Вуглець утворює 5 алотропних модифікацій: кубічний алмаз, гексагональний алмаз, графіт та дві форми карбину. Гексагональний алмаз знайдено у метеоритах (мінерал лонсдейліт) і отриманий штучно при дуже високому тиску та тривалому нагріванні.
Алмаз– найтвердіший із усіх природних речовин – використовують для різання скла та для буріння гірських порід. Алмаз - прозора, безбарвна, кристалічна речовина, що має високу світлозаломлюваність. Алмази утворюють окремі кристали, що утворюють кубічні гранецентровані грати – одна половина атомів у кристалі розташована у вершинах і центрах граней одного куба, а інша – у вершинах і центрах граней іншого куба, зміщеного щодо першого у напрямку його просторової діагоналі. sp3-гібридизація. Атоми утворює тривимірну тетраедричну сітку, де вони пов'язані ковалентними зв'язками.
З простих речовиналмаз має максимальну кількість атомів, розташованих щільно один до одного, через що він міцний і твердий. Міцність зв'язків у вуглецевих тетраедрах (?-зв'язку) зумовлює високу хімічну стійкість алмазу. На нього діє лише F2 і O2 за 800 °C.
При сильному нагріванні без доступу повітря алмаз перетворюється на графіт. Графіт- Кристалли темно- сірого кольорузі слабким металевим блиском, маслянистий на дотик. sp3-гібридизація. Кожен атом утворює по 3 ковалентні?-зв'язки з сусідніми атомами під кутом 120 ° - утворюється плоска сітка, що складається з правильних шестикутників, У вершинах яких знаходяться атоми С. Утворилися шари С йдуть паралельно один одному. Зв'язки з-поміж них слабкі, їх забезпечують електрони, які беруть участь у гібридизації орбіталей. Останні утворюють?-зв'язки. Зв'язок атомів З різних шарах носить частково металевий характер – узагальнення електронів усіма атомами.
Графіт має відносно високу електро- та теплопровідність, стійкий до нагрівання. З графіту виготовляють олівці.
Карбінотримано синтетично? та?-форми ( полікумулен) каталітичним окисненням ацетилену. Це тверді, чорні речовини зі скляним блиском. Під час нагрівання без доступу повітря переходять у графіт.
Вугілля– аморфний вуглець – невпорядкована структура графіту – виходить при нагріванні вуглецевмісних сполук.
У природі є великі поклади вугілля.
Вугілля має кілька сортів:
2) кістяне вугілля;
40. Оксиди вуглецю. Вугільна кислота
Вуглець з киснем утворює оксиди: СО, СО2, С3О2, С5О2, С6О9 та ін. Оксид вуглецю(II) - СО . Фізичні властивості: чадний газ, без кольору та запаху, отруйний, у воді майже не розчинний, розчинний в органічних розчинниках, t кипіння = -192 °C, t плавлення = -205 °C. Хімічні властивості:несолетворний оксид. У звичайних умовах малоактивний, при нагріванні виявляє відновлювальні властивості:
1) з киснем: 2C+2O + O2 = 2C+4O2;
2) відновлює метали із руд: C+2O + CuO = Сu + C+4O2;
3) із хлором (на світлі): CO + Cl2 = COCl2(фосген);
4) з воднем: СО + Н2 = СН3ОН (метанол);
5) із сіркою: СО + S = СОS (сульфоксид вуглецю);
6) реагує з розплавами лугів: CO + NaOH = HCOONa (форміат натрію);
7) з перехідними металами утворює карбоніли: Ni + 4CO = Ni(CO)4, Fe + 5CO = Fe(CO)5.
СО легко з'єднується з гемоглобіном - Hb крові, утворюючи карбоксигемоглобін,перешкоджаючи перенесенню О2 від легень до тканин: Hb + CO = HbCO.
При вдиху повітря карбогемоглобін розпадається на вихідні продукти: HbCO?Hb + CO.
Отримання:
1) у лабораторії – термічним розкладанням мурашиної чи щавлевої кислоти у присутності H2SO4(конц.):
2) у промисловості (у газогенераторах):
Оксид вуглецю (IV) СО2. Фізичні властивості:вуглекислий газ, без кольору та запаху, малорозчинний у воді, важчий за повітря, t плавлення = -78,5 °C, твердий CO2 – сухий лід, не підтримує горіння.
Отримання:
1) у промисловості (випал вапняку): CaCO3?CaO + CO2;
2) дією сильних кислотна карбонати та гідрокарбонати: CaCO3(мармур) + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2; NaHCO3 + HCl = NaCl + H2O + CO2.
Хімічні властивості:кислотний оксид, реагує з основними оксидами та основами, утворюючи солі вугільної кислоти:
При підвищеній температурі виявляє окисні властивості: З +4O2 + 2Mg = 2Mg +2O + C0.
Якісна реакція- Помутніння вапняної води: Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3(білий осад) + H2O.
Вугільна кислота –слабка, існує у водному розчині: CO2 + H2O = H2CO3.
Солі: середні – карбонати (СО3 2-), кислі - бікарбонати, гідрокарбонати (НС03-).
Карбонати та гідрокарбонати перетворюються один на одного:
Якісна реакція –"закипання" при дії сильної кислоти: Na2CO3 + 2HCl = 2NaCl + H2O + CO2; CO32-+ 2H+= H2O + CO2.
Слайд 2
Знаходження у природі.
Серед безлічі хімічних елементів, без яких неможливе існування життя на Землі, вуглець є головним. Більше 99% вуглецю в атмосфері міститься у вигляді вуглекислого газу. Близько 97% вуглецю в океанах існує у розчиненій формі (), а в літосфері – у вигляді мінералів. Елементарний вуглець присутній у атмосфері у малих кількостях як графіту і алмазу, а грунті - у вигляді деревного вугілля.
Слайд 3
Положення в ПСХЕ. Загальна характеристика елементів підгрупи вуглецю.
Головну підгрупу IV групи періодичної системи Д. І. Менделєєва утворюють п'ять елементів - вуглець, кремній, германій, олово та свинець. У зв'язку з тим, що від вуглецю до свинцю радіус атома збільшується, розміри атомів зростають, здатність до приєднання електронів, а, отже, і неметалеві властивості будуть слабшати, легкість віддачі електронів - зростати.
