Углерод химические свойства. Нахождение в природе. Взаимодействие кремния со сложными веществами

Химический элемент

Углерод - химический элемент № \(6\). Он расположен в IVА группе Периодической системы.

C 6 + 6) 2 e) 4e

На внешнем слое атома углерода содержатся четыре валентных электрона, и до его завершения не хватает четырёх электронов. Поэтому в соединениях с металлами углероду характерна степень окисления \(–4\), а при взаимодействии с более электроотрицательными неметаллами он проявляет положительные степени окисления: \(+2\) или \(+4\).

В природе углерод встречается как в виде простых веществ, так и в виде соединений. В воздухе содержится углекислый газ . В земной коре распространены карбонаты (например, Ca CO 3 образует мел, мрамор, известняк). Горючие ископаемые (уголь, торф, нефть, природный газ) состоят из органических соединений , главным элементом которых является углерод.

Углерод относится к жизненно важным элементам, так как входит в состав молекул всех органических веществ.

Простые вещества

Углерод образует несколько аллотропных видоизменений, из которых наиболее известны алмаз и графит .

Алмаз имеет атомную кристаллическую решётку. Каждый атом углерода в алмазе связан четырьмя прочными ковалентными связями с соседними атомами, расположенными в вершинах тетраэдра.

Благодаря такому строению алмаз - самое твёрдое из известных природных веществ. Все четыре валентных электрона каждого атома углерода участвуют в образовании связей, поэтому алмаз не проводит электрический ток. Это бесцветное прозрачное кристаллическое вещество, хорошо преломляющее свет.

Графит тоже имеет атомную кристаллическую решётку, но устроена она иначе. Решётка графита слоистая. Каждый атом углерода соединён прочными ковалентными связями с тремя соседними атомами. Образуются плоские слои из шестиугольников, которые между собой связаны слабо. Один валентный электрон у атома углерода остаётся свободным.

Графит представляет собой тёмно-серое вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь. В отличие от алмаза графит непрозрачный, проводит электрический ток и оставляет серый след на бумаге. У графита очень высокая температура плавления (\(3700\) °С).

Алмаз и графит взаимопревращаемы. При сильном нагревании без доступа воздуха алмаз чернеет и превращается в графит. Графит можно превратить в алмаз при высокой температуре и большом давлении.

Из мельчайших частиц графита состоят сажа , древесный уголь и кокс . Сажа образуется при неполном сгорании топлива. Древесный уголь получают при нагревании древесины без доступа воздуха, а кокс - переработкой каменного угля.

Древесный уголь имеет пористое строение и обладает способностью поглощать газы и растворённые вещества. Такое свойство называется адсорбцией .

Химические свойства

Аллотропные модификации углерода в химических реакциях могут проявлять и окислительные , и восстановительные свойства. Окислительные свойства углерода выражены слабее, чем у других неметаллов второго периода (азота, кислорода и фтора).

• Взаимодействие с металлами.

Углерод реагирует с металлами при высокой температуре с образованием карбидов :

4 Al 0 + 3 C 0 = t Al + 3 4 C − 4 3 .

В этой реакции углерод выступает как окислитель .

• Взаимодействие с водородом.

Углерод в своих соединениях проявляет валентность II и IV. Двухвалентный углерод находится в своей основной электронной конфигурации, а IV-валентный находится в возбужденной конфигурации. При переходе в возбужденное состояние электрон с 2s-орбитали занимает вакантное место на 2р-орбитали. При образовании химической связи происходит гибридизация электронных облаков. Углерод может проявлять степени окисления от -4 до +4. К неорганическим соединениям углерода относятся его оксиды, угольная кислота, её соли - карбонаты и гидрокарбонаты и карбиды.

В неорганических соединениях углерод проявляет степень окисления +4, +2, и несколько отрицательных степеней окисления в карбидах. Одной из особенностей атомов углерода является его способность образовывать цепочки неограниченной длины. Из-за этого и существует огромное число органических соединений.

Аллотропия углерода

Для углерода простого вещества характерная аллотропия . Вопрос об аллотропии углерода очень спорный, потому что открываются все новые и новые аллотропные модификации углерода. Уголь и сажа аллотропной модификацией углерода сейчас уже не считаются, так как они не имеют четкой молекулярной структуры. Подробно рассмотрим графит и алмаз. Рис. 2-5. Эти вещества отличаются друг от друга не только по внешнему виду, но и по своим свойствам. Причиной отличия алмаза от графита является различие в кристаллических решетках этих веществ.

В кристалле алмаза каждый атом углерода находится в sp3-гибридизации и образует 4 равноценные «сигма» σ -связи с атомами углерода. Эти связи направлены к вершинам тетраэдра. Симметричность и прочность С-С связи в кристалле алмаза обуславливает его исключительную прочность и отсутствие электронной проводимости.

В кристалле графита каждый атом углерода находится в sp2-гибридизации и образует 3 равноценные σ-связи с соседними атомами углерода в одной плоскости под углом 1200. В этой плоскости образуется слой, состоящий из шестичленных колец. Кроме того каждый атом углерода имеет один неспаренный электрон, находящийся на не гибридизованной р-орбитали, перпендикулярной плоскости слоя. Эти электроны образуют общую систему π-связей. Связь между слоями осуществляется за счет относительно слабых межмолекулярных сил. И эти связи между слоями гораздо менее прочны, чем связи между атомами внутри слоя. Это обуславливает способность графита легко расслаиваться, его мягкость, металлический блеск, электропроводность и большую по сравнению с алмазом химическую активность.

