Углерод

Углерод

Углерод - неметаллический элемент IV группы периодической таблицы Д.И. Менделеева, является важнейшей частью всех органических веществ в природе.

Углерод
Общая характеристика элементов IVa группы

От C к Pb (сверху вниз в периодической таблице) происходит увеличение: атомного радиуса, металлических, основных, восстановительных свойств. Уменьшается электроотрицательность, энергия ионизация, сродство к электрону.

Из элементов IVа группы углерод и кремний относятся к неметаллам, германий, олово и свинец - металлы.

Элементы IVa группы

Электронные конфигурации у данных элементов схожи, так как они находятся в одной группе (главной подгруппе!), общая формула ns2np2:

  • C - 2s22p2
  • Si - 3s23p2
  • Ge - 4s24p2
  • Sn - 5s25p2
  • Pb - 6s26p2

Степени оксиления углерода
Природные соединения

В природе углерод встречается в виде следующих соединений:

  • Аллотропных модификаций - графит, алмаз, фуллерен
  • MgCO3 - магнезит
  • CaCO3 - кальцит (мел, мрамор)
  • CaCO3*MgCO3 - доломит

Алмаз, графит, магнезит и доломит
Получение

Углерод получают в ходе пиролиза углеводородов (пиролиз - нагревание без доступа кислорода). Также применяется получение углеродистых соединений: древесины и каменного угля.

C2H6 → (t) C + H2 (пиролиз этана)

Разложение углеродистых соединений
Химические свойства
  • Реакции с неметаллами
  • При нагревании углерод реагирует со многими неметаллами: водородом, кислородом, фтором.

    C + H2 → (t) CH4 (метан)

    2С + O2 → (t) 2CO (угарный газ - продукт неполного окисления углерода, образуется при недостатке кислорода)

    С + O2 → (t) CO2 (углекислый газ - продукт полного окисления углерода, образуется при достаточном количестве кислорода)

    С + F2 → (t) CF4

  • Реакции с металлами
  • При нагревании углерод реагирует с металлами, проявляя свои окислительные свойства. Напомню, что металлы могут принимать только положительные степени окисления.

    Ca + C → CaC2 (карбид кальция, СО углерода = -1)

    Al + C → Al4C3 (карбид алюминий, СО углерода -4)

    Очевидно, что степень окисления углерода в соединении с различными металлами может отличаться.

    Карбид алюминия
  • Восстановительные свойства
  • Углерод - хороший восстановитель. С помощью него металлургическая промышленность справляется с задачей получения чистых металлов из их оксидов:

    Fe2O3 + C → Fe + CO2

    ZnO + C → Zn + CO

    FeO + C → Fe + CO

    Углерод восстанавливает не только металлы из их оксидов, но и неметаллы подобным образом:

    SiO2 + C → (t) Si + CO

    Может восстановить и собственный оксид:

    CO2 + C → CO

    Угарный газ
  • Реакция с водой
  • Известная реакция взаимодействия угля с водяным паром, называемая также газификацией угля, торфа, сланца - крайне важна в промышленности:

    C + H2O → CO↑ + H2

  • Реакции с кислотами
  • В реакциях с кислотами углерод проявляет себя как восстановитель:

    C + HNO 3(конц.) → (t) CO2 + NO2 + H2

    C + HNO3 → CO2 + NO + H2O

    C + H2SO4(конц.) → CO2 + SO2 + H2O

    Оксид азота IV
Оксид углерода II - СO

Оксид углерода II - продукт неполного окисления углерода. Несолеобразующий оксид. Это чрезвычайно опасное вещество часто образуется при пожарах в замкнутых помещениях, при прогревании машины в гараже.

Растворяясь в крови угарный газ (имеющий в 300 раз большее сродство к гемоглобину, чем кислород) легко выигрывает конкуренцию у кислорода и занимает его место в эритроцитах. Отравление угарным газом нередко заканчивается летальным исходом.

Получение

В промышленности угарный газ получают восстановлением оксида углерода IV или газификацией угля (t = 1000 °С).

CO2 + C → (t) CO

C + H2O → (t) CO + H2

В лаборатории угарный газ получают при разложении муравьиной кислоты в присутствии серной:

HCOOH → (H2SO4) CO + H2O

Химические свойства

Полностью окисляется до углекислого газа в реакции с кислородом, восстанавливает оксиды металлов.

