 3 . Однак у звичайному вигляді вона вкрай нестійка і відразу ж розчиняється на вуглекислий газ і воду. Тому відомі лише її солі, а не вона сама як розчин.

Галогеніди вуглецю - виходять переважно непрямим шляхом, оскільки прямі синтези йдуть лише за дуже високих температурах і з низьким виходом продукту. Одне з найпоширеніших – CCL 4 – тетрахлорметан. Отруйна сполука, здатна при вдиханні викликати отруєння. Отримують при реакціях радикального фотохімічного заміщення метану.

Карбіди металів - сполуки вуглецю, в яких він виявляє ступінь окислення 4. Також можливе існування об'єднань із бором та кремнієм. Головна властивість карбідів деяких металів (алюмінію, вольфраму, титану, ніобію, танталу, гафнію) - це висока міцність і відмінна електропровідність. Карбід бору В 4 С - одна з найтвердіших речовин після алмазу (9,5 за Моосом). Дані сполуки використовуються в техніці, а також хімічній промисловості як джерела отримання вуглеводнів (карбід кальцію з водою призводить до утворення ацетилену і гідроксиду кальцію).

Багато сплавів металів виготовляють з використанням вуглецю, значно підвищуючи тим самим їх якісні та технічні характеристики (сталь - сплав заліза з вуглецем).

На окрему увагу заслуговують численні органічні сполуки вуглецю, в яких він - основний елемент, здатний з'єднуватися з такими ж атомами в довгі ланцюги різної будови. До них можна віднести:

  • алкани;
  • алкени;
  • арени;
  • білки;
  • вуглеводи;
  • нуклеїнові кислоти;
  • спирти;
  • карбонові кислоти та багато інших класів речовин.

Застосування вуглецю

Значення сполук вуглецю та її алотропних модифікацій у житті дуже велике. Можна назвати кілька найбільш глобальних галузей, щоб стало зрозуміло, що це справді так.

  1. Цей елемент утворює всі види органічного палива, з якого людина отримує енергію.
  2. Металургійна промисловість використовує вуглець як сильний відновник отримання металів з їх сполук. Тут знаходять широке застосування карбонати.
  3. Будівництво та хімічна промисловість споживають величезну кількість сполук вуглецю для синтезу нових речовин та отримання необхідних продуктів.

Також можна назвати такі галузі господарства, як:

  • ядерна промисловість;
  • ювелірна справа;
  • технічне обладнання (мастила, жароміцні тиглі, олівці та інше);
  • визначення геологічного віку порід – радіоактивний індикатор 14 С;
  • вуглець - чудовий адсорбент, що дозволяє використовувати його для виготовлення фільтрів.

Кругообіг у природі

Маса вуглецю, що знаходиться в природі, включена в постійний кругообіг, який циклічно відбувається щомиті по всій земній кулі. Так, атмосферне джерело вуглецю - СО 2 поглинається рослинами і виділяється всіма живими істотами в процесі дихання. Потрапляючи в атмосферу, він знову поглинається і так цикл не припиняється. При цьому відмирання органічних залишків призводить до вивільнення вуглецю і накопичення його в землі, звідки він знову поглинається живими організмами і виводиться в атмосферу у вигляді газу.

Вуглець

ВУГЛЕРОД-а; м.Хімічний елемент (C), найважливіша складова частина всіх органічних речовин у природі. Атоми вуглецю. Відсоток вмісту вуглецю. Без вуглецю неможливе життя.

◁ Вуглецевий, -а, -е. У-і атоми.Вуглецевий, -а, -ое. Вуглецю, що містить. У-а сталь.

вуглерод

(Лат. Carboneum), хімічний елемент IV групи періодичної системи. Основні кристалічні модифікації – алмаз та графіт. За звичайних умов вуглець хімічно інертний; при високих температурах з'єднується із багатьма елементами (сильний відновник). Вміст вуглецю в земній корі 6,5 10 16 т. Значна кількість вуглецю (близько 10 13 т) входить до складу горючих копалин (вугілля, природний газ, нафта та ін), а також до складу вуглекислого газу атмосфери (6 10 11 т) та гідросфери (10 14 т). Головні вуглецевмісні мінерали - карбонати. Вуглець має унікальну здатність утворювати величезну кількість сполук, які можуть складатися практично з необмеженої кількості атомів вуглецю. Розмаїття сполук вуглецю визначило виникнення однієї з основних розділів хімії - органічної хімії. Вуглець – біогенний елемент; його сполуки відіграють особливу роль у життєдіяльності рослинних та тваринних організмів (середній вміст вуглецю – 18%). Вуглець широко поширений у космосі; на Сонці він посідає 4-е місце після водню, гелію та кисню.