Можно осуществлять переходы между различными аллотропными модификациями углерода. Графит при температуре около 20000С и огромном давлении до 50 тыс. атм. под действием никелевого катализатора может частично переходить в алмаз. Такие алмазы пригодны только для технических целей, так как они очень мелкие и содержат большое количество примесей и дефектов.

Реакционно-способными модификациями углерода являются уголь и сажа. Для углерода характерна окислительно-восстановительная двойственность.

Углерод - восстановитель

С + О2СО2 (6000С - 7000С)

2С + О2 СО (более 10000С)

C(кокс) + СuO Cu + CO

2C(кокс) + SnO2 Sn + 2CO

C + H2O ⇄ CO + H2

При нагревании углерод реагирует с концентрированными серной и азотной кислотами.

С + 2H2SO4 CO2 + 2SO2 + 2H2O

С + 4HNO3 CO2 + 4NO2 + 2H2O

Углерод - окислитель

С + Н2 CH4 (10МПа)

С + Si SiC (10000С - 12000С) (карбид кремния или карборунд)

Образование карбидов

При высокой температуре уголь взаимодействует с металлами, образуя карбиды.

2С + Сa CaC2 (ацетиленид)

3С + 4Al Al4C3 (метанид)

CaC2 + 2Н2О = Сa(OH)2 + C2H2

Al4C3 + 12Н2О = 4Al(OH)3 + 3CH4

Оксид углерода (II )

Это вещество молекулярного строения. Связь ковалентная полярная - тройная. Две общие электронные пары образованы по обменному механизму, а третья - по донорно-акцепторному. Молекулы СО содержат активную неподеленную электронную пару. Рис. 6. Она может выступать как донор этой электронной пары. Поэтому оксид углерода (II) может активно взаимодействовать с металлами.

Fe + 5CO Fe(CO)5 карбонил железа.

Карбонилы металлов - это комплексные неорганические соединения. Например, при нагревании карбонилы легко разлагаются, и таким образом можно получать высокочистые металлы. Они интересны и своими химическими свойствами.

При обычных условиях оксид углерода (II ) - это газ, без цвета и запаха, плохо растворим в воде. Угарный газ очень ядовит. Размер молекулы СО близок размером к молекуле кислорода, поэтому он может взаимодействовать с гемоглобином, давая карбоксигемоглобин. И такой комплекс уже не может переносить кислород, и значит, нарушается транспорт кислорода в крови.

Оксид углерода (II) - это несолеобразующий оксид . При обычных условиях он не взаимодействует ни с кислотами , ни с основаниями . Но при нагревании и под давлением может реагировать со щелочью .

СО + КОН ⇆ НСООК (формиат калия)

Угарный газ обладает ярко выраженными восстановительными свойствами. Восстановительные свойства выражены даже сильнее, чем у водорода. При нагревании он способен восстанавливать металлы из их оксидов. На этом основана выплавка чугуна из железных руд в домнах.

Fe2O3 + 3CO Fe + 3CO2

CO + O2 = CO2 (7000C)

Получение в лаборатории

Углекислый газ и угольная кислота

Углекислый газ СО2 - это вещество молекулярного строения. При обычных условиях - это газ без цвета и запаха, значительно тяжелее воздуха, плохо растворим в воде. При t=-780С твердый углекислый газ сублимируется. На этом основано его использование в качестве удобного хладагента. Его называют «сухой лёд».

Химические свойства оксида углерода ( IV )

Углекислый газ СО2 - это кислотный оксид . Но только небольшая его часть, менее 1%, взаимодействует с водой с образованием угольной кислоты.

СО2 + Н2О → Н2СО3

Оксид углерода (IV) взаимодействует со щелочами с образованием карбонатов или гидрокарбонатов.

CO2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2O

CO2+ NaOH = NaHCO3

Взаимодействует с основными оксидами с образованием солей.

MgO + CO2 = MgCO3

Для СО2 нехарактерны окислительные свойства. Один из немногих случаев, когда он проявляет окислительные свойства, - когда горящий магний продолжает гореть в углекислом газе

СО2 + 2Mg 2MgO + C

Качественная реакция на углекислый газ - это помутнение известковой воды, вследствие образования нерастворимых карбонатов.

Сa(OH)2 + CO2 = CaCO3↓+ H2O, но при пропускании избытка углекислого газа, карбонат переходит в растворимый гидрокарбонат, и осадок исчезает.

CaCO3↓+ СО2+ Н2О = Сa(HCO3)2

Получение СО2в лаборатории

На мел или мрамор действуют сильными кислотами.

CaCO3↓+2HCl = СО2+ Н2О+ CaCl2

Соли угольной кислоты - карбонаты и гидрокарбонаты

Соли угольной кислоты - карбонаты и гидрокарбонаты - вещества ионного строения, белого цвета, если ион металла не окрашен. Растворимые карбонаты подвергаются в водных растворах гидролизу по аниону с образованием щелочной среды.

Na2CO3 + H2O = NaHCO3 + NaOH

В быту при приготовлении теста часто проводится реакция гашения соды:

NaHCO3 + CH3COOH = CH3COONa + CO2 + H2O

Карбонаты разлагаются при нагревании

CaCO3↓ CaO + CO2

Различные карбонаты встречаются в природе и имеют тривиальные названия. См. рис. 7. Многие карбонаты имеют важное практическое значение.