CO + O2 → CO2

Fe2O3 + CO → Fe + CO2

FeO + CO → Fe + CO2

Образование карбонилов - чрезвычайно токсичных веществ.

Fe + CO → (t) Fe(CO)5

Карбонил железа
Оксид углерода IV - CO2

Продукт полного окисления углерода. Относится к кислотным оксидам, соответствует угольной кислоте H2CO3. Бесцветный газ, без запаха.

Получение

В промышленности углекислый газ получают при разложении известняка, в ходе производства алкоголя, при спиртовом брожении глюкозы.

CaCO3 → (t) CaO + CO2

C6H12O6 → C2H5OH + CO2

В лабораторных условиях используют реакцию мела (мрамора) с соляной кислотой.

CaCO3 + HCl → CaCl2 + H2O + CO2

Углекислый газ образуется при горении органических веществ:

C3H8 + O2 → CO2 + H2O

Горение природного газа

Химические свойства

  • Реакция с водой
  • В результате реакции с водой образуется нестойкая угольная кислота, которая сразу же распадается на воду и углекислый газ.

    CO2 + H2O ⇄ H2CO3

  • Реакции с основными оксидами и основаниями
  • В ходе реакций с основаниями и основными оксидами углекислый газ образует соли угольной кислоты: средние - карбонаты (при избытке основания), кислые - гидрокарбонаты (при избытке кислотного оксида).

    2KOH + CO2 → K2CO3 + H2O (соотношение основание - кислотный оксид 2:1)

    KOH + CO2 → KHCO3 (соотношение основание - кислотный оксид 1:1)

    Na2O + CO2 → Na2CO3

  • Окислительные свойства
  • При нагревании способен окислять металлы до их оксидов.

    Zn + CO2 → (t) ZnO + CO

Оксид цинка II
Угольная кислота

Слабая двухосновная кислота, существующая только в растворах, разлагается на воду и углекислый газ.

Угольная кислота

Химические свойства

  • Качественная реакция
  • Определить наличие карбонат-иона можно с помощью кислоты: такая реакция сопровождается "закипанием" - появлением пузырьков бесцветного газа без запаха.

    MgCO3 + HCl → MgCl2 + CO2↑ + H2O

    Я не раз встречал описание реакций, связанных с этой кислотой, которое заслуживает нашего внимания. В задании было сказано, что при добавлении к раствору гидроксида кальция углекислого газа осадок появлялся, при дальнейшем пропускании углекислого газа - помутнение исчезало.

    Это можно легко объяснить, вспомнив про способность угольной кислоты образовывать кислые соли, которые растворимы.

    Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 (осадок выпадает)

    CaCO3 + H2O + CO2 → Ca(HCO3)2 (осадок растворяется)

    Осадок выпал и растворился
  • Средние и кислые соли
  • Чтобы сделать из средней соли (карбоната) - кислую соль (гидрокарбонат) нужно добавить угольную кислоту. Однако написать ее формулу H2CO3 - ошибка. Ее следует записать в виде воды и углекислого газа.

    Li2CO3 + CO2 + H2O → LiHCO3 (средняя соль + кислота = кислая соль)

    Чтобы вернуть среднюю соль, следует добавить к кислой соли щелочь.

    LiHCO3 + LiOH → Li2CO3 + H2O

  • Нагревание солей угольной кислоты
  • При нагревании карбонаты распадаются на соответствующий оксид металла и углекислый газ, гидрокарбонаты - на карбонат металла, углекислый газ и воду.

    MgCO3 → (t) MgO + CO2

    KHCO3 → (t) K2CO3 + CO2↑ + H2O

Блиц-опрос по теме Углерод

1. Количество электронов на внешнем уровне для элементов IVa группы

На внешнем уровне элементов IVa группы содержится 4 электрона.

2. Количество валентных электронов на внешнем уровне для элементов IVa группы (в основном состоянии)

Валентных электронов у элементов IVa группы - два.

3. Выберите формулу магнезита

Формула магнезита - MgCO3.

4. Углерод в промышленности преимущественно используют как

Углерод в промышленности часто используют как восстановитель.

5. При неполном сгорании углерода образуется

При неполном сгорании углерода образуется угарный газ - CO.

Ваш результат