Вугілля

ВУГЛЕРОД (лат. Carboneum, від carbo - вугілля), С (читається «це»), хімічний елемент з атомним номером 6, атомна маса 12,011. Природний вуглець складається з двох стабільних нуклідів: 12 С, 98,892% за масою та 13 C - 1,108%.
У природній суміші нуклідів у нікчемних кількостях завжди є радіоактивний нуклід 14 C (b - -випромінювач, період напіврозпаду 5730 років). Він постійно утворюється в нижніх шарах атмосфери при дії нейтронів космічного випромінювання на ізотоп азоту.
Вуглець розташований у групі IVA, у другому періоді періодичної системи. Конфігурація зовнішнього електронного шару атома в основному стані s 2 p 2 . Найважливіші ступені окислення +2+4, –4, валентності IV та II.
Радіус нейтрального атома вуглецю 0,077 нм. Радіус іона C 4+ 0,029 нм (координаційне число 4), 0,030 нм (координаційне число 6). Енергії послідовної іонізації нейтрального атома дорівнюють 11,260, 24,382, 47,883, 64,492 та 392,09 еВ. Електронегативність по Полінгу (див.ПОЛІНГ Лайнус) 2,5.
Історична довідка
Вуглець відомий з глибокої давнини. Деревне вугілля використовували для відновлення металів із руд, алмаз (див.АЛМАЗ (мінерал))- Як дорогоцінний камінь. У 1789 французький хімік А. Л. Лавуазьє (див.Лавуазье Антуан Лоран)зробив висновок про елементарну природу вуглецю.
Штучні алмази вперше були отримані в 1953 році шведськими дослідниками, але результати вони не встигли опублікувати. У грудні 1954 р. штучні алмази отримали, а на початку 1955 р. опублікували результати співробітники компанії «Дженерал електрик». (див.ДЖЕНЕРАЛ ЕЛЕКТРИК)
У СРСР штучні алмази вперше були отримані в 1960 групою вчених під керівництвом В. Н. Бакуля та Л. Ф. Верещагіна (див.ВЕРЕЩАГІН Леонід Федорович) .
У 1961 р. групою радянських хіміків під керівництвом В. В. Коршака була синтезована лінійна модифікація вуглецю - карбін. Незабаром карбін був виявлений у метеоритному кратері Рис (Німеччина). У 1969 в СРСР були синтезовані ниткоподібні кристали алмазу при звичайному тиску, що мають високу міцність і практично позбавлені дефектів.
У 1985 р. Крото (див.КРОТО Гаролд)виявив нову форму вуглецю -фулерени (див.ФУЛЕРЕНИ) 60 і 70 в мас-спектрі випаровується при опроміненні лазером графіту. При високих тисках отримано лонсдейліт.
Знаходження у природі
Вміст у земній корі 0,48% за масою. Накопичується в біосфері: у живій речовині 18% вугілля, у деревині 50%, торфі 62%, природних горючих газах 75%, горючих сланцях 78%, кам'яному та бурому вугіллі 80%, нафті 85%, антрациті 96%. Значна частина вугілля літосфери зосереджена у вапняках та доломітах. Вуглець у ступені окислення +4 входить до складу карбонатних порід та мінералів (крейда, вапняк, мармур, доломіт). Вуглекислий газ CO 2 (0,046% масою) постійний компонент атмосферного повітря. Вуглекислий газ у розчиненому вигляді завжди присутній у воді річок, озер та морів.
В атмосфері зірок, планет та в метеоритах виявлено речовини, що містять вуглець.
Отримання
З давніх-давен вугілля отримували при неповному згорянні деревини. У 19 столітті деревне вугілля у металургії замінили кам'яним вугіллям (коксом).
В даний час для промислового одержання чистого вуглецю використовують крекінг. (див.КРЕКІНГ)природного газу метану (див.МЕТАН)СН 4:
СН 4 = ​​З + 2Н 2
Вугілля для медичних цілей готують спалюванням шкірки кокосових горіхів. Для лабораторних потреб чисте вугілля, що не містить вогнетривких домішок, отримують неповним спалюванням цукру.
Фізичні та хімічні властивості
Вуглець – неметал.
Різноманітність сполук вуглецю пояснюється здатністю атомів зв'язуватися між собою, утворюючи об'ємні структури, шари, ланцюги, цикли. Відомі чотири алотропічні модифікації вуглецю: алмаз, графіт, карбін та фулерит. Деревне вугілля складається з дрібних кристаликів з невпорядкованою структурою графіту. Його густина 1,8-2,1 г/см 3 . Сажа є сильно подрібненим графітом.
Алмаз - мінерал з кубічними гранецентрованими гратами. Атоми С в алмазі знаходяться в sp 3 -гібридизованому стані. Кожен атом утворює 4 ковалентні s-зв'язки з чотирма сусідніми атомами, розташованими по вершинах тетраедра, в центрі якого знаходиться атом С. Відстані між атомами в тетраедрі 0,154 нм. Електронна провідність відсутня, ширина забороненої зони 5,7 еВ. З усіх простих речовин алмаз має максимальну кількість атомів, що припадають на одиницю об'єму. Його густина 3,51 г/см 3. . Твердість за мінералогічною шкалою Моосу (див.МООСА ШКАЛА)прийнята за 10. Алмаз можна подряпати лише іншим алмазом; але він тендітний і при ударі розколюється на шматки неправильної форми. Термодинамічно стійкий лише за високих тисках. Однак, при 1800 ° C перетворення алмазу на графіт відбувається швидко. Зворотне перетворення графіту на алмаз відбувається при 2700°C і тиску 11-12 ГПа.
Графіт - шарувата темно-сіра речовина з гексагональною кристалічною решіткою. Термодинамічно стійкий у широкому інтервалі температур та тисків. Складається із паралельних шарів, утворених правильними шестикутниками з атомів С. Вуглецеві атоми кожного шару розташовані проти центрів шестикутників, що знаходяться в сусідніх шарах; положення шарів повторюється через один, а кожен шар зрушений щодо іншого горизонтальному напрямку на 0,1418 нм. Усередині шару зв'язку між атомами ковалентні, утворені sp 2 -гібридними орбіталями. Зв'язки між шарами здійснюються слабкими ван-дер-ваальсовими (див.МІЖМОЛЕКУЛЯРНА ВЗАЄМОДІЯ)силами, тому графіт легко розшаровується. Такий стан стабілізує четвертий делокалізований p-зв'язок. Графіт має гарну електричну провідність. Щільність графіту 2,1-2,5 кг/дм3.
У всіх алотропічних модифікаціях за звичайних умов вуглець хімічно малоактивний. У хімічні реакції вступає лише за нагріванні. При цьому хімічна активність вуглецю зменшується в ряду сажа-деревне вугілля-графіт-алмаз. Сажа на повітрі займається при нагріванні до 300°C, алмаз - при 850-1000°C. При горінні утворюється вуглекислий газ 2 і CO. Нагріваючи 2 з вугіллям, також отримують оксид вуглецю (II) CО:
СО 2 + С = 2СО
З + Н 2 О (перегріта пара) = СО + Н 2
Синтезований оксид вуглецю З 2 Про 3 .
2 - кислотний оксид, йому відповідає слабка нестійка, існуюча тільки в сильно розведених холодних водних розчинах вугільна кислота Н 2 3 . Солі вугільної кислоти - карбонати (див.Карбонат)(До 2 СО 3 СаСО 3) і гідрокарбонати (див.ГІДРОКАРБОНАТИ)(NaHCO 3 Са (НСО 3) 2).
З воднем (див.ВОДОРОД)графіт та деревне вугілля реагують при температурі вище 1200°C, утворюючи суміш вуглеводнів. Реагуючи з фтором при 900°C утворює суміш фторвуглецевих сполук. Пропускаючи електричний розряд між вугільними електродами в атмосфері азоту, одержують газ ціан (CN) 2 ; якщо в газовій суміші є водень, утворюється синильна кислота HCN. При дуже високих температурах графіт реагує із сіркою, (див.СІРА)кремнієм, бором, утворюючи карбіди - CS 2 , SiC, 4 С.
Карбіди отримують взаємодією графіту з металами при високих температурах: карбід натрію Na 2 C 2 карбід кальцію CaC 2 карбід магнію Mg 2 C 3 карбід алюмінію Al 4 C 3 . Ці карбіди легко розкладаються водою на гідроксид металу та відповідний вуглеводень:
Al 4 C 3 + 12Н 2 О = 4Al(ОН) 3 + 3СН 4
З перехідними металами вуглець утворює металоподібні хімічно стійкі карбіди, наприклад, карбід заліза (цементит) Fe 3 C, карбід хрому Cr 2 C 3 карбід вольфраму WС. Карбіди - кристалічні речовини, природа хімічного зв'язку може бути різною.
При нагріванні вугілля відновлює багато металів з їх оксидів:
FeO + C = Fe + CO,
2CuO+ C = 2Cu+ CO 2
При нагріванні відновлює сірку(VI) до сірки(IV) із концентрованою сірчаною кислотою:
2H 2 SO 4 + C = CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
При 3500°C та нормальному тиску вуглець сублімує.
Застосування
Понад 90% всіх первинних джерел споживаної у світі енергії посідає органічне паливо. 10% видобутого палива використовується як сировина для основного органічного та нафтохімічного синтезу, для отримання пластмас.
Фізіологічна дія
Вуглець - найважливіший біогенний елемент, що є структурною одиницею органічних сполук, що беруть участь у побудові організмів та забезпеченні їх життєдіяльності (біополімери, вітаміни, гормони, медіатори та інші). Вміст вуглецю в живих організмах у розрахунку на суху речовину становить 34,5-40% у водних рослин та тварин, 45,4-46,5% у наземних рослин та тварин та 54% у бактерій. У процесі життєдіяльності організмів відбувається окислювальний розпад органічних сполук із виділенням у довкілля CO 2 . Вуглекислий газ (див.Вуглецю діоксід), Розчинений в біологічних рідинах і природних водах, бере участь у підтримці оптимальної для життєдіяльності кислотності середовища. У складі CaCO 3 вуглець утворює зовнішній скелет багатьох безхребетних, міститься в коралах, яєчній шкаралупі.
При різних виробничих процесах частинки вугілля, сажі, графіту, алмазу потрапляють в атмосферу і знаходяться у ній у вигляді аерозолів. ГДК для вуглецевого пилу в робочих приміщеннях 4,0 мг/м 3 для кам'яного вугілля 10 мг/м 3 .