Кальцинированную соду применяют при производстве стекла, мыла, моющих средств, красителей, для обработки руд при получении некоторых металлов.

Питьевая сода широко используется в пищевой промышленности, медицине, быту. Питьевая сода входит в состав препаратов для огнетушителей.

Поташ применяют в производстве стекла, мыла, в фотографии.

Карбонат кальция является основным компонентом природных материалов: известняка, мела и мрамора. Эти вещества используются в строительстве. Известняк вносят в почву для снижения её кислотности и улучшения структуры.

Источники

http://www.youtube.com/watch?t=5&v=N4MlI_xeUis

http://www.youtube.com/watch?t=12&v=CRi0G8RM9lY

источник презентации - http://ppt4web.ru/khimija/uglerod.html

конспект http://interneturok.ru/ru/school/chemistry/11-klass

Слайд 2

Нахождение в природе.

Среди множества химических элементов, без которых невозможно существование жизни на Земле, углерод является главным. Более 99% углерода в атмосфере содержится в виде углекислого газа. Около 97% углерода в океанах существует в растворённой форме (), а в литосфере - в виде минералов. Элементарный углерод присутствует в атмосфере в малых количествах в виде графита и алмаза, а в почве - в форме древесного угля.

Слайд 3

Положение в ПСХЭ.Общая характеристика элементов подгруппы углерода.

Главную подгруппу IV группы периодической системы Д. И. Менделеева образуют пять элементов - углерод, кремний, германий, олово и свинец. В связи с тем, что от углерода к свинцу радиус атома увеличивается, размеры атомов возрастают, способность к присоединению электронов, а, следовательно, и неметаллические свойства будут ослабевать, легкость же отдачи электронов - возрастать.

Слайд 4

Электронноестроение

В нормальном состоянии элементы этой подгруппы проявляют валентность, равную 2.При переходе в возбуждённое состояние, сопровождающееся переходом одного из s – электронов внешнего слоя в свободную ячейку p – подуровня того же уровня, все электроны наружного слоя становятся не спаренными и валентность при этом возрастает до 4.

Слайд 5

Методы получения: лабораторные и промышленные.

Углерод Неполное сжигание метана: СН4 + О2 = С + 2Н2О Оксид углерода (II) В промышленности: Оксид углерода (II) получают в особых печах, называемых газогенераторами, в результате двух последовательно протекающих реакций. В нижней части газогенератора, где кислорода достаточно, происходит полное сгорание угля и образуется оксид углерода (IV): C + O2 = CO2 + 402 кДж.

Слайд 6

По мере продвижения оксида углерода (IV) снизу вверх последний соприкасается с раскалённым углём: CO2 + C = CO – 175 кДж. Получающийся газ состоит из свободного азота и оксида углерода (II). Такая смесь называется генераторным газом. В газогенераторах иногда через раскалённый уголь продувают водяной пар: C + H2O = CO + H2 – Q, «CO + H2» - водянойгаз. В лаборатории: Действуя на муравьиную кислоту концентрированной серной кислотой, которая связывает воду: HCOOH  H2O + CO.

Слайд 7

Оксид углерода (IV) В промышленности: Побочный продукт при производстве извести: CaCO3 CaO + CO2. В лаборатории: При взаимодействии кислот с мелом или мрамором: CaCO3 + 2HCl  CaCl2 + CO2+ H2O. Карбиды Карбиды получают при помощи прокаливания металлов или их оксидов с углём.

Слайд 8

Угольная кислота Получают растворением оксида углерода (IV) в воде. Так как угольная кислота очень не прочное соединение, то эта реакция обратима:CO2 + H2O H2CO3. Кремний В промышленности: При нагревании смеси песка и угля: 2C + SiO2Si + 2CO. В лаборатории: При взаимодействии смеси чистого песка с порошком магния: 2Mg + SiO2  2MgO + Si.

Слайд 9

Кремниевая кислота Получают при действии кислот на растворы её солей. При этом она выпадает в виде студенистого осадка: Na2SiO3 + HCl  2NaCl + H2SiO3 2H+ + SiO32- H2SiO3

Слайд 10

Аллотропные видоизменения углерода.

Углерод существует в трех аллотропных модификациях: алмаз, графит и карбин.

Слайд 11

Графит.

Мягкий графит имеет слоистое строение. Непрозрачен, серого цвета с металлическим блеском. Довольно хорошо проводит электрический ток, благодаря наличию подвижных электронов. Скользок на ощупь. Одно из самых мягких среди твердых веществ. Рис.2 Модель решетки графита.

Слайд 12

Алмаз.

Алмаз - самое твердое природное вещество. Кристаллы алмазов высоко ценятся и как технический материал, и как драгоценное украшение. Хорошо отшлифованный алмаз - бриллиант. Преломляя лучи света, он сверкает чистыми, яркими цветами радуги. Самый крупный из когда-либо найденных алмазов весит 602 г, имеет длину 11 см, ширину 5 см, высоту 6 см. Этот алмаз был найден в 1905 г и носит имя «Кэллиан». Рис.1 Модель решетки алмаза.

Слайд 13

Карбин и Зеркальный углерод.

Карбин представляет собой порошок глубокого черного цвета с вкраплением более крупных частиц. Карбин - самая термодинамически устойчивая форма элементарного углерода. Зеркальный углерод имеет слоистое строение. Одна из важнейших особенностей зеркального углерода (кроме твердости, стойкости к высоким температурам и т. д.) - его биологическая совместимость с живыми тканями.