Слайд 4
Електронне будівництво
У нормальному станіелементи цієї підгрупи виявляють валентність, рівну 2.При переході у збуджений стан, що супроводжується переходом одного з s – електронів зовнішнього шару у вільний осередок p – підрівня того ж рівня, всі електрони зовнішнього шару стають не спареними і валентність при цьому зростає до 4.
Слайд 5
Методи отримання: лабораторні та промислові.
Вуглець Неповне спалювання метану: СН4 + О2 = С + 2Н2О Оксид вуглецю (II) У промисловості: Оксид вуглецю (II) отримують в особливих печах, званих газогенераторами, в результаті двох реакцій, що послідовно протікають. У нижній частині газогенератора, де достатньо кисню, відбувається повне згоряння вугілля і утворюється оксид вуглецю (IV): C + O2 = CO2 + 402 кДж.
Слайд 6
У міру просування оксиду вуглецю (IV) знизу вгору останній стикається з розпеченим вугіллям: CO2 + C = CO – 175 кДж. Виходить газ складається з вільного азоту і оксиду вуглецю (II). Така суміш називається генераторним газом. У газогенераторах іноді через розпечене вугілля продувають водяну пару: C + H2O = CO + H2 - Q, «CO + H2» - водяний газ. У лабораторії: Діючи на мурашину кислотуконцентрованою сірчаною кислотою, яка зв'язує воду: HCOOH H2O + CO.
Слайд 7
Оксид вуглецю (IV) У промисловості: Побічний продукт під час виробництва вапна: CaCO3 CaO + CO2. У лабораторії: При взаємодії кислот з крейдою або мармуром: CaCO3 + 2HCl CaCl2 + CO2+ H2O. Карбіди Карбіди отримують за допомогою прожарювання металів або їх оксидів з вугіллям.
Слайд 8
Вугільна кислотаОтримують розчиненням оксиду вуглецю (IV) у воді. Оскільки вугільна кислота дуже міцне з'єднання, то ця реакція оборотна:CO2 + H2O H2CO3. Кремній У промисловості: При нагріванні суміші піску та вугілля: 2C + SiO2Si + 2CO. У лабораторії: При взаємодії суміші чистого піску із порошком магнію: 2Mg + SiO2 2MgO + Si.
Слайд 9
Кремнієва кислота Отримують при дії кислот розчини її солей. При цьому вона випадає у вигляді драглистого осаду: Na2SiO3 + HCl 2NaCl + H2SiO3 2H+ + SiO32- H2SiO3
Слайд 10
Алотропні видозміни вуглецю.
Вуглець існує у трьох алотропних модифікаціях: алмаз, графіт та карбін.
Слайд 11
графіт.
М'який графіт має шарувату будову. Непрозорий, сірого кольору із металевим блиском. Досить добре проводить електричний струмзавдяки наявності рухомих електронів. Слизьок на дотик. Одна з м'яких серед твердих речовин. Рис.2 Модель грат графіту.
Слайд 12
Діамант.
Алмаз - найтвердіша природна речовина. Кристали алмазів високо цінуються і як технічний матеріал, і як дорогоцінну прикрасу. Добре відшліфований алмаз – діамант. Заломлюючи промені світла, він сяє чистими, яскравими квітамивеселки. Найбільший з будь-яких знайдених алмазів важить 602 г, має довжину 11 см, ширину 5 см, висоту 6 см. Цей алмаз був знайдений в 1905 р і носить ім'я «Келліан». Рис.1 Модель решітки алмазу.
Слайд 13
Карбін та Дзеркальний вуглець.
Карбін є порошком глибокого чорного кольору з вкрапленням більших частинок. Карбін – найбільш термодинамічно стійка форма елементарного вуглецю. Дзеркальний вуглець має шарувату будову. Одна з найважливіших особливостейдзеркального вуглецю (крім твердості, стійкості до високих температур тощо) - його біологічна сумісність із живими тканинами.
Слайд 14
Хімічні характеристики.
Луги переводять кремній у солі кремнієвої кислоти з виділенням водню: Si + 2КОН + H2O = К2Si03 + 2Н2 З водою вуглець і кремній реагують лише при високих температурах: С + Н2О ¬ СО + Н2 Si + ЗН2О = Н2SiO3 + 2Н2 Вуглець на відміну від кремнію безпосередньо взаємодіє з воднем:С + 2Н2 = СН4
Слайд 15
Карбіди.
З'єднання вуглецю з металами та іншими елементами, які по відношенню до вуглецю є електропозитивними, називаються карбідами. При взаємодії карбіду алюмінію з водою утворюється метан Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3 + 3CH4 При взаємодії з водою карбіду кальцію – ацетилен: CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2
Рb. Всі вони відносяться до р-Елементам, так як у них добудовується р-електронна оболонка зовнішнього шару (табл. 15)
|
Елемент |
Заряд ядра |
Число електронів на енергетичних рівнях |
Радіус атома, Å |
||||||
|
0,77 1,17 1,22 1,40 1,46 |
|||||||||
Зі збільшенням заряду ядра радіус атома зростає і помітно зменшується електронегативність. У зв'язку з цим від вуглецю до свинцю помітно посилюються металеві властивості. Так, має добре виражені металеві властивості, в час як зараховують до неметалів.
Чотирьохелектронний зовнішній шар та малі атомні радіуси вуглецю та кремнію сприяють утворенню ковалентних зв'язків, які типові для цих елементів. Особливістю як вуглецю, так і кремнію є здатність утворювати довгі ланцюжки з однойменних атомів, що призводить до великого різноманіття органічних та кремнійорганічних речовин. Вуглець і можуть утворювати як дві, так і чотири валентні зв'язки. Максимальний ступіньокислення елементів головної підгрупи IV групи дорівнює +4. Це говорить про те, що для їх атомів умовно можлива віддача 4 електронів, прийняти на зовнішній шар вони також здатні не більше електронів. В окислювально-відновних реакціях вони поводяться як відновники.
Вищі цих елементів виявляють кислотні властивості. Їм відповідають кислоти, що є дуже слабкими електролітами. Це свідчить, що з головних підгруп IV-VII групи підгрупа вуглецю об'єднує елементи з найменш вираженими неметалевими властивостями. Міцність летких гідридів помітно зменшується від вуглецю СН4 до свинцю РbН4. Не можна не відзначити характер властивостей оксидів, у яких елементи виявляють ступінь окиснення +2. Якщо вуглець утворює при цьому несолетворний оксид СО, окис свинцю РbО має добре виражені амфотерні властивості.