Енциклопедичний словник. 2009 .

Синоніми:

Дивитись що таке "вуглець" в інших словниках:

    Таблиця нуклідів Загальні відомості Назва, символ Вуглець 14, 14C Альтернативні назви радіовуглець, радіокарбон Нейтронів 8 Протонів 6 Властивості нукліду Атомна маса … Вікіпедія

    Таблиця нуклідів Загальні відомості Назва, символ Вуглець 12, 12C Нейтронів 6 Протонів 6 Властивості нукліду Атомна маса 12,0000000(0) … Вікіпедія

    Таблиця нуклідів Загальні відомості Назва, символ Вуглець 13, 13C Нейтронів 7 Протонів 6 Властивості нукліду Атомна маса 13,0033548378(10) … Вікіпедія

    - (Лат. Carboneum) С, хімічний. елемент IV групи періодичної системи Менделєєва, атомний номер 6, атомна маса 12,011. Основні кристалічні модифікації алмаз та графіт. За звичайних умов вуглець хімічно інертний; при високих… Великий Енциклопедичний словник

    – (Carboneum), C, хімічний елемент IV групи періодичної системи, атомний номер 6, атомна маса 12,011; неметал. Зміст у земній корі 2,3-10 2% за масою. Основні кристалічні форми вуглецю алмаз та графіт. Вуглець головний компонент. Сучасна енциклопедія

    Вуглець– (Carboneum), C, хімічний елемент IV групи періодичної системи, атомний номер 6, атомна маса 12,011; неметал. Вміст у земній корі 2,3'10 2% за масою. Основні кристалічні форми вуглецю алмаз та графіт. Вуглець головний компонент. Ілюстрований енциклопедичний словник

    Вугілля- (1) хім. елемент, символ (лат. Carboneum), ат. в. 6, ат. м. 12,011. Існує в кількох алотропних модифікаціях (формах) (алмаз, графіт та рідко карбін, чаоїт та лонсдейліт у метеоритних кратерах). З 1961 р. / маси атома ізотопу 12С прийнято … Велика політехнічна енциклопедія

    - (Символ С), широко поширений неметалічний елемент четвертої групи періодичної таблиці. Вуглець утворює величезну кількість сполук, які разом з вуглеводнями та іншими неметалевими речовинами становлять основу. Науково-технічний енциклопедичний словник

Хімічні властивості Ковалентний радіус 77 пм Радіус іона 16 (+4e) 260 (-4e) пм Електронегативність 2,55 (шкала Полінга) Ступені окислення 4 , 3 , 2, 1 , , , , , -4 Енергія іонізації
(Перший електрон) 1085,7 (11,25) кДж/моль (еВ) Термодинамічні властивості простої речовини Щільність (за н. у.) 2,25 (графіт) г/см³ Температура плавлення 3550 °C Температура кипіння 5003 К; 4830 °C Критична точка 4130 , 12 МПа Молярна теплоємність 8,54 (графіт) Дж/(K·моль) Молярний обсяг 5,3 см ³/моль Кристалічні грати простої речовини Структура ґрат гексагональна (графіт), кубічна (алмаз) Параметри решітки a = 2,46; c = 6,71 (графіт); а=3,567 (алмаз) Ставлення c/a 2,73 (графіт) Температура Дебая 1860 (алмаз) Інші характеристики Теплопровідність (300 K) 1,59 Вт/(м·К) Номер CAS 7440-44-0 Емісійний спектр

Здатність вуглецю утворювати полімерні ланцюжки породжує величезний клас сполук на основі вуглецю, званих органічними, яких значно більше, ніж неорганічних, і вивчення яких займається органічна хімія.

Історія

На рубежі XVII-XVIII ст. виникла теорія флогістона, висунута Йоганном Бехером та Георгом Шталем. Ця теорія визнавала наявність у кожному пальному тілі особливої ​​елементарної речовини - невагомого флюїду - флогістона, що випаровується в процесі горіння. Так як при згорянні великої кількості вугілля залишається лише трохи золи, флогістики вважали, що вугілля – це майже чистий флогістон. Саме цим пояснювали, зокрема, «флогістируючу» дію вугілля, - його здатність відновлювати метали з «вапно» та руд. Пізні флогістики, Реомюр, Бергман та інші, вже почали розуміти, що вугілля є елементарною речовиною. Однак вперше таким «чисте вугілля» було визнано Антуаном Лавуазьє, який досліджував процес спалювання в повітрі та кисні вугілля та інших речовин. У книзі Гітона де Морво, Лавуазьє, Бертолле та Фуркруа «Метод хімічної номенклатури» (1787) з'явилася назва «вуглець» (carbone) замість французького «чисте вугілля» (charbone pur). Під цією назвою вуглець фігурує в «Таблиці простих тіл» в «Елементарному підручнику хімії» Лавуазьє.

походження назви

На початку XIX століття в російській хімічній літературі іноді застосовувався термін «вуглець» (Шерер, 1807; Севергін, 1815); з 1824 Соловйов ввів назву «вуглець». З'єднання вуглецю мають у назві частину карб(він)- Від лат. carbō (нар. п. carbōnis) "вугілля".

Фізичні властивості

Вуглець існує в багатьох алотропних модифікацій з дуже різноманітними фізичними властивостями. Різноманітність модифікацій обумовлено здатністю вуглецю утворювати хімічні зв'язки різного типу.

Ізотопи вуглецю

Природний вуглець складається з двох стабільних ізотопів - 12 С (98,93 %) та 13 С (1,07 %) та одного радіоактивного ізотопу 14 С (β-випромінювач, Т ½ = 5730 років), зосередженого в атмосфері та верхній частині земної кори. Він постійно утворюється в нижніх шарах стратосфери в результаті впливу нейтронів космічного випромінювання на ядра азоту за реакцією: 14 N (n, p) 14 C, а також з середини 1950-х років, як техногенний продукт роботи АЕС і в результаті випробування водневих бомб .

Алотропні модифікації вуглецю

Кристалічний вуглець

Аморфний вуглець

  • Копалини вугілля: антрацит і Копалини вугілля .
  • Кокс кам'яновугільний, нафтовий та ін.