Слайд 14

Химические свойства.

Щелочи переводят кремний в соли кремниевой кислоты с выделением водорода:Si + 2КОН + H2O= К2Si03 + 2Н2 С водой углерод и кремний реагируют лишь при высоких температурах: С + Н2О ¬ СО + Н2 Si + ЗН2О = Н2SiO3 + 2Н2 Углерод в отличие от кремния непосредственно взаимодействует с водородом:С + 2Н2 = СН4

Слайд 15

Карбиды.

Соединения углерода с металлами и другими элементами, которые по отношению к углероду являются электроположительными, называются карбидами. При взаимодействии карбида алюминия с водой образуется метан Al4C3 + 12H2O = 4Al (OH)3 + 3CH4 При взаимодействии с водой карбида кальция – ацетилен: CaC2 + 2H2O = Ca (OH)2 + C2H2

Рb. Все они относятся к р -элементам, так как у них достраивается р -электронная оболочка внешнего слоя (табл. 15).

С увеличением заряда ядра радиус атома возрастает и заметно уменьшается электроотрицательность. В связи с этим от углерода к свинцу заметно усиливаются металлические свойства. Так, обладает хорошо выраженными металлическими свойствами, в время как причисляют к неметаллам.
Четырехэлектронный внешний слой и малые атомные радиусы углерода и кремния способствуют образованию ковалентных связей, которые типичны для этих элементов. Особенностью как углерода, так и кремния является способность образовывать длинные цепочки из одноименных атомов, что приводит к большому многообразию орга-нических и кремнийорганических веществ. Углерод и могут образовывать как две, так и четыре валентные связи. Максимальная степень окисления элементов главной подгруппы IV группы равна +4. Это говорит о том, что для их атомов условно возможна отдача 4 электронов, Принять на внешний слой они также способны не более электронов. В окислительно-восстановительных реакциях они ведут себя как восстановители.

Высшие этих элементов проявляют кислотные свойства. Им соответствуют кислоты, представляющие собой очень слабые электролиты. Это говорит о том, что среди главных подгрупп IV-VII группы подгруппа углерода объединяет элементы с наименее выраженными неметаллическими свойствами. Прочность летучих гидридов заметно уменьшается от углерода СН4 к свинцу РbН4. Нельзя не отметить характер свойств окислов, в которых элементы проявляют степень окисления +2. Если углерод образует при этом несолеобразующий окисел СО, окись свинца РbО обладает хорошо выраженными амфотерными свойствами.

■ 1. Среди элементов группы углерода укажите:
а) элемент с наименьшим атомным радиусом;
б) элемент с наиболее выраженными металлическими свойствами;
в) формулы высших окислов элементов группы углерода;
г) формулы высших кислородных кислот, соответствующих названным окислам;
д) формулы низших окислов;
е) изменение устойчивости летучих водородных соединений (написать ряд формул и стрелкой указать направление уменьшения устойчивости).

Углерод

Атомный вес углерода 12,011. Внешний электронный слой атома углерода имеет 4 электрона, его электронная конфигурация 2s 2 2p 2 , распределение электронов по орбиталям.

Среди элементов подгруппы углерод обладает наибольшим значением электроотрицательности.
Углерод имеет три аллотропных видоизменения - , и аморфный углерод. и встречаются в природе, а аморфный углерод может быть получен лишь искусственным путем.
- твердое кристаллическое вещество, тугоплавкое и химически мало активное. Чистый алмаз - бесцветные прозрачные кристаллы. Среди минералов алмаз обладает наивысшей твердостью, равной 10, плотность его 3,514. Такая высокая твердость объясняется строением его кристаллической решетки атомного типа, в которой атомы углерода находятся на одинаковом расстоянии друг от друга (см. рис. 11).
Благодаря твердости алмаз широко применяется для резки стекла, бурения твердых пород, в машинах для волочения проволоки, шлифовальных дисках и т. д. Для этих целей используют алмазы, загрязненные разными примесями.
Чистые бесцветные кристаллы подвергают огранке и шлифовке алмазным порошком и превращают в бриллианты. Чем больше граней, тем лучше «играет» бриллиант. Бриллианты бывают чаще всего небольшими, их вес измеряется каратами (1 карат равен 0,2 г). Но встречаются и крупные бриллианты.
- мелкокристаллический минерал, в кристаллической решетке которого расстояние между атомами одинаково лишь в двух направлениях, а в третьем намного больше. Это делает кристаллы графита непрочными, а сам минерал мягким. Твердость графита равна 1, плотность 2,22, температура плавления около 3000°. Графит обладает хорошей электропроводностью, поэтому применяется для изготовления электродов, обкладок для электролитических ванн. Порошок графита, смешанный с минеральным маслом, является хорошей смазкой. Поскольку графит мягче бумаги и может оставлять на ней след, его применяют для изготовления карандашных грифелей, туши, типографской краски, копировальной бумаги. Высокая термостойкость графита позволяет изготавливать из него огнеупорные тигли. Графит удается получать искусственным путем - нагреванием кокса до 2500- 3000°.

■ 2. Какого типа кристаллические решетки имеют алмаз и графит?

3. Объясните с точки зрения электронной конфигурации электронных слоев, почему углерод может образовывать как две, так и четыре валентные связи.