■ 1. Серед елементів групи вуглецю вкажіть:
а) елемент із найменшим атомним радіусом;
б) елемент із найбільш вираженими металевими властивостями;
в) формули вищих оксидів елементів групи вуглецю;
г) формули вищих кисневих кислот, відповідних названим окислам;
д) формули нижчих оксидів;
е) зміна стійкості летких водневих сполук (написати ряд формул та стрілкою вказати напрямок зменшення стійкості).
Вуглець
Атомна вага вуглецю 12,011. Зовнішній електронний шар атома вуглецю має 4 електрони, його електронна конфігурація 2s 2 2p 2 , розподіл електронів по орбіталям.
Серед елементів підгрупи вуглець має найбільшим значеннямелектронегативності.
Вуглець має три алотропні видозміни - , і аморфний вуглець. і трапляються у природі, а аморфний вуглець може бути отриманий лише штучним шляхом.
- тверде кристалічна речовина, тугоплавке та хімічно мало активне. Чистий алмаз – безбарвні прозорі кристали. Серед мінералів алмаз має найвищу твердість, що дорівнює 10, щільність його 3,514. Така висока твердість пояснюється будовою його кристалічних ґрат атомного типу, в якій атоми вуглецю знаходяться на однаковій відстані один від одного (див. рис. 11).
Завдяки твердості алмаз широко застосовується для різання скла, буріння твердих порід, машинах для волочіння дроту, шліфувальних дисках і т. д. Для цих цілей використовують алмази, забруднені різними домішками.
Чисті безбарвні кристали піддають ограновування та шліфування алмазним порошком і перетворюють на діаманти. Що більше граней, то краще «грає» діамант. Діаманти бувають найчастіше невеликими, їхня вага вимірюється каратами (1 карат дорівнює 0,2 г). Але трапляються і великі діаманти.
- дрібнокристалічний мінерал, в кристалічній решітці якого відстань між атомами однакова лише у двох напрямках, а третьому набагато більше. Це робить кристали графіту неміцними, а сам мінерал м'яким. Твердість графіту дорівнює 1, щільність 2,22 температура плавлення близько 3000°. Графіт має гарну електропровідність, тому застосовується для виготовлення електродів, обкладок для електролітичних ванн. Порошок графіту, змішаний з мінеральною олією, є гарним мастилом. Оскільки графіт м'якший за папір і може залишати на ньому слід, його застосовують для виготовлення олівцевих грифелів, туші, друкарської фарби, копіювального паперу. Висока термостійкість графіту дозволяє виготовляти з нього вогнетривкі тиглі. Графіт вдається отримувати штучним шляхом - нагріванням коксу до 2500-3000 °.
■ 2. Якого типу кристалічні грати мають алмаз та графіт?
3. Поясніть з точки зору електронної конфігурації електронних шарів, чому вуглець може утворювати як два, так і чотири валентні зв'язки.
Існує думка, що одержуваний штучно аморфний вуглець (сажа, деревне вугілля) не є самостійним алотропним видозміною, тому що його мікрокристалічна структура така сама, як у графіту.
Аморфний вуглець у вигляді деревного вугілля виходить при сухій перегонці деревини у вигляді дуже легкої крихкої пористої маси. Структура аморфного вуглецю дуже подібна до структури графіту, але кристали в ньому розташовані безладно.
Величезна поверхня деревного вугілля обумовлює характерне йому явище адсорбції. Молекули вуглецю, що знаходяться на поверхні шматочка вугілля, притягують до себе молекули речовин з навколишнього середовища, долаючи енергію теплового руху молекул. Зрозуміло, що чим більша поверхня, тим сильніше йде, тому подрібнений адсорбент краще | адсорбує. Якщо ретельно подрібнити вугілля, а потім помістити його під ковпак, де знаходяться пари брому, можна помітити, як поступово забарвлення брому слабшає і, зрештою, зникає.
Якщо порошок вугілля збовтати в пробірці з розчином марганцевокислого калію, фуксину або з настойкою чаю, незабаром ці розчини знебарвлюються. Якщо прокип'ятити адсорбент разом з адсорбованим на його поверхні речовиною чистій воді, то забарвлення розчину з'являється знову, оскільки тепловий рухмолекул посилюється і вони зриваються з поверхні адсорбенту -проходить десорбція.
Слід зазначити також, що явище каталізу, яке було розглянуто вище, тісно пов'язане із явищем адсорбції.
■ 4. Яке явище називається адсорбцією?
5. Де ще має місце явище адсорбції, окрім процесів, пов'язаних із деревним вугіллям?
6. Дайте пояснення явищу десорбції та вкажіть причини, що сприяють цьому явищу.
При обробці перегрітою водяною парою з пір вугілля видаляються наявні там іноді сторонні домішки, збільшується пористість вугілля. Таке вугілля називається активованим.
Активоване вугіллядуже широко застосовується, зокрема, у протигазі, вперше запропонованому акад. Н. Д. Зелінським для захисту дихальних шляхів від отруйних газів, що знаходяться у повітрі. Вперше такий протигаз було застосовано під час першої світової війни (рис. 64). Протигаз складається з гумової маски або шолома, що щільно облягає обличчя і голову, гофрованої гумової трубки, що з'єднує маску з коробкою, що містить повітря, що очищає .
Система клапанів пропускає повітря, що вдихається в маску тільки через коробку, а видихається - прямо в навколишній простір. Протигазова коробка містить розташовані шарами протидимний фільтр, що затримує тверді і крапельні частинки, хімічний поглинач, хімічно зв'язує отруйні, що надходять в коробку, і активоване вугілля.
Активоване вугілля іноді дається у вигляді суспензії у воді всередину у разі потрапляння в шлунок отруйних речовин. Деревне вугілля застосовується також виготовлення чорного пороху.
Аморфний вуглець у вигляді коксу застосовується у металургії. Отримують кокс у коксохімічних печах з кам'яного вугілля. Це тверда пориста речовина, що є майже чистим вуглцем. Кокс є чудовим паливом та гарним відновником.