Насправді, зазвичай, перелічені вище аморфні форми є хімічними сполуками з високим вмістом вуглецю, а чи не чистої алотропной формою вуглецю.

Кластерні форми

Структура

Рідкий вуглець існує лише за певного зовнішнього тиску. Потрійні точки: графіт – рідина – пара Т= 4130 K, р= 10,7 МПа та графіт - алмаз - рідина Т≈ 4000 K, р≈ 11 ДПа. Лінія рівноваги графіт - рідина на фазовій р, Т-діаграма має позитивний нахил, що переходить у міру наближення до потрійної точки графіт - алмаз - рідина в негативний, що пов'язано з унікальними властивостями атомів вуглецю створювати вуглецеві молекули, що складаються з різної кількості атомів (від двох до семи). Нахил лінії рівноваги алмаз - рідина, без прямих експериментів в області дуже високих температур (>4000-5000 K) і тисків (>10-20 ГПа), довгі роки вважався негативним. Проведені японськими дослідниками прямі експерименти та обробка отриманих експериментальних даних з урахуванням аномальності високотемпературної теплоємності алмазу показали, що нахил лінії рівноваги алмаз - рідина позитивний, тобто алмаз важчий за свою рідину (у розплаві він буде тонути, а не спливати як лід) .

Ультрадисперсні алмази (наноалмази)

У 1980-ті роки в СРСР було виявлено, що в умовах динамічного навантаження вуглецевмісних матеріалів можуть утворюватися алмазоподібні структури, що отримали назву ультрадисперсних алмазів (УДА). В даний час все частіше застосовується термін "наноалмази". Розмір частинок таких матеріалах становить одиниці нанометрів. Умови утворення УДА можуть бути реалізовані при детонації вибухових речовин зі значним негативним кисневим балансом, наприклад сумішей тротилу з гексогеном. Такі умови можуть бути реалізовані також при ударах небесних тіл поверхню Землі в присутності вуглецевмісних матеріалів (органіка, торф, вугілля тощо). Так, у зоні падіння Тунгуського метеорита в лісовій підстилці було виявлено УДА.

Карбін

Кристалічна модифікація вуглецю гексагональної сингонії з ланцюжковою будовою молекул називається карбін. Ланцюги мають або полієнову будову (−C≡C−), або полікумуленову (=C=C=). Відомо кілька форм карбину, що відрізняються числом атомів в елементарному осередку, розмірами осередків і щільністю (2,68-3,30 г/см3). Карбін зустрічається в природі у вигляді мінералу чаоїту (білі прожилки та вкраплення у графіті) та отриманий штучно-окислювальною дегідрополіконденсацією ацетилену, дією лазерного випромінювання на графіт, з вуглеводнів або CCl 4 в низькотемпературній плазмі.

Карбін являє собою дрібнокристалічний порошок чорного кольору (щільність 1,9-2 г/см³), має напівпровідникові властивості. Отриманий у штучних умовах із довгих ланцюжків атомів вуглецю, покладених паралельно один одному.

Карбін – лінійний полімер вуглецю. У молекулі карбину атоми вуглецю з'єднані в ланцюжки по черзі або потрійними та одинарними зв'язками (полієнова будова), або постійно подвійними зв'язками (полікумуленова будова). Цю речовину вперше отримано радянськими хіміками В. В. Коршаком, А. М. Сладковим, В. І. Касаточкіним та Ю. П. Кудрявцевим на початку 1960-х років в Академії наук СРСР. Карбін має напівпровідникові властивості, причому під впливом світла його провідність сильно збільшується. На цій властивості засновано перше практичне застосування - у фотоелементах.

Фулерени та вуглецеві нанотрубки

Вуглець відомий також у вигляді кластерних частинок 60, 70, 80, 90, 100 і подібних (фулерени), а також графенів, нанотрубок і складних структур - астраленів.

Аморфний вуглець (будівля)

В основі будови аморфного вуглецю лежить розпорядкована структура монокристалічного (завжди містить домішки) графіту. Це кокс, буре і кам'яне вугілля, техвуглець, сажа, активне вугілля.

Графен

Графен - двовимірна алотропна модифікація вуглецю, утворена шаром атомів вуглецю товщиною один атом, з'єднаних за допомогою sp² зв'язків в гексагональну двовимірну кристалічну решітку.

Знаходження у природі

Було оцінено, що Земля загалом складається з 730 ppm вуглецю, з вмістом 2000 ppm у ядрі та 120 ppm у мантії та корі. Оскільки маса Землі 5,972⋅10 24 kg , це передбачає наявність 4360 мільйонів гігатонн вуглецю.

Зміст статті

Вугілля,З (carboneum), неметалічний хімічний елемент IVA групи (C, Si, Ge, Sn, Pb) періодичної системи елементів. Зустрічається в природі у вигляді кристалів алмазу (рис. 1), графіту або фулерену та інших форм і входить до складу органічних (вугілля, нафта, організми тварин і рослин та ін.) та неорганічних речовин (вапняк, харчова сода та ін.).

Вуглець поширений, але вміст його в земній корі всього 0,19%.


Вуглець широко використовується у вигляді простих речовин. Окрім дорогоцінних алмазів, що є предметом ювелірних прикрас, велике значення мають промислові алмази – для виготовлення шліфувального та різального інструменту.

Деревне вугілля та інші аморфні форми вуглецю застосовуються для знебарвлення, очищення, адсорбції газів в областях техніки, де потрібні адсорбенти з розвиненою поверхнею. Карбіди, з'єднання вуглецю з металами, а також з бором і кремнієм (наприклад, Al 4 C 3 , SiC, B 4 C) відрізняються високою твердістю та використовуються для виготовлення абразивного та ріжучого інструменту. Вуглець входить до складу сталей та сплавів в елементному стані та у вигляді карбідів. Насичення поверхні сталевих виливків вуглецем за високої температури (цементація) значно збільшує поверхневу твердість і зносостійкість. Див. такожСПЛАВИ.

У природі є безліч різних форм графіту; деякі отримані штучно; є аморфні форми (наприклад, кокс та деревне вугілля). Сажа, кістяне вугілля, лампова сажа, ацетиленова сажа утворюються при спалюванні вуглеводнів при нестачі кисню. Так званий білий вуглецьвиходить сублімацією піролітичного графіту при зниженому тиску - це дрібні прозорі кристали графітових листочків із загостреними кромками.

Історична довідка.

Графіт, алмаз та аморфний вуглець відомі з давніх-давен. Здавна відомо, що графітом можна маркувати інший матеріал, і сама назва «графіт», що походить від грецького слова, що означає «писати», запропонована А.Вернером у 1789 році. , наприклад молібденіт (сульфід молібдену), який один час вважався графітом. Серед інших назв графіту відомі "чорний свинець", "карбідне залізо", "сріблястий свинець". У 1779 К.Шееле встановив, що графіт можна окислити повітрям із заснуванням вуглекислого газу.