Существует мнение, что получаемый искусственно аморфный углерод (сажа, древесный уголь) не является самостоятельным аллотропным видоизменением, так как его микрокристаллическая структура такая же, как у графита.
Аморфный углерод в виде древесного угля получается при сухой перегонке древесины в виде очень легкой хрупкой пористой массы. Структура аморфного углерода очень сходна со структурой графита, но кристаллы в нем расположены беспорядочно.
Огромная поверхность древесного угля обусловливает характерное для него явление адсорбции. Молекулы углерода, находящиеся на поверхности кусочка угля, притягивают к себе молекулы веществ из окружающей его среды, преодолевая энергию теплового движения молекул. Ясно, что чем больше поверхность, тем сильнее идет , поэтому измельченный адсорбент лучше|адсорбирует. Если тщательно измельчить древесный уголь, а затем поместить его под колпак, где находятся пары брома, можно заметить, как постепенно окраска брома слабеет и, в конце концов, исчезает.

Если порошок угля взболтать в пробирке с раствором марганцовокислого калия, фуксина или с настойкой чая, то вскоре эти растворы обесцвечиваются. Если прокипятить адсорбент вместе с адсорбированным на его поверхности веществом в чистой воде, то окраска раствора появляется вновь, так как тепловое движение молекул усиливается и они срываются с поверхности адсорбента -про исходит десорбция.
Следует отметить также, что явление катализа, которое было рассмотрено выше, тесно связано с явлением адсорбции.

■ 4. Какое явление называется адсорбцией?
5. Где еще имеет месте явление адсорбции, помимо процессов, связанных с древесным углем?
6. Дайте объяснение явлению десорбции и укажите причины, способствующие этому явлению.

При обработке перегретым водяным паром из пор угля удаляются имеющиеся там иногда посторонние примеси, увеличивается пористость угля. Такой уголь называется активированным.

Активированный уголь очень широко применяется, в частности, в противогазе, впервые предложенном акад. Н. Д. Зелинским для защиты дыхательных путей от ядовитых газов, находящихся в воздухе. Впервые такой противогаз был применен во время первой мировой войны (рис. 64). Противогаз состоит из резиновой маски или шлема, плотно облегающего лицо и голову, гофрированной резиновой трубки, соединяющей маску с коробкой, содержащей очищающие воздух .

Система клапанов пропускает вдыхаемый воздух в маску только через коробку, а выдыхаемый - прямо в окружающее пространство. Противогазная коробка содержит расположенные слоями противодымный фильтр, задерживающий твердые и капельные частицы, химический поглотитель, химически связывающий поступающие в коробку отравляющие , и активированный уголь.
Активированный уголь иногда дается в виде суспензии в воде внутрь в случае попадания в желудок ядовитых веществ. Древесный уголь применяется также для изготовления черного пороха.
Аморфный углерод в виде кокса применяется в металлургии. Получают кокс в коксохимических печах из каменного угля. Это твердое пористое вещество, представляющее собой почти чистый углерод. Кокс является прекрасным топливом и хорошим восстановителем.

Рис. 64. Устройство противогаза Н. Д. Зелинского. 1-шлем; 2 - гофрированная трубка; 3 - выдыхательный клапан; 4 - фильтрующая коробка; 5 - активированный уголь; 6 -химический поглотитель; 7 - противодымный фильтр.

Сажа получается при сжигании газообразных веществ с высоким процентом содержания углерода. В виде сажи аморфный углерод широко применяется в резиновой промышленности и в полиграфии для изготовления типографской краски. Сажа наиболее высокого качества получается при сжигании газообразного топлива, например ацетилена.

■ 7. Составьте и заполните следующую таблицу:

Химические свойства углерода

Следует отметить, что главным свойством углерода является его восстанавливающая способность. Углерод - один из лучших восстановителей. Он легко восстанавливает из их окислов при нагревании:

и легко сгорает в кислороде, образуя окись или двуокись углерода
2С + O2 = 2СО —

С + О2 = СО2
Сплавляясь с металлами, углерод образует карбиды, имеющие очень своеобразное строение молекул. Например, особенно широко применяющийся в технике карбид кальция СаС2 имеет следующее строение:

С водородом углерод соединяется только при температуре около 1200°, образуя органическое соединение метан СН4:
С + 2Н2 = СН4

■ 8. Рассчитайте, какое количество меди можно восстановить из ее окиси СuО с помощью 24 кг углерода, если потери меди составляют 5%.

При пропускании перегретого водяного пара через раскаленный уголь последний восстанавливает из воды , в результате чего образуется водяной газ:
С + Н2О = СО + На
водяной газ
Несмотря на высокую восстановительную способность углерода, применение его как восстановителя не всегда удобно, так как он является твердым веществом. Гораздо удобнее использовать газообразные восстановители. Тогда контакт между восстановителем и восстанавливаемым веществом становится более полным. В связи с этим углерод целесообразно переводить в окись углерода, сохраняющую его восстановительные свойства и являющуюся в то же время газообразным веществом.

■ 9. Какой объем водяного газа (условия нормальные) можно получить при пропускании водяного пара через 5 грамм-атомов углерода?
10. Нитрат меди прокалили до полного прекращения выделения бурого газа, после чего смешали с измельченным углем и снова прокалили. Что получилось в результате реакции? Дайте ответ, обосновав его уравнениями реакций.