Мал. 64.Пристрій протигазу Н. Д. Зелінського. 1-шолом; 2 - гофрована трубка; 3 – видихальний клапан; 4 - коробка, що фільтрує; 5 - активоване вугілля; 6 -хімічний поглинач; 7 – протидимний фільтр.
Сажа виходить при спалюванні газоподібних речовинз високим відсоткомвмісту вуглецю. У вигляді сажі аморфний вуглець широко застосовується в гумовій промисловості та поліграфії для виготовлення друкарської фарби. Сажа найбільш високої якостівиходить при спалюванні газоподібного палива, наприклад, ацетилену.
■ 7. Складіть та заповніть таку таблицю:
Хімічні властивості вуглецю
Слід зазначити, що основною властивістю вуглецю є його здатність, що відновлює. Вуглець - один із найкращих відновників. Він легко відновлює їх оксидів при нагріванні:
і легко згоряє в кисні, утворюючи окис або двоокис вуглецю
2С + O2 = 2СО -
З + О2 = СО2
Сплавляючись з металами, вуглець утворює карбіди, що мають дуже своєрідну будову молекул. Наприклад, особливо широко застосовується в техніці карбід кальцію СаС2 має таку будову:
З воднем вуглець з'єднується тільки при температурі близько 1200°, утворюючи органічну сполуку метану СН4:
З + 2Н2 = СН4
■ 8. Розрахуйте, яку кількість міді можна відновити з окису СuО за допомогою 24 кг вуглецю, якщо втрати міді становлять 5%.
При пропущенні перегрітої водяної пари через розпечене вугілля останній відновлює з води , внаслідок чого утворюється водяний газ:
З + Н2О = СО + На
водяний газ
Незважаючи на високу відновну здатність вуглецю, застосування його як відновника не завжди зручне, тому що він є твердою речовиною. Набагато зручніше використовувати газоподібні відновники. Тоді контакт між відновником і речовиною, що відновлюється, стає більш повним. У зв'язку з цим вуглець доцільно переводити в окис вуглецю, що зберігає його відновлювальні властивості і є водночас газоподібною речовиною.
■ 9. Який обсяг водяного газу (умови нормальні) можна отримати при пропусканні водяної пари через 5 г атомів вуглецю?
10. Нітрат міді прожарили до повного припинення виділення бурого газу, після чого змішали з подрібненим вугіллям і знову прожарили. Що сталося внаслідок реакції? Дайте відповідь, обґрунтувавши її рівняннями реакцій.
Окиси вуглецю
Відомі два оксиди вуглецю, в яких він виявляє різні ступеніокислення: СО та СО2.
Окис вуглецю (II) СО, або, як її називають, чадний газ, є безбарвний газне має запаху. Температура кипіння -191,5 º. Вона трохи легша за повітря і вкрай отруйна. Отруйність окису вуглецю пояснюється тим, що в поєднанні з гемоглобіном крові, з якою вона вступає в контакт при попаданні в легені, вона утворює карбоксигемоглобін, який є міцною сполукою, яка не має здатності вступати в реакцію з киснем. Таким чином, гемоглобін крові виводиться з ладу, і при сильному отруєнні людина може загинути від кисневого голодування. Окис вуглецю може проникнути в приміщення, опалюване печами, у тому випадку, якщо дуже рано закривається димохід і не окис вуглецю, що не встиг згоріти, потрапляє в житлове приміщення.
Хімічні властивості окису вуглецю дуже різноманітні. Це горючий газ, який легко згоряє блакитним полум'ям у кисні та на повітрі з утворенням двоокису вуглецю:
2СО + О2 = 2СО2
Вуглець у цій реакції окислюється, переходячи з +2 в +4, тобто виявляє відновлювальні властивості. Отже, окис вуглецю можна використовувати як відновник. Справді, окисом вуглецю можна відновлювати з оксидів:
FeO + СО = СО2 + Fe
Слід зазначити також, що окис вуглецю належить до несолетворних оксидів.
■ 11. Елемент свинець Рb, що відноситься також до головної підгрупи IV групи, може утворювати оксид, у якому виявляє ступінь окислення +2; вуглець також може утворювати оксид, де виявляє такий самий ступінь окислення. Порівняйте хімічні властивості цих двох оксидів та ілюструйте їх рівняннями реакцій.
Горючість окису вуглецю, а також відновлювальні властивості роблять її дуже цінним паливом та відновником у багатьох виробничих процесів, особливо в металургії, тому окис вуглецю спеціально одержують у печах, які називаються газогенераторами (рис. 65).
Мал. 65. Схема газогенератора
Газогенератор є піч, в яку зверху засипають кокс. Знизу кокс підпалюють, а підтримки горіння коксу знизу ж подають повітря. При дотику кисню повітря з розпеченим вугіллям останній згоряє з утворенням двоокису вуглецю:
З + O2 = СО2
Проходячи через наступні солі вугілля, двоокис вуглецю відновлюється до окису вуглецю: СO2 + С = 2СO
В результаті з газогенератора виходить генераторний газ наступного складу: СО + СО2 + N2 (повітря). Цей газ називається повітряним. Повітряний газ містить лише одну пальну речовину, а двоокис вуглецю СО2 і є баластом. Для того щоб у газі не було баласту, через генератор пропускають перегріту водяну пару, яка, вступаючи в реакцію з вуглецем, утворює водяний газ:
С + Н2О ⇄ СО + Н2
Водяний газ баласту немає, оскільки окис вуглецю і горять і є добрими відновниками, але за тривалому пропусканні водяної пари через вугілля останній охолоджується і перестає працювати. Для того щоб цього не відбувалося, через газогенератор пропускають поперемінно повітря та водяну пару, отримуючи при цьому змішаний газ.
Генераторні гази широко використовуються у техніці.
Мал. 66. Схема підземної газифікації вугілля.
■ 12. Який обсяг водяного газу вийде під час пропускання водяної пари через 36 кг вугілля?
13. Напишіть рівняння реакцій, що відбуваються при відновленні окислу заліза (III) водяним газом.
14. Як можна поділити гази, що входять до складу повітряного генераторного газу?
15. Повітряний генераторний газ пропустили розчин кальцію. Як змінився склад газової суміші? Підтвердьте рівняння реакцій.
16. Чим відрізняється змішаний газ повітряного? Укажіть склад компонентів змішаного газу.