Вперше алмази знайшли застосування в Індії, а в Бразилії дорогоцінні камені набули комерційного значення в 1725; родовища у Південній Африці було відкрито 1867. У 20 в. Основними виробниками алмазів є ПАР, Заїр, Ботсвана, Намібія, Ангола, Сьєрра-Леоне, Танзанія та Росія. Штучні алмази, технологія яких була створена в 1970 році, виробляються для промислових цілей.

Алотропія.

Якщо структурні одиниці речовини (атоми для одноатомних елементів або молекули для поліатомних елементів та сполук) здатні з'єднуватися один з одним у більш ніж одній кристалічній формі, це явище називається алотропією. У вуглецю три алотропічні модифікації – алмаз, графіт та фулерен. В алмазі кожен атом вуглецю має 4 тетраедрично розташованих сусіди, утворюючи кубічну структуру (рис. 1, а). Така структура відповідає максимальній ковалентності зв'язку, і всі 4 електрони кожного атома вуглецю утворюють високоміцні зв'язки С-С, тобто. у структурі відсутні електрони провідності. Тому алмаз відрізняється відсутністю провідності, низькою теплопровідністю, високою твердістю; він найтвердіший із відомих речовин (рис. 2). На розрив зв'язку С–С (довжина зв'язку 1,54 Å, звідси ковалентний радіус 1,54/2 = 0,77 Å) у тетраедричній структурі потрібні великі витрати енергії, тому алмаз поряд з винятковою твердістю характеризується високою температурою плавлення (3550 ° C).

Іншою аллотропічною формою вуглецю є графіт, що сильно відрізняється від алмазу за властивостями. Графіт – м'яка чорна речовина з кристалів, що легко шаруються, відрізняється гарною електропровідністю (електричний опір 0,0014 Ом·см). Тому графіт застосовується у дугових лампах та печах (рис. 3), у яких необхідно створювати високі температури. Графіт високої чистоти застосовують у ядерних реакторах як сповільнювач нейтронів. Температура його плавлення при підвищеному тиску дорівнює 3527° C. При звичайному тиску графіт сублімується (переходить з твердого стану в газ) при 3780° C.

Структура графіту (рис. 1, б) являє собою систему конденсованих гексагональних кілець з довжиною зв'язку 1,42 Å (значно коротше, ніж в алмазі), але при цьому кожен атом вуглецю має три (а не чотири, як в алмазі) ковалентні зв'язки з трьома сусідами, а четвертий зв'язок ( 3,4 Å) занадто довга для ковалентного зв'язку і слабко пов'язує паралельно покладені шари графіту між собою. Саме четвертий електрон вуглецю визначає тепло- і електропровідність графіту - цей більш довгий і менш міцний зв'язок формує меншу компактність графіту, що відображається в меншій твердості його в порівнянні з алмазом (щільність графіту 2,26 г/см 3 , алмазу - 3,51 г /див 3). З тієї ж причини графіт слизький на дотик і легко відокремлює лусочки речовини, що використовується для виготовлення мастила та олівців грифелів. Свинцевий блиск грифеля пояснюється переважно наявністю графіту.

Волокна вуглецю мають високу міцність і можуть використовуватись для виготовлення штучного шовку або іншої пряжі з високим вмістом вуглецю.

При високих тиску та температурі в присутності каталізатора, наприклад, заліза, графіт може перетворюватися на алмаз. Цей процес реалізований для промислового одержання штучних алмазів. Кристали алмазу ростуть на поверхні каталізатора. Рівнавага графіт алмаз існує при 15 000 атм і 300 K або за 4000 атм і 1500 K. Штучні алмази можна отримувати і з вуглеводнів.

До аморфних форм вуглецю, що не утворюють кристалів, відносять деревне вугілля, що отримується нагріванням дерева без доступу повітря, лампову і газову сажу, що утворюється при низькотемпературному спалюванні вуглеводнів при нестачі повітря і конденсується на холодній поверхні, кісткове вугілля - домішка до фосфату кальцію в процесі тканини, і навіть кам'яне вугілля (природна речовина з домішками) і кокс, сухий залишок, одержуваний при коксуванні палив методом сухої перегонки кам'яного вугілля чи нафтових залишків (бітумінозного вугілля), тобто. нагрівання без доступу повітря. Кокс застосовується для виплавки чавуну, в чорній та кольоровій металургії. При коксуванні утворюються також газоподібні продукти – коксовий газ (H 2 , CH 4 , CO та ін.) та хімічні продукти, які є сировиною для отримання бензину, фарб, добрив, лікарських препаратів, пластмас тощо. Схема основного апарату виробництва коксу – коксової печі – наведено на рис. 3.

Різні види вугілля та сажі відрізняються розвиненою поверхнею і тому використовуються як адсорбенти для очищення газу, рідин, а також як каталізатори. Для здобуття різних форм вуглецю застосовують спеціальні методи хімічної технології. Штучний графіт отримують прожарюванням антрациту або нафтового коксу між вуглецевими електродами при 2260° С (процес Ачесона) і використовують у виробництві мастил і електродів, зокрема для електролітичного отримання металів.

Будова атома вуглецю.

Ядро найбільш стабільного ізотопу вуглецю масою 12 (поширеність 98,9%) має 6 протонів і 6 нейтронів (12 нуклонів), розташованих трьома квартетами, кожен містить 2 протона і два нейтрони аналогічно ядру гелію. Інший стабільний ізотоп вуглецю - 13 C (бл. 1,1%), а в слідових кількостях існує в природі нестабільний ізотоп 14 C з періодом напіврозпаду 5730 років, що володіє b-випромінюванням. У нормальному вуглецевому циклі живої матерії беруть участь усі три ізотопи у вигляді СО 2 . Після смерті живого організму витрата вуглецю припиняється і можна датувати С-об'єкти, що містять, вимірюючи рівень радіоактивності 14 С. Зниження b-випромінювання 14 CO 2 пропорційно часу, що минув з смерті. У 1960 У.Ліббі за дослідження з радіоактивним вуглецем був удостоєний Нобелівської премії.

В основному стан 6 електронів вуглецю утворюють електронну конфігурацію 1 s 2 2s 2 2p x 1 2p y 1 2p z 0 . Чотири електрони другого рівня є валентними, що відповідає положенню вуглецю в IVA групі періодичної системи ( см. ПЕРІОДИЧНА СИСТЕМА ЕЛЕМЕНТІВ) . Оскільки для відриву електрона від атома в газовій фазі потрібна велика енергія (близько 1070 кДж/моль), вуглець не утворює іонні зв'язки з іншими елементами, так як для цього був би необхідний відрив електрона з утворенням позитивного іона. Маючи електронегативність, що дорівнює 2,5, вуглець не виявляє і сильної спорідненості до електрона, відповідно не будучи активним акцептором електронів. Тому не схильний до утворення частки з негативним зарядом. Але з частково іонним характером зв'язку деякі сполуки вуглецю існують, наприклад, карбіди. У сполуках вуглець виявляє ступінь окислення 4. Щоб чотири електрони змогли брати участь в утворенні зв'язків, необхідно розпарювання 2 s-електронів та перескок одного з цих електронів на 2 p z-орбіталь; при цьому утворюються 4 тетраедричні зв'язки з кутом між ними 109°. У з'єднаннях валентні електрони вуглецю лише частково відтягнуті від цього, тому вуглець утворює міцні ковалентні зв'язки між сусідніми атомами типу З–З допомогою загальної електронної пари. Енергія розриву такого зв'язку дорівнює 335 кДж/моль, тоді як для зв'язку Si–Si вона становить лише 210 кДж/моль, тому довгі ланцюжки –Si–Si– нестійкі. Ковалентний характер зв'язку зберігається навіть у з'єднаннях високореакційних галогенів з вуглецем, CF 4 і CCl 4 . Вуглецеві атоми здатні надавати на утворення зв'язку більше одного електрона кожного атома вуглецю; так утворюються подвійна С=С та потрійна СєС зв'язку. Інші елементи також утворюють зв'язок між своїми атомами, але тільки вуглець здатний утворювати довгі ланцюги. Тому для вуглецю відомі тисячі сполук, званих вуглеводнями, в яких вуглець пов'язаний з воднем та іншими атомами вуглецю, утворюючи довгі ланцюги або кільцеві структури. Див. ХІМІЯ ОРГАНІЧНА.

