Углерод

Углерод

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

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 ионизации, сродство к электрону.

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

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

Природные соединения

В природе углерод встречается в виде следующих соединений:

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

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.


• 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


• 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 + H₂O

C + HNO₃ → CO₂ + NO + H₂O

C + H₂SO_4(конц.) → CO₂ + SO₂ + H₂O

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

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

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

Угольная кислота

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

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)


• 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