Д. І. Менделєєвим у 1888 р. було запропоновано спосіб підземної газифікації вугілля. Полягає він у наступному. У вугільному пласті (рис. 66) з поверхні вниз пробурюють дві свердловини на відстані 25-30 м одна від одної. За допомогою електронагрівачів вугільний пласт унизу підпалюють. При пропущенні повітря в свердловину дуття між нею і газовідвідною свердловиною прогоряє канал, по якому гази йдуть в газовідвідну свердловину і по ній піднімаються на поверхню. У нижній частині пласта, як у газогенераторі, відбувається згоряння вугілля до двоокису вуглецю. Дещо вище двоокис вуглецю відновлюється до окису вуглецю, а ще вище під дією тепла розігрітого вугільного пласта здійснюється суха перегонка, продукти якої також виводяться через газовідвідну свердловину. Продукти сухої перегонки є дуже цінними. Надалі газ, що виходить, відокремлюють від них, після чого його можна використовувати за призначенням.
Генераторний газ використовують у металургії, у виробництві скла та кераміки, у газових турбінах та двигунах внутрішнього згоряння, у побуті.
Окис вуглецю і широко застосовуються у промисловості органічного синтезу- при отриманні аміаку, хлористого водню, штучного палива, миючих засобіві т.д.
■ 17. Розрахуйте витрати вугілля в газогенераторі, якщо у результаті утворилося 112 л водяного газу.
Двоокис вуглецю СО2 є найвищим вуглецевим оксидом, її 44 у. е. (вона більш ніж у півтора рази важча за повітря). Температура кипіння (лісування) -78,5 °.
Двоокис вуглецю при сильному охолодженні перетворюється на тверду снігоподібну масу - «сухий лід», який при нормальному тиску в рідину не переходить, а виганяється, що представляє велику зручність при зберіганні продуктів, що швидко псуються: по-перше, відсутня волога, а по-друге, атмосфера двоокису вуглецю затримує зростання бактерій та пліснявих грибків. Двоокис вуглецю-типовий кислотний оксид, що має всі характерні властивості.
■ 18. Напишіть рівняння хімічних реакцій, Що характеризують властивості двоокису вуглецю як кислотного окислу
Двоокис вуглецю досить добре розчинна у воді: в одному обсязі води розчиняється один об'єм СО2. При цьому відбувається взаємодія її з водою з утворенням нестійкої вугільної кислоти: Н2О + СО2 ⇄ Н2СО3
У разі підвищення тиску двоокису вуглецю різко зростає. На цьому ґрунтується застосування СО2 у виготовленні шипучих напоїв.
■ 19. Знаючи закономірності усунення рівноваги, вкажіть, у якому напрямку можна змістити рівновагу в реакції
СО2+ Н2О ⇄ Н2СО3
а) підвищуючи тиск; б) збільшуючи температуру.
Двоокис вуглецю не підтримує горіння та дихання і в її атмосфері тварини гинуть не від отруєння, а від відсутності кисню. Тільки , що горить при дуже високій температурі, може горіти в двоокисі вуглецю, розкладаючи її і тим самим відновлюючи вуглець:
2Mg + СО2 = 2MgO + С
У той же час двоокис вуглецю необхідний зеленим рослинамдля процесу фотосинтезу Збагачення атмосфери двоокисом вуглецю в теплицях, парниках посилює утворення органічної рослини.
У земній атмосферіміститься 0,04% двоокису вуглецю. Невеликий вміст двоокису вуглецю у повітрі стимулює діяльність дихального центру.
Зазвичай двоокис вуглецю одержують, впливаючи на солі вугільної кислоти якоюсь сильнішою кислотою:
СаСО3 + 2НСl = СаСl2 + Н2СO3
Цей процес здійснюють у лабораторії в апараті Кіппа, заряджаючи його мармуром та соляною кислотою.
Мал. 67. Пінний вогнегасник. 1-резервуар із водним розчином соди; 2 -ампула із сірчаною кислотою; 3 – ударник; 4-залізна сітка; 5 - вихідний отвір; б - рукоятка
Аналогічний спосіб отримання двоокису вуглецю застосовується у так званих пінних вогнегасниках (рис. 67). Такий вогнегасник є сталевий балон, заповнений розчином соди Na2CO3. У цей розчин опущена скляна ампула із сірчаною кислотою. Над ампулою укріплений ударник, яким у разі потреби можна розбити ампулу, і тоді почне взаємодіяти з содою за рівнянням:
Na2CO3 + H2SO4 = Na2SO4 + H2CO3
Виділяється при цьому у великій кількості двоокис вуглецю утворює багату піну, яка тиском газу викидається через отвір у бічній стінці і, покриваючи предмет, що горить, припиняє доступ до нього кисню повітря.
Для промислових цілей двоокис вуглецю отримують при розкладанні вапняку:
СаСO3 = СаО + СО2
Двоокис вуглецю утворюється при горінні вугілля, а також виділяється при бродінні цукрів та в інших процесах.
■ 20. Чи можна пінний вогнегасник наповнити замість розчину соди розчином іншого карбонату, а сірчану кислотузамінити іншою кислотою. Наведіть приклади.
21. Через йодну воду пропустили суміш газів, що складається з двоокису вуглецю, сірководню та сірчистого газу. Який склад газової суміші на виході? Що міститься у розчині?
22. Який обсяг двоокису вуглецю вийде при спалюванні 112 л окису вуглецю?
23. Який об'єм окису вуглецю утворюється при окисленні 4 молей вуглецю?
24. Скільки двоокису вуглецю можна отримати при розкладанні 250 г вапняку, що містить 20% домішок, якщо вихід СО2 дорівнює 80% від теоретичного?
25. Скільки важить 1 м 3 суміші газів, що складається на 70% з окису вуглецю та 30% з двоокису вуглецю?
Вугільна кислота та її солі
Двоокис вуглецю є ангідридом вугільної кислоти. Н2СО3 сама по собі дуже неміцна речовина. Вона існує лише у водних розчинах. При спробі виділити її з цих розчинів вона легко розпадається на воду і двоокис вуглецю:
H2CO3 ⇄ Н2О + СО2
H2CO3 ⇄ H + + HCO - 3 ⇄ 2H + + СО 2 3 -
є дуже слабким електролітом; тим не менш, будучи двоосновною, вона утворює два ряди солей: середні – та кислі – бікарбонати. Вуглекислі солі цікаві тим, що при дії на них кислоти виділяється двоокис вуглецю:
К2СО3 + 2НСl = 2КСl + Н2СО3
■ 26. Наведене рівняння напишіть в іонній формі, а також наведіть ще два рівняння реакцій, що ілюструють дію кислот на .