У цих сполуках можливе заміщення водню на інші атоми, найчастіше на кисень, азот та галогени з утворенням безлічі органічних сполук. Важливе значення у тому числі займають фторуглеводороды – вуглеводні, у яких водень заміщений на фтор. Такі сполуки надзвичайно інертні, і їх використовують як пластичні та мастильні матеріали (фторвуглеці, тобто вуглеводні, в яких усі атоми водню заміщені на атоми фтору) і як низькотемпературні холодоагенти (хладони, або фреони – фторхлорвуглеводні).

У 1980-х роках фізиками США було виявлено дуже цікаві сполуки вуглецю, в яких атоми вуглецю з'єднані в 5- або 6-кутники, що утворюють молекулу С 60 формою порожньої кулі, що має досконалу симетрію футбольного м'яча. Оскільки така конструкція лежить в основі «геодезичного бані», винайденого американським архітектором та інженером Бакмінстером Фуллером, новий клас сполук був названий «бакмінстерфуллеренами» або «фулеренами» (а також коротше – «фазиболами» або «бакіболами»). Фулерени – третя модифікація чистого вуглецю (крім алмазу та графіту), що складається з 60 або 70 (і навіть більше) атомів, – була отримана дією лазерного випромінювання на найдрібніші частинки вуглецю. Фулерени складнішої форми складаються з кількох сотень атомів вуглецю. Діаметр молекули З 60 ~ 1нм. У центрі такої молекули достатньо простору приміщення великого атома урану.

Стандартна атомна маса.

У 1961 Міжнародні спілки теоретичної і прикладної хімії (ІЮПАК) і з фізики прийняли за одиницю атомної маси масу ізотопу вуглецю 12 C, скасувавши кисневу шкалу атомних мас, що існувала до того. Атомна маса вуглецю в цій системі дорівнює 12,011, так як вона є середньою для трьох природних ізотопів вуглецю з урахуванням їхньої поширеності в природі. Див. АТОМНА МАСА.

Хімічні властивості вуглецю та деяких його сполук.

Деякі фізичні та хімічні властивості вуглецю наведені у статті ХІМІЧНІ ЕЛЕМЕНТИ. Реакційна здатність вуглецю залежить від його модифікації, температури та дисперсності. При низьких температурах всі форми вуглецю досить інертні, але при нагріванні окислюються киснем повітря, утворюючи оксиди:

Дрібнодисперсний вуглець у надлишку кисню здатний вибухати при нагріванні або від іскри. Крім прямого окислення існують сучасніші методи одержання оксидів.

Субоксид вуглецю

C 3 O 2 утворюється при дегідратації малонової кислоти над P 4 O 10:

C 3 O 2 має неприємний запах, що легко гідролізується, знову утворюючи малонову кислоту.

Монооксид вуглецю(II)СО утворюється при окисленні будь-якої модифікації вуглецю в умовах нестачі кисню. Реакція екзотермічна, виділяється 111,6 кДж/моль. Кокс при температурі білого гартування реагує з водою: C + H 2 O = CO + H 2; газова суміш, що утворюється, називається «водяний газ» і є газоподібним паливом. СO утворюється також при неповному згорянні нафтопродуктів, у помітних кількостях міститься в автомобільних вихлопах, виходить при термічній дисоціації мурашиної кислоти:

Ступінь окислення вуглецю в СО дорівнює +2, а оскільки вуглець більш стійкий до ступеня окислення +4, то СО легко окислюється киснем до CO 2 : CO + O 2 → CO 2 ця реакція сильно екзотермічна (283 кДж/моль). СО застосовують у промисловості суміші з H 2 та іншими горючими газами в якості палива або газоподібного відновника. При нагріванні до 500 ° C CO в помітній мірі утворює і CO 2 , але при 1000 ° C рівновагу встановлюється при малих концентраціях С 2 . CO реагує з хлором, утворюючи фосген – COCl 2 , аналогічно протікають реакції з іншими галогенами, реакції з сіркою виходить сульфід карбонілу COS, з металами (M) СO утворює карбоніли різного складу M(CO) xє комплексними сполуками. Карбоніл заліза утворюється при взаємодії гемоглобіну крові з CO, перешкоджаючи реакції гемоглобіну з киснем, оскільки карбоніл заліза – міцніша сполука. Внаслідок цього блокується функція гемоглобіну як переносника кисню до клітин, які при цьому гинуть (і в першу чергу уражаються клітини мозку). (Звідси ще одна назва СО – «чадний газ»). Вже 1% (об.) З у повітрі небезпечний для людини, якщо він знаходиться в такій атмосфері більше 10 хв. Деякі фізичні властивості СО наведені у таблиці.

Діоксид вуглецю, або оксид вуглецю(IV) CO 2 утворюється при згорянні елементного вуглецю надлишку кисню з виділенням тепла (395 кДж/моль). CO 2 (тривіальна назва - «вуглекислий газ») утворюється також при повному окисленні СО, нафтопродуктів, бензину, олій та ін органічних сполук. При розчиненні карбонатів у воді в результаті гідролізу також виділяється 2:

Такою реакцією часто користуються в лабораторній практиці для одержання CO2. Цей газ можна отримати і при прожарюванні бікарбонатів металів:

при газофазній взаємодії перегрітої пари з СО:

при спалюванні вуглеводнів та їх кисневиробних, наприклад:

Аналогічно окислюються харчові продукти у живому організмі з виділенням теплової та інших видів енергії. При цьому окислення протікає в м'яких умовах через проміжні стадії, але кінцеві продукти ті ж - З 2 і H 2 O, як, наприклад, при розкладанні цукрів під дією ферментів, зокрема при ферментації глюкози:

Багатотоннажне виробництво вуглекислого газу та оксидів металів здійснюється в промисловості термічним розкладанням карбонатів:

CaO у великих кількостях використовується у технології виробництва цементу. Термічна стабільність карбонатів та витрати теплоти на їх розкладання за цією схемою зростають у ряді CaCO 3 ( Див. такожПОЖЕЖНА ПРОФІЛАКТИКА І ПРОТИПОЖЕЖНИЙ ЗАХИСТ).