Окислы углерода

Известны два окисла углерода, в которых он проявляет различные степени окисления: СО и СО2.
Окись углерода (II) СО, или, как ее называют, угарный газ, представляет собой бесцветный газ, не имеющий запаха. Температура кипения -191,5º. Она немного легче воздуха и крайне ядовита. Ядовитость окиси углерода объясняется тем, что в соединении с гемоглобином крови, с которой она вступает в контакт при попадании в легкие, она образует карбоксигемоглобин, который является прочным соединением, не обладающим способностью вступать в реакцию с кислородом. Таким образом, гемогло- бин крови выводится из строя, и при сильном отравлении человек может погибнуть от кислородного голодания. Окись углерода может проникнуть в помещение, отапливаемое печами, в том случае, если слишком рано закрывается дымоход и не успевшая сгореть окись углерода попадает в жилое помещение.

Химические свойства окиси углерода весьма разнообразны. Это горючий газ, который легко сгорает голубым пламенем в кислороде и на воздухе с образованием двуокиси углерода:
2СО + О2 = 2СО2
Углерод в этой реакции окисляется, переходя из С +2 в С +4 , т. е. проявляет восстановительные свойства. Следовательно, окись углерода можно применять как восстановитель. Действительно, окисью углерода можно восстанавливать из окислов:
FeO + СО = СО2 + Fe

Следует отметить также, что окись углерода принадлежит к числу несолеобразующих окислов.

■ 11. Элемент свинец Рb, относящийся также к главной подгруппе IV группы, может образовывать окисел, в котором проявляет степень окисления +2; углерод также может образовывать окисел, где проявляет такую же степень окисления. Сравните химические свойства этих двух окислов и иллюстрируйте их уравнениями реакций.

Горючесть окиси углерода, а также восстановительные свойства делают ее весьма ценным топливом и восстановителем во многих производственных процессах, особенно в металлургии, поэтому окись углерода специально получают в печах, которые называются газогенераторами (рис. 65).

Рис. 65. Схема газогенератора

Газогенератор представляет собой печь, в которую сверху засыпают кокс. Снизу кокс поджигают, а для поддержания горения кокса снизу же подают воздух. При соприкосновении кислорода воздуха с раскаленным углем последний сгорает с образованием двуокиси углерода:
С + O2 = СО2
Проходя через последующие соли угля, двуокись углерода восстанавливается до окиси углерода: СO2 + С = 2СO
В результате из газогенератора выходит генераторный газ следующего состава: СО + СO2 + N2 ( воздуха). Этот газ называется воздушным. Воздушный газ содержит лишь одно горючее вещество СО, а двуокись углерода СО2 и являются балластом. Для того чтобы в газе не было балласта, через генератор пропускают перегретый водяной пар, который, вступая в реакцию с углеродом, образует водяной газ:
С + Н2О ⇄ СО + Н2

Водяной газ балласта не имеет, так как окись углерода и горят и являются хорошими восстановителями, но при длительном пропускании водяного пара через уголь последний охлаждается и перестает работать. Для того чтобы этого не происходило, через газогенератор пропускают попеременно воздух и водяной пар, получая при этом смешанный газ.
Генераторные газы широко используются в технике.

Рис. 66. Схема подземной газификации угля.

■ 12. Какой объем водяного газа получится при пропускании водяного пара через 36 кг угля?
13. Напишите уравнения реакций, происходящих при восстановлении окисла железа (III) водяным газом.
14. Как можно разделить газы, входящие в состав воздушного генераторного газа?
15. Воздушный генераторный газ пропустили через раствор кальция. Как изменился состав газовой смеси? Подтвердите уравнениями реакций.
16. Чем отличается смешанный газ от воздушного? Укажите состав компонентов смешанного газа.

Д. И. Менделеевым в 1888 г. был предложен способ подземной газификации угля. Заключается он в следующем. В угольном пласте (рис. 66) с поверхности вниз пробуривают две скважины на расстоянии 25-30 м одна от другой. С помощью электронагревателей угольный пласт внизу поджигают. При пропускании воздуха в дутьевую скважину между ней и газоотводной скважиной прогорает канал, по которому газы идут в газоотводную скважину и по ней поднимаются на поверхность. В самой нижней части пласта, как в газогенераторе, происходит сгорание угля до двуокиси углерода. Несколько выше двуокись углерода восстанавливается до окиси углерода, а еще выше под действием тепла разогретого угольного пласта осуществляется сухая перегонка, продукты которой также выводятся через газоотводную скважину. Продукты сухой перегонки являются весьма ценными. В дальнейшем выходящий газ отделяют от них, после чего его можно использовать по назначению.

Генераторный газ используют в металлургии, в производстве стекла и керамики, в газовых турбинах и двигателях внутреннего сгорания, в быту.
Окись углерода и широко применяются в промышленности органического синтеза - при получении аммиака, хлористого водорода, искусственного топлива, моющих средств и т. д.

■ 17. Рассчитайте расход угля в газогенераторе, если в результате образовалось 112 л водяного газа.

Двуокись углерода СО2 является высшим углеродным окислом, ее 44 у. е. (она более чем в полтора раза тяжелее воздуха). Температура кипения (возгонки) -78,5°.
Двуокись углерода при сильном охлаждении превращается в твердую снегообразную массу - «сухой лед», который при нормальном давлении в жидкость не переходит, а возгоняется, что представляет большое удобство при хранении скоропортящихся продуктов: во-первых, отсутствует влага, а во-вторых, атмосфера двуокиси углерода задерживает рост бактерий и плесневых грибков. Двуокись углерода-типичный кислотный окисел, обладающий всеми характерными свойствами.

■ 18. Напишите уравнения химических реакций, характеризующих свойства двуокиси углерода как кислотного окисла.