27. Напишіть рівняння реакції дії соляної кислоти на бікарбонат магнію в молекулярній та іонній формах.
При обробці двоокисом вуглецю та водою перетворюються на бікарбонати. При нагріванні відбувається зворотне перетворення:
звичайні умови
СаСО3 + СО2 + Н2О ⇄ Са(НСО3)2
нагрівання
Перехід нерозчинного карбонату в розчинний бікарбонат призводить до вимивання карбонату з земної кори, внаслідок чого утворюються порожнечі - печери. Карбонати здебільшогоу воді нерозчинні, за винятком карбонатів лужних металівта амонію. Бікарбонати розчиняються краще.
Серед карбонатів особливої уваги заслуговує СаСО3, що зустрічається у трьох видах: у вигляді мармуру, вапняку та крейди. Крім того, у поєднанні з карбонатом магнію він входить до складу гірської породи доломіту MgCO3 · CaCO3. Незважаючи на однаковий хімічний склад, фізичні властивості цих порід зовсім різні.
Мармур – тверда, кристалічна речовина магматичного походження. Він поступово викристалізувався всередині магми, що остигає. Часто мармур буває пофарбований домішками в різні кольори. Мармур дуже добре полірується і тому широко використовується як оздоблювальний матеріал для облицювання будівельних споруд та у скульптурі.
Вапняк - осадова породаорганічного походження. Нерідко у вапняку можна знайти залишки древніх тварин, головним чином молюсків у вапняних раковинах. Іноді вони бувають досить великими, інколи ж видно лише під мікроскопом. За мільйони років вапняк ущільнився і став настільки твердим, що його застосовують як будівельний матеріал. Але в даний час він поступово витісняється дешевшими, легкими та зручними штучними матеріалами. Вапняк використовується головним чином для отримання вапна.
Крейда - м'яка осадова порода білого кольору. Застосовується у будівництві для побілки. При виготовленні зубного порошку крейду спочатку розчиняють у кислоті, а потім знову беруть в облогу, оскільки в природній речовинітрапляються дрібні тверді часткикремнезему, які можуть подряпати зубну емаль.
Бікарбонат кальцію Са(НСО3)2 у природі зустрічається у розчиненому стані. Утворюється при дії води у поєднанні з двоокисом вуглецю на вапняк. Присутність цієї солі надає воді тимчасової (карбонатної) жорсткості.
Винятковий інтерес представляє сода Na2CO3, що зустрічається іноді в природі в так званих содових озерах. Але в даний час добування соди з природних джерелвитісняється дешевшим штучним отриманням цього продукту. Якщо сода містить кристалізаційну воду, то вона називається кристалічною содою Na2CO3 · 10Н2О, якщо ж не містить її, то кальцинованою содою. Сода дуже широко застосовується в миловарній, текстильній, паперовій та скляній галузях промисловості.
Двовуглекисла сода, або бі карбонат натрію, або питна сода, NaHCО3 застосовується при випіканні кондитерських виробів як розпушувач тіста, а також в медицині при підвищеній кислотності шлунка, печії, діабеті і т.д.
Карбонат калію K2CO3, або поташ, як і сода, застосовується в миловарній промисловості та у виробництві тугоплавкого скла.
Слід зазначити, що вуглець утворює звані органічні сполуки, кількість і різноманітність яких далеко перевершують сполуки всіх інших елементів, разом узятих. Детальне вивчення сполук вуглецю виділено самостійну область, звану органічної хімією.
■ 28. Як відрізнити один від одного представлені в твердому вигляді карбонат натрію,
32. 2 кг карбонату кальцію піддали прожарювання. Вага залишку після прожарювання дорівнювала 1 кг 800 г. Який відсоток карбонату зазнав розкладання?
33. Як звільнити від домішок нітрату кальцію?
34. Як, маючи у своєму розпорядженні тільки соляну кислоту, розпізнати карбонат барію, сульфіт барію та сульфат барію?
35. Окисом вуглецю, отриманим з 5 кг вугілля, відновили окис заліза (III). Скільки заліза отримано?
Вуглець - життєво важливий елементдля тварин та рослин. Рослини, використовуючи двоокис вуглецю повітря та енергію сонця, створюють органічні речовини. Травоїдні тварини, які харчуються рослинами, використовуючи ці вже готові речовини, у свою чергу служать
Мал. 68. Кругообіг вуглецю в природі
їжею для хижаків. Рослини і тварини, відмираючи, гниють, окислюючись і частково перетворюючись на двоокис вуглецю, що знову споживається рослинами, частково поступово розкладаються в грунті, утворюючи різні видипалива. При горінні палива виділяється двоокис вуглецю, що надходить в атмосферу та споживається рослинами (рис. 68).
РАДОН ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ Хімічна поведінкамолекули будь-якого ізотопу радону визначається його приналежністю до інертним газам. Щоправда, у їхньому ряді...
Тема - 20: Підгрупа вуглецю. Положення вуглецю в періодичній системі. Алотропія вуглецю.
Студент повинен:
Знати:
· Особливості будови атом підгрупи вуглецю.
· Властивості, склад, отримання та застосування найважливіших хімічних сполук.
Вміти:
· Характеризувати загальні властивостіпідгрупи вуглецю.
· Складати хімічні формуливодневих та кисневих сполук.
· Виконувати хімічні досліди, що підтверджують властивості вивчених неметалів
20.1. Загальна характеристиканеметалів (IV)групи
Головну підгрупу IV групи утворюють елементи вуглець (С), кремній (Si), германій (Ge), олово (Sn), і свинець(Рb).