Електронна будова оксидів вуглецю.

Електронну будову будь-якого оксиду вуглецю можна описати трьома рівноймовірними схемами з різним розташуванням електронних пар – трьома резонансними формами:

Усі оксиди вуглецю мають лінійну будову.

Вугільна кислота.

При взаємодії З 2 з водою утворюється вугільна кислота H 2 CO 3 . У насиченому розчині CO 2 (0,034 моль/л) тільки частина молекул утворює H 2 CO 3 а більша частина CO 2 знаходиться в гідратованому стані CO 2 ЧH 2 O.

Карбонати.

Карбонати утворюються при взаємодії оксидів металів з CO 2 наприклад, Na 2 O + CO 2 Na 2 CO 3 .

За винятком карбонатів лужних металів, решта практично нерозчинна у воді, а карбонат кальцію частково розчинний у вугільній кислоті або розчині CO 2 у воді під тиском:

Ці процеси відбуваються у підземних водах, що протікають через пласт вапняку. В умовах низького тиску та випаровування з ґрунтових вод, що містять Ca(HCO 3) 2 , осаджується CaCO 3 . Так відбувається зростання сталактитів та сталагмітів у печерах. Забарвлення цих цікавих геологічних утворень пояснюється присутністю у водах домішок іонів заліза, міді, марганцю та хрому. Вуглекислий газ реагує з гідроксидами металів та їх розчинами з утворенням гідрокарбонатів, наприклад:

CS 2 + 2Cl 2 ® CCl 4 + 2S

Тетрахлорид CCl 4 – негорюча речовина, використовується як розчинник у процесах сухого чищення, але не рекомендується застосовувати його як полум'ягасник, тому що при високій температурі відбувається утворення отруйного фосгену (газоподібна отруйна речовина). Сам ССl 4 також отруйний і при вдиханні у помітних кількостях може спричинити отруєння печінки. СCl 4 утворюється і фотохімічної реакції між метаном СH 4 і Сl 2 ; при цьому можливе утворення продуктів неповного хлорування метану - CHCl3, CH2Cl2 і CH3Cl. Аналогічно протікають реакції з іншими галогенами.

Реакція графіту.

Графіт як модифікація вуглецю, що відрізняється великими відстанями між шарами гексагональних кілець, вступає в незвичайні реакції, наприклад, лужні метали, галогени і деякі солі (FeCl 3) проникають між шарами, утворюючи сполуки типу KC 8 , KC 16 (звані з'єднаннями впровадження, клатратами). Сильні окислювачі типу KClO 3 в кислому середовищі (сірчаної або азотної кислоти) утворюють речовини з великим об'ємом кристалічних ґрат (до 6 Å між шарами), що пояснюється впровадженням кисневих атомів та утворенням сполук, на поверхні яких в результаті окислення утворюються карбоксильні групи (-СООН) ) – сполуки типу оксидованого графіту або мелітової (бензолгексакарбонової) кислоти С 6 (COOH) 6 . У цих сполуках відношення З:O може змінюватися від 6:1 до 6:2,5.

Карбіди.

Вуглець утворює з металами, бором і кремнієм різноманітні сполуки, які називаються карбідами. Найбільш активні метали (IA–IIIA підгруп) утворюють солеподібні карбіди, наприклад Na 2 C 2 CaC 2 Mg 4 C 3 Al 4 C 3 . У промисловості карбід кальцію отримують з коксу та вапняку за наступними реакціями:

Карбіди неелектропровідні, майже безбарвні, гідролізуються з утворенням вуглеводнів, наприклад

CaC 2 + 2H 2 O = C 2 H 2 + Ca(OH) 2

Ацетилен C 2 H 2, що утворюється по реакції, служить вихідною сировиною у виробництві багатьох органічних речовин. Цей процес цікавий, оскільки представляє перехід від сировини неорганічної природи до синтезу органічних сполук. Карбіди, що утворюють при гідроліз ацетилен, називаються ацетиленідами. У карбідах кремнію та бору (SiC і B 4 C) зв'язок між атомами ковалентний. Перехідні метали (елементи B-підгруп) при нагріванні з вуглецем теж утворюють карбіди змінного складу в тріщинах поверхні металу; зв'язок у них близький до металевої. Деякі карбіди такого типу, наприклад WC, W 2 C, TiC і SiC, відрізняються високою твердістю і тугоплавкістю, мають хорошу електропровідність. Наприклад, NbC, TaC і HfC - найбільш тугоплавкі речовини (т.пл. = 4000-4200 ° С), карбід дініобія Nb 2 C - надпровідник при 9,18 К, TiC і W 2 C за твердістю близькі алмазу, а твердість B 4 C (структурного аналога алмазу) становить 9,5 за шкалою Мооса ( см. Мал. 2). Інертні карбіди утворюються, якщо радіус перехідного металу

Азотпохідні вуглецю.

До цієї групи відноситься сечовина NH 2 CONH 2 - азотне добриво, яке застосовується у вигляді розчину. Сечовину отримують з NH 3 та CO 2 при нагріванні під тиском:

Диціан (CN) 2 за багатьма властивостями подібний до галогенів і його часто називають псевдогалоген. Диціан одержують м'яким окисленням ціанід-іону киснем, пероксидом водню або іоном Cu 2+ : 2CN – ® (CN) 2 + 2e.

Ціанід-іон, будучи донором електронів, легко утворює комплексні з'єднання з іонами перехідних металів. Подібно до СО, ціанід-іон є отрутою, пов'язуючи життєво важливі сполуки заліза в живому організмі. Ціанідні комплексні іони мають загальну формулу -0,5 x, де х– координаційне число металу (комплексоутворювача), емпірично дорівнює подвоєному значенню ступеня окиснення іона металу. Прикладами таких комплексних іонів є (будова деяких іонів наведено нижче) тетраціанонікелат(II)-іон 2–, гексаціаноферрат(III) 3–, диціаноаргентат – :

Карбоніли.

Монооксид вуглецю здатний безпосередньо реагувати з багатьма металами або іонами металів, утворюючи комплексні сполуки, звані карбонілами, наприклад Ni(CO) 4 Fe (CO) 5 Fe 2 (CO) 9 3 Mo Mo CO 6 2 . Зв'язок у цих сполуках аналогічний зв'язку в описаних вище ціанокомплекс. Ni(CO) 4 – летюча речовина, що використовується для відокремлення нікелю від інших металів. Погіршення структури чавуну та сталі в конструкціях часто пов'язане з утворенням карбонілів. Водень може входити до складу карбонілів, утворюючи карбонілгідриди, такі, як H 2 Fe(CO) 4 і HCo(CO) 4 , що виявляють кислотні властивості та реагують з лугом:

H 2 Fe(CO) 4 + NaOH → NaHFe(CO) 4 + H 2 O

Відомі також карбонілгалогеніди, наприклад Fe(CO)X 2 , Fe(CO) 2 X 2 , Co(CO)I 2 , Pt(CO)Cl 2 де Х - будь-який галоген .