Двуокись углерода довольно хорошо растворима в воде: в одном объеме воды растворяется один объем СО2. При этом происходит взаимодействие ее с водой с образованием весьма нестойкой угольной кислоты: Н2О + СО2 ⇄ Н2СО3
При повышении давления двуокиси углерода резко возрастает. На этом основано применение СО2 в изготовлении шипучих напитков.

■ 19. Зная закономерности смещения равновесия, укажите, в каком направлении можно сместить равновесие в реакции
СО2+ Н2О ⇄ Н2СО3
а) повышая давление; б) повышая температуру.

Двуокись углерода не поддерживает горения и дыхания и в ее атмосфере животные погибают не от отравления, а от отсутствия кислорода. Только , горящий при очень высокой температуре, может гореть в двуокиси углерода, разлагая ее и тем самым восстанавливая углерод:
2Mg + СО2 = 2MgO + С
В то же время двуокись углерода необходима зеленым растениям для процесса фотосинтеза. Обогащение атмосферы двуокисью углерода в теплицах, парниках усиливает образование органического растением.
В земной атмосфере содержится 0,04% двуокиси углерода. Небольшое содержание двуокиси углерода в воздухе стимулирует деятельность дыхательного центра.
Обычно двуокись углерода получают, воздействуя на соли угольной кислоты какой-нибудь более сильной кислотой:
СаСО3 + 2НСl = СаСl2 + Н2СO3
Этот процесс осуществляют в лаборатории в аппарате Киппа, заряжая его мрамором и соляной кислотой.

Рис. 67. Пенный огнетушитель. 1-резервуар с водным раствором соды; 2 -ампула с серной кислотой; 3 - ударник; 4 -железная сетка; 5 - выходное отверстие; б - рукоятка

Аналогичный способ получения двуокиси углерода применяется в так называемых пенных огнетушителях (рис. 67). Такой огнетушитель представляет собой стальной баллон, заполненный раствором соды Na2CO3. В этот раствор опущена стеклянная ампула с серной кислотой. Над ампулой укреплен ударник, которым в случае надобности можно разбить ампулу, и тогда начнет взаимодействовать с содой по уравнению:
Na2CO3 + H2SO4 = Na2SO4 + H2CO3

Выделяющаяся при этом в большом количестве двуокись углерода образует обильную пену, которая давлением газа выбрасывается через отверстие в боковой стенке и, покрывая горящий предмет, прекращает доступ к нему кислорода воздуха.

Для промышленных целей двуокись углерода получают при разложении известняка:
СаСO3 = СаО + СО2
Двуокись углерода образуется при горении угля, а также выделяется при брожении сахаров и в других процессах.

■ 20. Можно ли пенный огнетушитель наполнить вместо раствора соды раствором другого карбоната, а серную кислоту заменить другой кислотой. Приведите примеры.
21. Через йодную воду пропустили смесь газов, состоящую из двуокиси углерода, сероводорода и сернистого газа. Каков состав газовой смеси на выходе? Что содержится в растворе?
22. Какой объем двуокиси углерода получится при сжигании 112 л окиси углерода?
23. Какой объем окиси углерода образуется при окислении 4 молей углерода?

24. Сколько двуокиси углерода можно получить при разложении 250 г известняка, содержащего 20% примесей, если выход СО2 равен 80% от теоретического?
25. Сколько весит 1 м 3 смеси газов, состоящей на 70% из окиси углерода и 30% из двуокиси углерода?

Угольная кислота и ее соли

Двуокись углерода является ангидридом угольной кислоты. Н2СО3 сама по себе весьма непрочное вещество. Она существует только в водных растворах. При попытке выделить ее из этих растворов она легко распадается на воду и двуокись углерода:
H2CО3 ⇄ Н2О + СО2
H2CО3 ⇄ H + + HCO — 3 ⇄ 2H + + СО 2 3 —
является очень слабым электролитом; тем не менее, будучи двухосновной, она образует два ряда солей: средние - и кислые - бикарбонаты. Углекислые соли интересны тем, что при действии на них кислоты выделяется двуокись углерода:
К2СО3 + 2НСl = 2КСl + Н2СО3

■ 26. Приведенное уравнение напишите в ионной форме, а также приведите еще два уравнения реакций, иллюстрирующих действие кислот на .
27. Напишите уравнение реакции действия соляной кислоты на бикарбонат магния в молекулярной и ионной формах.

При обработке двуокисью углерода и водой превращаются в бикарбонаты. При нагревании происходит обратное превращение:
обычные условия
СаСО3 + СО2 + Н2О ⇄ Са(НСО3)2
нагревание
Переход нерастворимого карбоната в растворимый бикарбонат приводит к вымыванию карбоната из земной коры, в результате чего образуются пустоты - пещеры. Карбонаты большей частью в воде нерастворимы, за исключением карбонатов щелочных металлов и аммония. Бикарбонаты растворимы лучше.

Среди карбонатов особого внимания заслуживает СаСО3, встречающийся в трех видах: в виде мрамора, известняка и мела. Кроме того, в соединении с карбонатом магния он входит в состав горной породы доломита MgCО3 · CaCО3. Несмотря на одинаков вый химический состав, физические свойства этих пород совершенно разные.
Мрамор - твердое, кристаллическое вещество магматического происхождения. Он постепенно выкристаллизовался внутри остывающей магмы. Часто мрамор бывает окрашен примесями в различные цвета. Мрамор очень хорошо полируется и поэтому широко используется как отделочный материал для облицовки строительных сооружений и в скульптуре.