Електронна конфігураціязовнішнього електронного шару атомів елементів цієї підгрупи - ns2 np2 . УВ основному (незбудженому) стані на р-підрівні знаходяться два неспарені електрони, які зумовлюють загальну для всіх елементів валентність, рівну (II). При переході атомів у збуджений стан число неспарених електронів збільшується до чотирьох, тому ще одна характерна валентність дорівнює IV.
https://pandia.ru/text/80/150/images/image002_147.jpg" width="400" height="120">
Вуглець і кремній виявляють у різних сполуках як позитивні, так і інегативні ступеніокиснення. Метали Ge, Sn, Pb у всіх сполуках виявляють позитивні ступеніокислення, крім водневих сполук GeH4, SnH4 і РЬН4, які дуже нестійкі.
З усієї підгрупи тільки вуглець утворює стійку водневу сполуку СН4.
Елементи головної підгрупи IV групи утворюють вищі оксидитипу R02 та нижчі оксиди типу RO. Характер цих оксидів різний:
20.2.Вуглець
Електронна формула атома вуглецю – ls22s22p2. Електронно - графічна формулазовнішнього шару:
Можливі валентності: ІІ, ІV. Можливі ступені окислення: -4, 0, +2, +4.
Здебільшого вуглець має валентністьIVта ступінь окислення +4.
Оскільки вуглець має великою енергієюіонізації та малою енергією спорідненості до електрона, для нього не характерна освіта іонних зв'язків. Зазвичай вуглець утворює ковалентні малополярні зв'язки.
Відмінною особливістю вуглецю є здатність його атомів з'єднуватись один з одним з утворенням вуглець-вуглецевих ланцюгів:лінійних, розгалужених та циклічних:
https://pandia.ru/text/80/150/images/image005_76.jpg" width="373" height="282">
Графіт- м'яка темно-сіра речовина з металевим блиском. Кристалічні грати мають шарувату будову (рис. 15).
У площині одного шару атоми вуглецю пов'язані між собою міцними ковалентними зв'язками між собою міцними ковалентними зв'язками і утворюють кільця шестичленні. Окремі шари графіту, складені з нескінченної множинитаких кілець, пов'язані один з одним порівняно слабко. Відстань між шарами в кристалі графіту більша за відстань між сусідніми атомами в одній площині в 2,5 рази.
Іншими словами, кожен атом вуглецю в кристалічній ґраті графіту утворює 3 міцні ковалентні зв'язки з атомами вуглецю в тому ж шарі, на що витрачає три валентні електрони. Четвертий електрон є відносно вільним. Ці вільні електрони беруть участь в утворенні зв'язків між шарами, узагальнюючи всіма атомами кристала за типом металевого зв'язку. Таким чином, кристалічні ґратиграфіту можна вважати перехідною між атомною і металевими гратами. Цим пояснюються порівняно високі електро- та теплопровідність графіту.
З деякими застереженнями (через наявність домішок) доалотропним модифікаціям вуглецю можна віднести і так званий аморфний вуглець,найважливішими представниками якого є сажа, коксі деревне вугілля.З деревного вугілля шляхом його обробки перегрітою парою при високій температурі отримують активоване вугілля.
Штучно отримують ще одну алотропну модифікацію вуглецю. карбін.Це порошок чорного кольору звкрапленнями більших частинок. У карбіні атоми вуглецю з'єднуються один з одним у довгі лінійні ланцюги двох типів: зчергуванням потрійних та одинарних зв'язків... - С = С-С = С - С = С- ...і с безперервною системою подвійних зв'язків... = С = С = С = С = .... останні рокиневеликі кількості карбину виявлено у природі.
20.2.2. Хімічні властивості вуглецю
При звичайній температурі вуглець виявляють малу хімічну активність. При нагріванні реакційна здатністьзбільшується, особливо у графіту та аморфного вуглецю.
Маючи на зовнішньому електронному шарі електрона 4, атоми вуглецю можуть їх віддавати, проявляючи при цьому відновлювальні властивості:
С0- 4є → С+4
Зз іншого боку, атоми вуглецю можуть приймати недостатні до октету 4 електрона, виявляючи при цьому окисні властивості:
С0 + 4→ З-4.
Так як у вуглецю невисока електронегативність (порівняно згалогенами, киснем, азотом та іншими активними неметалами), то окислювальні властивості його виражені значно слабше.
1. Вуглець як відновник
При взаємодії зпростими речовинами, утвореними електронегативними неметалами, вуглець виявляє відновлювальні властивості.
а) Попередньо нагрітий вуглець горить на повітрі
звиділенням великої кількостітепла, утворюючи оксид
вуглецю (CO2), або вуглекислий газ:
З + 02 = С02 + Q (T ° = -394 кДж/моль).
При нестачі кисню утворюється оксид вуглецю (II), або чадний газ СО:
2С + 02 → 2СО.
б) Розпечений вуглець взаємодіє зсірої та її
парами, утворюючи дисульфід сірки CS2 (сірковуглець):
З + 2S = CS2 - Q (це ендотермічна реакція)
Сірковуглець являє собою летку (Ткіп = 46 ° С) безбарвну рідину з характерним запахом; є прекрасним розчинником жирів, олій, смол тощо.
в) З галогенів вуглець найлегше взаємодіє
з фтором:
С + 2F2 = CF4 тетрафторвуглець
г) З азотом вуглець безпосередньо не взаємодіє.
Вуглець виступає в ролі відновника по відношенню до складних речовин:
а) при пропущенні водяної пари через розпечену
вугілля утворюється суміш вуглецю (II) з воднем (водяний газ) 
б) за високої температури вуглець відновлює
метали з їх оксидів:
Реакції показують, що вуглець за своєю відновлювальною здатністю близький до металів.
2. Вуглець як окислювач
Окисні властивості вуглець виявляє по відношенню до металів і водню.
а) Існує дуже багато вуглеводнів СхНу, тобто. сполук вуглецю з воднем. Однак безпосередня взаємодія простих речовин С і Н2 Протікає насилу при високих температурах і тиску, у присутності каталізатора (платини або нікелю). В результаті цієї оборотної реакціїутворюється найпростіший вуглець – метан.
б) Дещо легше вуглець взаємодіє з металами, утворюючи карбіди металів:
1
Са + 2С° = СаС2 карбід кальцію
Карбіди металів активно взаємодіють з водою та кислотами.