Вуглеводні.

Відомо безліч сполук вуглецю з воднем

Органічна хімія – хімія атома вуглецю. Число органічних сполук у десятки разів більше, ніж неорганічних, що може бути пояснено тільки особливостями атома вуглецю :

а) він знаходиться в середині шкали електронегативності і другого періоду, тому йому невигідно віддавати свої та приймати чужі електрони та набувати позитивного чи негативного заряду;

б) особлива будова електронної оболонки - немає електронних пар і вільних орбіталей (є ще один атом з подібною будовою - водень, ймовірно, тому вуглець з воднем утворює так багато сполук - вуглеводнів).

Електронна будова атома вуглецю

С – 1s 2 2s 2 2p 2 або 1s 2 2s 2 2p x 1 2p y 1 2p z 0

У графічному вигляді:

Атом вуглецю в збудженому стані має таку електронну формулу:

*С – 1s 2 2s 1 2p 3 або 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1

У вигляді осередків:

Форма s-і p - орбіталей


Атомна орбіталь - Область простору, де з найбільшою ймовірністю можна виявити електрон, з квантовими числами.

Вона є тривимірною електронною «контурною картою», в якій хвильова функція визначає відносну ймовірність знаходження електрона в цій точці орбіталі.

Відносні розміри атомних орбіталей збільшуються зі зростанням їх енергій ( головне квантове число- n), які форма і орієнтація у просторі визначається – квантовими числами l і m. Електрони на орбіталях характеризуються спіновим квантовим числом. На кожній орбіталі можуть бути не більше 2 електронів з протилежними спинами.

При утворенні зв'язків з іншими атомами атом вуглецю перетворює свою електронну оболонку так, щоб утворилися найбільш міцні зв'язки, а отже, виділилося якнайбільше енергії, і система набула найбільшої стійкості.

Для зміни електронної оболонки атома потрібна енергія, яка потім компенсується за рахунок утворення міцніших зв'язків.

Перетворення електронної оболонки (гібридизація) можливо, переважно, 3 типів, залежно від кількості атомів, із якими атом вуглецю утворює зв'язку.

Види гібридизації:

sp 3 – атом утворює зв'язки із 4 сусідніми атомами (тетраедрична гібридизація):

Електронна формула sp 3 – гібридного атома вуглецю:

*С –1s 2 2(sp 3) 4 у вигляді осередків

Валентний кут між гібридними орбіталями ~109 °.

Стереохімічна формула атома вуглецю:

sp 2 - Гібридизація (валентний стан)– атом утворює зв'язки із 3 сусідніми атомами (тригональна гібридизація):

Електронна формула sp 2 – гібридного атома вуглецю:

*С –1s 2 2(sp 2) 3 2p 1 у вигляді осередків

Валентний кут між гібридними орбіталями ~120 °.

Стереохімічна формула sp 2 – гібридного атома вуглецю:

sp- Гібридизація (валентний стан) - атом утворює зв'язки з 2 сусідніми атомами (лінійна гібридизація):

Електронна формула sp – гібридного атома вуглецю:

*С –1s 2 2(sp) 2 2p 2 у вигляді осередків

Валентний кут між гібридними орбіталями ~180 °.

Стереохімічна формула:

У всіх видах гібридизації бере участь s-орбіталь, т.к. вона має мінімум енергії.

Перебудова електронної хмари дозволяє утворювати максимально міцні зв'язки та мінімальну взаємодію атомів у молекулі, що утворюється. При цьому гібридні орбіталі можуть бути не ідентичні, а валентні кути – різні, наприклад, СН 2 Cl 2 і СCl 4

2. Ковалентні зв'язки у сполуках вуглецю

Ковалентні зв'язки, якості, методи та причини освіти – шкільна програма.

Нагадаю, щойно:

1. Освіта зв'язку між атомами можна як результат перекриття їх атомних орбіталей, у своїй, що його ефективніше (більше інтеграл перекриття), тим міцніше зв'язок.

Згідно з розрахунковими даними, відносні ефективності перекриття атомних орбіталей S отн зростають наступним чином:

Отже, використання гібридних орбіталей, наприклад sp 3 -орбіталей вуглецю в утворенні зв'язків з чотирма атомами водню, призводить до виникнення більш міцних зв'язків.

2. Ковалентні зв'язки в сполуках вуглецю утворюються двома способами:

а)Якщо дві атомні орбіталі перекриваються вздовж їхніх головних осей, то зв'язок, що утворюється - σ-зв'язком.

Геометрія.Так, при утворенні зв'язків з атомами водню в метані чотири гібридні sр 3 ~орбіталі атома вуглецю перекриваються з s-орбіталями чотирьох атомів водню, утворюючи чотири ідентичні міцні σ-зв'язки, що розташовуються під кутом 109°28" один до одного (стандартний тетраедричний кут) . Схожа строго симетрична тетраедрична структура виникає також, наприклад, при утворенні ССl 4 ; .

Довжина σ-зв'язкуміж атомами вуглецю залежить від гібридизації атомів та зменшується при переході від sр 3 – гібридизації до sр. Це тим, що s – орбіталь перебуває ближчі один до ядру, ніж р-орбиталь, тому, що більше її частка у гібридної орбіталі, то вона коротше, отже, коротше і утворюється зв'язок

Б) Якщо дві атомні p -орбіталі, розташовані паралельно один одному, здійснюють бічне перекриття над і під площиною, де розташовані атоми, то зв'язок, що утворюється - π (пі) -зв'язком

Бокове перекриванняатомних орбіталей менш ефективно, ніж перекриття вздовж головної осі, тому π -зв'язки менш міцні, ніж σ -зв'язку. Це проявляється, зокрема, у тому, що енергія подвійного вуглець-вуглецевого зв'язку перевищує енергію одинарного зв'язку менш ніж у два рази. Так, енергія зв'язку С-С в етані дорівнює 347 кДж/моль, тоді як енергія зв'язку С = С в етені становить лише 598 кДж/моль, а не ~ 700 кДж/моль.

Ступінь бокового перекривання двох атомних 2р-орбіталей , а отже, і міцність π -зв'язку максимальна, якщо два атоми вуглецю і чотири пов'язані з ними атоми розташовані строго в одній площині, тобто якщо вони копланарні оскільки тільки в цьому випадку атомні 2р-орбіталі точно паралельні одна одній і тому здатні до максимального перекривання. Будь-яке відхилення від копланарного стану внаслідок повороту навколо σ -зв'язку, що з'єднує два атоми вуглецю, призведе до зменшення ступеня перекривання і відповідно до зниження міцності π -зв'язку, який, таким чином, сприяє збереженню площинності молекули

обертаннянавколо подвійний вуглець-вуглецевий зв'язок неможливо.

Розподіл π -електронів над та під площиною молекули означає існування області негативного зарядуготової до взаємодії з будь-якими електронодефіцитними реагентами

Атоми кисню, азоту та ін також мають різні валентні стани (гібридизації), при цьому їх електронні пари можуть знаходитися як на гібридних, так і p-орбіталях.