Известняк - осадочная порода органического происхождения. Нередко в известняке можно обнаружить остатки древних животных, главным образом моллюсков в известковых раковинах. Иногда они бывают довольно крупными, а иногда видны лишь под микроскопом. За миллионы лет известняк уплотнился и стал настолько твердым, что его применяют как строительный материал. Но в настоящее время он постепенно вытесняется более дешевыми, легкими и удобными искусственными материалами. Известняк используется главным образом для получения извести.

Мел - мяткая осадочная порода белого цвета. Применяется в строительстве для побелки. При изготовлении зубного порошка мел сначала растворяют в кислоте, а затем снова осаждают, так как в природном веществе попадаются мельчайшие твердые частицы кремнезема, которые могут поцарапать зубную эмаль.
Бикарбонат кальция Са(НСО3)2 в природе встречается в растворенном состоянии. Образуется при действии воды в сочетании с двуокисью углерода на известняк. Присутствие этой соли придает воде временную (карбонатную) жесткость.
Исключительный интерес представляет сода Na2CО3, встречающаяся иногда в природе в так называемых содовых озерах. Но в настоящее время добывание соды из природных источников вытесняется более дешевым искусственным получением этого продукта. Если сода содержит кристаллизационную воду, то она называется кристаллической содой Na2CО3 · 10Н2О, если же не содержит ее, то кальцинированной содой. Сода очень широко применяется в мыловаренной, текстильной, бумажной и стекольной отраслях промышленности.

Двууглекислая сода, или бикарбонат натрия, или питьевая сода, NaHCО3 применяется при выпечке кондитерских изделий как разрыхлитель теста, а также в медицине при повышенной кислотности желудка, изжоге, диабете и т. д.
Карбонат калия K2CO3, или поташ, как и сода, применяется в мыловаренной промышленности и в производстве тугоплавкого стекла.
Следует отметить, что углерод образует так называемые органические соединения, количество и разнообразие которых далеко превосходят соединения всех остальных элементов, вместе взятых. Детальное изучение соединений углерода выделено в самостоятельную область, называемую органической химией.

■ 28. Как отличить друг от друга представленные в твердом виде карбонат натрия,
32. 2 кг карбоната кальция подвергли прокаливанию. Вес остатка после прокаливания оказался равным 1 кг 800 г. Какой процент карбоната подвергся разложению?
33. Как освободить от примесей нитрата кальция?
34. Как, имея в своем распоряжении только соляную кислоту, распознать карбонат бария, сульфит бария и сульфат бария?
35. Окисью углерода, полученной из 5 кг угля, восстановили окись железа (III). Сколько железа при этом получено?

Углерод - жизненно важный элемент для животных и растений. Растения, используя двуокись углерода воздуха и энергию солнца, создают органические вещества. Травоядные животные, питающиеся растениями, используя эти уже готовые вещества, в свою очередь служат

Рис. 68. Круговорот углерода в природе

пищей для хищников. Растения и животные, отмирая, гниют, окисляясь и частично превращаясь в двуокись углерода, которая снова потребляется растениями, частично же постепенно разлагаются в почве, образуя разные виды топлива. При горении топлива выделяется двуокись углерода, которая поступает в атмосферу и потребляется растениями (рис. 68).

РАДОН ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Химическое поведение молекулы любого изотопа радона определяется его принадлежностью к инертным газам. Правда, в их ряду...

Краткий план урока по химии по теме " Положение углерода и кремния в ПСХЭ, строение их атомов. Углерод, аллотропия, физические и химические свойства" для 9 класса, обучающегося по УМК Рудзитиса в объеме 2 часа в неделю.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Урок 27

Положение углерода и кремния в ПСХЭ, строение их атомов. Углерод, аллотропия, физические и химические свойства

Цели урока:

1. Охарактеризовать положение углерода и кремния в ПСХЭ, строение их атомов, охарактеризовать аллотропические модификации углерода, его физические и химические свойства (предметный результат).

2. Продолжить развивать умение генерировать идеи, выявлять причинно-следственные связи, искать аналогии и работать в команде, пользоваться альтернативными источниками информации (метапредметный результат).

3. Формирование умений управлять своей учебной деятельностью, подготовка к осознанию выбора дальнейшей образовательной траектории (личностный результат).

Ход урока

1. Подготовка к восприятию нового материала (10 мин)

Опрос учащихся по домашнему заданию.

1. Изучение нового материала (20 мин)

Углерод и кремний находятся в IV группе главной подгруппе Периодической системы. Электронная и электронно-графическая формула. Валентность, степени окисления.

Аллотропия углерода: алмаз, графит, карбин, фуллерен.

Демонстрация «Кристаллические решетки алмаза и графита», «Ознакомление с различными видами топлива».

Химические свойства углерода :

I. С простыми веществами:

1. Горение углерода: а) 2С + O 2 (недост.) = 2СО, б) С + О 2 (изб.) = СО 2

2. С неметаллами: а) С + 2F 2 = CF 4 , б) C + S = CS 2 , в) C + H 2 = CH 4

3. С металлами: а) Сa + 2C = CaC 2 , б) 4Fe + 3C = Al 4 C 3

II. Со сложными веществами:

1. Восстанавливает Ме из их оксидов: 2СuO + C = 2Cu + CO 2

2. С водяным паром: С + H 2 O = CO + H 2 (выше 1200 0 С)

С + 2H 2 O = CO 2 + 2H 2 (около 1000 0 С)