20.3. Загальна характеристика кремнію
Кремній є аналогом вуглецю. Електронна конфігурація атома кремнію:
Будова https://pandia.ru/text/80/150/images/image010_52.jpg" width="150 height=57" height="57">
Як і вуглець, кремній є неметаллом і про-, виявляє у своїх сполуках і позитивні, і негативні ступені окислення, найбільш характерними є наступні: -4 (силан SiH4, силіциди металів Mg2Si, Ca2Si та ін);
Про (проста речовина Si) +4 (оксид кремнію (IV), кремнієва кислота H2Si03 та її солі - силікати, галогеніди кремнію (IV) SiF, та ін) Найбільш стійка для кремнію ступінь окислення +4.
20.3.1. Знаходження у природі
Кремній - один із найпоширеніших у земній корі елементів (понад 25 % маси). Головна частиназемна кора складається з силікатних порід, що являють собою сполуки кремнію з киснем і рядом інших елементів. Природні силікати – це досить складні речовини. Їх склад зазвичай зображується як з'єднання кількох оксидів. Сполуки, до складу яких входить оксид алюмінію, називаються алюмосилікатами. Такі: біла глина А1203 2Si02 2Н20, польовий шпат К20 А1203 6Si02, слюда К20 А1203 6 Si02 Н20.
Багато природні силікатив чистому виглядіє дорогоцінним камінням, наприклад, аквамарин, смарагд, топаз та інші.
Значну частину природного кремнію представлено оксидом кремнію (IV) Si02. Вільного Si02 у земній корі біля 12 %, як гірських порід 43 %. У загальної складностібільше 50% земної кори складається з оксиду кремнію (IV)
Дуже чистий кристалічний Si02 відомий у вигляді мінералів гірського кришталю та кварцу. Кварц поширений у вигляді піску і твердого мінералу кремнію (гідратованого оксиду кремнію (IV), або кремнезему).
Оксид кремнію (IV), пофарбований різними домішками, утворює дорогоцінні та напівдорогоцінні камніагат, аметист, яшму. У вільному вигляді кремній у природі не зустрічається.
20.3.2. Отримання
У промисловості для одержання кремнію використовують чистий пісок Si02. В електричних печах за високої температури відбувається відновлення кремнію з його оксиду коксом (вугіллям):
Si02 + 2C = Si + 2CO
У лабораторії як відновники використовують магній або алюміній:
Si02 + 2Mg I Si + 2MgO
3Si02 + 4A1 = ° 3Si + 2A1203
Найбільш чистий кремнійодержують відновленням тетрахлориду кремнію воднем або цинком:
Кристалічний кремній отримують перекристалізацією аморфного кремнію. Аморфний кремній є більш реакційноздатним, ніж хімічно досить інертний кристалічний кремній. Кристалічний кремній - напівпровідник, освітлення та нагрівання.
20.3.4. Хімічні властивості
За хімічними властивостями кремній багато в чому схожий із вуглецем, що пояснюється однаковою структурою зовнішнього електронного шару. При звичайних умовахкремній досить інертний, що обумовлено міцністю його кристалічних ґрат. Безпосередньо при кімнатній температурівін взаємодіє лише з фтором. При температурі 400-600 ° С кремній реагує з хлором та бромом, а в кисні подрібнений кремній згоряє. З азотом та вуглецем кремній реагує при дуже високих температурах. У всіх вказаних реакціях кремній грає роль відновника.
https://pandia.ru/text/80/150/images/image013_31.jpg" width="355 height=108" height="108">
У техніці карборунд отримують в електричних печах із суміші піску та коксу:
Карборунд має алмазоподібні кристалічні грати, в яких кожен атом кремнію оточений чотирма атомами вуглецю і навпаки. Ковалентні зв'язки між атомами дуже міцні. Тому за твердістю карборунд близький до алмазу. У техніці карборунд застосовують для виготовлення точильних каменів та шліфувальних кругів.
Кремній як відновник взаємодіє і з деякими складними речовинами, наприклад, з фтороводнем:
З іншими галогеноводородами він у реакцію не вступає.
На холоду кремній реагує із сумішшю азотної та плавикової (HF) кислот:
https://pandia.ru/text/80/150/images/image016_27.jpg" width="230" height="38 src=">
Силан - отруйний газ з неприємним запахом, що легко самозаймається на повітрі:
SiH4 + 202 = Si02 + 2Н20
20.3.4. Оксид кремнію (IV). Кремнієва кислота таїї солі
Оксид кремнію (IV) Si02 (діоксид кремнію, кремнезем, ангідрид кремнієвої кислоти) - тверда тугоплавка речовина (температура плавлення 1713 °С), нерозчинна у воді; з усіх кислот тільки фтороврдородная кислота поступово розкладає його:
Si02 + 4HF = SiF4T + 2Н20
Як кислотний океїд Si02 при нагріванні або сплавленні реагує з основними оксидами, лугами та деякими солями (наприклад, карбонатами) з утворенням кремнієвої кислоти - силікатів.
Отримані штучним шляхом силікати натрію та калію - розчинне скло- Сильно гідролізовані. Їх концентрований розчинзваний рідким склом,має сильнолужну реакцію. Рідке склозастосовується для виготовлення вогнетривких тканин, просочення дерев'яних виробів, як клею та т.д.
Кремнієва кислота H2Si03 відноситься до дуже слабким кислотам.У воді вона практично нерозчинна,але легко утворює колоїдні розчини. Її можна отримати з розчинів силікатів дією на них сильніших кислот: соляної, сірчаної, оцтової та навіть вугільної. H2Si03 випадає з розчину у вигляді драглистого осаду:
https://pandia.ru/text/80/150/images/image018_25.jpg" width="170" height="28 src=">
20.3.5. Медико-біологічне значення вуглецю та кремнію
Вуглець.Є основою всім органічних сполук, це органоген номер один. Входить до складу клітин та тканин, всіх біологічно активних сполук. В організмі гідрокарбонати натрію та калію звугільною кислотою утворюють буферну систему, що бере участь у підтримці КІС(кислотно-основний стан організму). Гідрокарбонат натрію (питна сода) застосовується як антацидний засіб. Активоване вугілля як сорбуючий засіб застосовують при метеоризмі, харчових отруєннях, а також при отруєннях алкалоїдами та солями важких металів.
Кремнійвходить до складу клітин епітеліальної та сполучної тканин, печінки, надниркових залоз, кришталика ока. Порушення обміну кремнію пов'язують із виникненням гіпертонії, ревматизму, гепатиту та ін.