Свойства углерода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Свойства углерода

Углерод - элемент с шестым порядковым номером, относится к IV главной подгруппе во втором периоде периодической системы. Углерод занимает 17-е место по распространенности в земной коре - 0,048% (по другим данным 0,35 или 0,012%). Но несмотря на это, углерод играет огромную роль в живой и неживой природе. Биосфера состоит из живых организмов, основанных на органических веществах, т.е. производных углерода. Из продуктов разложения органических веществ образовались каменные угли, торф, нефть, природные газы. Свободный углерод встречается в виде алмаза, графита, карбина, угля и других аморфных состояниях. Углерод входит в составе органических веществ в растительные и живые организмы, а также в состав ДНК. Содержится в мышечной ткани - 67%, костной ткани - 36% и крови человека (в человеческом организме массой 70 кг в среднем содержится 16 кг связанного углерода).

Соединения углерода.

Оксид углерода (II) (CO).

Чаще всего угарный газ ассоциируется с пожаром. Именно этот ядовитый газ вызывает удушья людей по время пожара и при резком взаимодействии с кислородом воздуха взрывается. Ядовитое действие обусловлено тем, что при вдыхании он образует с гемоглобином крови ярко-алый устойчивый карбоксигемоглобин, и человек умирает от удушья. Противоядием может служить только свежий воздух, а лучше кислород.

Молекула CO имеет структуру - СЧ O. Неспаренные p-электроны атома углерода и кислорода образуют две ковалентные связи. Третья связь возникает по донорно-акцепторному механизму - за счет неопределенной электронной пары атома кислорода (донора) и свободной орбитали атома углерода (акцептора).

В результате атомы углерода и кислорода имеют на внешнем уровне в сфере своего влияния по восемь электронов. По химическому строению, химическим и физическим свойствам оксид углерода сходен с молекулярным азотом. Их молекулы изоэлектронные, имеют равные молекулярные массы (28 а.е.м.), имеют высокий порядок связи и относятся к самым прочным двух атомным частицам.

Физические свойства оксида углерода. Оксид углерода - бесцветный газ, без запаха, плохо растворимый в воде.

Природный углерод состоит из смеси двух стабильных изотопов -12C - 98,892% и 13C - 1,108%, а также следов радиоактивного изотопа 14С, испускающего b-частицы, с периодом полураспада 5730± 40 лет. Этот изотоп постоянно образуется в верхних слоях атмосферы из изотопа 14N под действием нейтронов космического излучения. Как было описано выше, 14С является материалом для датирования. Физические свойства аллотропных модификаций углерода. Алмаз - бесцветное, прозрачное, сильно преломляющее свет вещество. Алмаз тверже всех найденных в природе веществ, но при этом довольно хрупок. Кристаллы алмаза имеют координационную структуру, в которой атомы углерода связаны друг с другом направленными sp3-гибридными связями. Гранецентрированная кубическая (ГЦК) структура алмаза отличается от ГЦК-структуры меди тем, что углеродные атомы располагаются не только на гранях куба, но и в центрах малых кубов, так называемых октанов, чередующихся с пустыми малыми кубами.

Каждый атом углерода имеет четыре ближайших атома, расстояние между которыми 0,1545 нм. По отношению к любому атому углерода четыре ближайших соседних атома расположены в вершинах правильного тетраэдра. Поэтому структуру алмаза представляют в виде комбинации тетраэдров, у которых в центре находиться пятый атом углерода. Каждая вершина тетраэдра является общей для четырех смежных тетраэдров. Непрерывная трехмерная сетка ковалентных связей, которая характеризуется большой прочностью, определяет многие свойства алмаза, так то плохая тепло- и электропроводимость, а также химическая инертность. Графит - устойчивая при нормальных условиях аллотропная модификация углерода, имеет серо-черный цвет и металлический блеск, кажется жирным на ощупь, очень мягок и оставляет черные следы на бумаге.

Графит имеет гексагональную структуру. Атомы углерода в графите находятся в sp2-гибридном состоянии и расположены отдельными слоями, образованными из плоских шестиугольников. Каждый атом углерода на плоскости окружен тремя соседними, расположенными вокруг него в виде правильного треугольника на расстоянии 0,412 нм. Расстояние между ближайшими атомами соседних слоев равно 0,340 нм. Поэтому графит характеризуется меньшей плотность и твердостью. Из-за делокализованных pp-p-связей в пределах шестиугольников возникает склонность к металлизации, что объясняет хорошую тепло- и электропроводность графита, а также его металлический блеск. Уголь, кокс, сажа являются аморфными модификациями углерода, в некоторых случаях измельченным графитом. Все модификации углерода растворяются в расплавленных металлах. Химические свойства углерода. Реакционная способность повышается в ряду алмаз - графит - карбин - аморфный углерод. Алмаз и графит инертны, устойчивы к действию кислот и щелочей.

1.Алмаз и графит сгорают в чистом кислороде при высоких температурах с образованием углекислого газа:

углерод аллотропный химический реакционный

C + O2 (800° C)® CO2.

Аморфные модификации сгорают уже на воздухе. При недостатке кислорода образуется угарный газ:

2C + O2 ® 2CO.

2.Непосредственно из галогенов с аморфным углеродом реагирует лишь фтор:

C + 2F2 ® CF4.

С остальными галогенами реакция происходит лишь при нагревании.

3.При температуре 500° С на никелевом катализаторе идет реакция с водородом:

C + 2H2 (500° C Ni)® CH4.

4.При высоких температурах углерод взаимодействует также с такими неметаллами, как сера, при пропускании ее паров через уголь:

C + 2S (900° C)® CS2,

а также с азотом с образованием бесцветного ядовитого газа дициана:

2C + N2 (2000° C)® C2N2.

5.С металлами, металлоидами и оксидами некоторых металлов углерод образует соответствующие карбиды:

2C + Ca (550° С)® CaC2,

4 Al + 3C (1500-1700° С)® Al4C3,

Si + C (1200-1300° С)® Sic + Q,

3C + CaO (1900-1950° С)® CaC2 + 2CO.

6.Однако наиболее характерные реакции для углерода со сложными веществами - реакции восстановления, применимые в металлургии для получения металлов из их руд:

2C + SiO2 (1300° С, вак.)® Si + 2CO,

C + FeO (>1000° C)® Fe + CO,

C + 2CuO (1200° C)® 2Cu + CO2,

C + H2O (800-1000° C)" CO + H2,

2C + Na2SO4 (600° C)® Na2S + 2CO2,

2C + Na2CO3 (900-1000° C) ® 2Na + 3CO,

C + CO2 (>1000° C)" 2CO.

Концентрированные серная и азотная кислоты при нагревании окисляют углерод до углекислого газа:

C + 2 H2SO4 (t) ® CO2 + 2 SO2 + H2O,

C + 4HNO3 (t) ® 3CO2 + 4NO2 + 2H2O.

7.Порох сгорает по реакции:

2KNO3 + S + 3C ® K2S + N2 + 3CO2.

8.Углерод взаимодействует с раствором дихромата калия в концентрированной серной кислоте:

3C + 8H2SO4 + 2K2Cr2O7 ® 3CO2 + 2Cr2 (SO4)3 + 2K2SO4 + 8H2O.

Размещено на Allbest.ru