Химия
9 класс

§ 33. Углерод

Строение и свойства атомов. Углерод С — первый элемент главной подгруппы IV группы Периодической системы Д. И. Менделеева. Его атомы содержат на внешнем энергетическом уровне четыре электрона, поэтому они могут принимать четыре электрона, приобретая при этом степень окисления -4, т. е. проявлять окислительные свойства и отдавать свои электроны более электроотрицательным элементам, т. е. проявлять восстановительные свойства, приобретая при этом степень окисления +4.

Углерод — простое вещество. Вы уже знаете, что углерод образует аллотропные модификации — алмаз и графит.

Алмаз — прозрачное кристаллическое вещество, самое твёрдое из всех природных веществ. Он служит эталоном твёрдости, которая по десятибалльной системе оценивается высшим баллом 10. Такая твёрдость алмаза обусловлена особой структурой его атомной кристаллической решётки (рис. 142). В ней каждый атом углерода окружён такими же атомами, расположенными в вершинах правильного тетраэдра.


Рис. 142. Строение алмаза

Кристаллы алмаза обычно бесцветные, но бывают синего, голубого, красного и чёрного цветов. Они имеют очень сильный блеск благодаря высокой светопреломляющей и светоотражающей способности.

Алмазы были известны ещё в древности. Само слово «алмаз» происходит или от арабского алмас, что означает «твердейший», или от греческого слова адамас — «несокрушимый, непреодолимый». Массу алмазов измеряют в каратах, 1 карат соответствует 0,2 г. Огранённые прозрачные алмазы называются бриллиантами. Они украшают короны царей бывшей Российской империи, орден Святого Андрея Первозванного1 (рис. 143).


Рис. 143. Орден Святого Андрея Первозванного


    1Звезда восьмилучевая, сплошь усыпана бриллиантами различной величины и украшена тринадцатью мелкими сапфирами.

Крупные алмазы (рис. 144) имеют имена и свою биографию. Самый крупный из найденных алмазов — это «Куллинан» из Южной Африки (3025 каратов). В Алмазном фонде России хранится знаменитый алмаз «Шах» в 87 каратов. Им персидское правительство расплатилось за жизнь погибшего в Тегеране в 1829 г. известного российского писателя и дипломата А. С. Грибоедова.

Рис. 144.
Алмаз «Шах»

Алмазы — это не только ювелирные камни. Благодаря исключительно высокой твёрдости алмазы применяют для изготовления буров, свёрл, шлифовальных инструментов, резки стекла.

Крупнейшие месторождения алмазов находятся в Южной Африке. В России алмазы добывают в Якутии.

Графит — тёмно-серое, жирное на ощупь кристаллическое вещество с металлическим блеском. В отличие от алмаза, графит мягкий (оставляет след на бумаге) и непрозрачный, хорошо проводит теплоту и электрический ток. Мягкость графита обусловлена слоистой структурой (рис. 145). В кристаллической решётке графита атомы углерода, лежащие в одной плоскости, прочно связаны в правильные шестиугольники. Связи между слоями малопрочны. Он очень тугоплавок.

Рис. 145.
Строение графита

Из графита изготовляют электроды (вспомните электролитическое получение алюминия), твёрдые смазки, замедлители нейтронов в ядерных реакторах, стержни для карандашей. При высоких температурах и давлениях из графита получают искусственные алмазы, которые широко применяются в технике.

Сходное с графитом строение имеют сажа и древесный уголь. Древесный уголь получают при сухой перегонке древесины. Благодаря своей пористой поверхности он поглощает газы и растворённые вещества. Такое свойство некоторых веществ называется адсорбцией. Чем больше пористость древесного угля, тем эффективнее адсорбция. Чтобы увеличить поглотительную способность, древесный уголь обрабатывают горячим водяным паром. Обработанный таким способом уголь называют активированным (рис. 146). В медицине активированный уголь (карболен) используют в качестве адсорбирующего средства при отравлениях.

Рис. 146.
Пористая структура активированного угля

Как вы уже знаете, активированный уголь — это основной материал для изготовления бытовых фильтров сорбентного типа (почему эти фильтры так называются?).

Если бросить кусочки активированного угля в колбу с бурым газом NO2, то бурая окраска в колбе исчезнет (рис. 147). На поглотительной способности активированного угля основано действие противогазов — устройств для защиты от вредных примесей, имеющихся в воздухе. Первый противогаз был изобретён выдающимся русским химиком Н. Д. Зелинским и спас жизнь тысячам солдат в период Первой мировой войны.

Рис. 147.
Адсорбция оксида азота (IV) активированным углём

Активированный уголь широко применяют в промышленности для очистки многих продуктов, например спирта от сивушных масел, сахарного сиропа от окрашенных веществ, для улавливания бензина из природных газов. Другие области применения углерода (активированного угля, графита, сажи) вы найдёте на рисунке 148.

Рис. 148.
Применение углерода (активированного угля, графита, сажи, кокса):
1 — составная часть крема для обуви; 2 — адсорбент в противогазах; 3 — наполнитель при производстве резины; 4 — в производстве синтетического бензина; 5 — в медицине; 6 — для получения карбида кальция; 7 — для получения искусственных алмазов; 8 — в металлургии; 9 — для очистки этилового спирта; 10 — для приготовления чёрной краски (картриджи, типографская краска)

Химические свойства углерода. Алмаз и графит соединяются с кислородом при очень высокой температуре. Сажа и уголь взаимодействуют с кислородом гораздо легче, сгорая в нём. Но в любом случае результат такого взаимодействия один — образуется углекислый газ:

С + O2 = СO2

(какие свойства — восстановительные или окислительные — проявляет в этой реакции углерод?).

С металлами углерод при нагревании образует карбиды, например:

(какие свойства проявляет углерод в этой реакции?).

Карбид алюминия — светло-жёлтые прозрачные кристаллы. Вам более известен карбид кальция СаС2 в виде кусков серого цвета. Его применяют газосварщики для получения ацетилена С2Н2:

СаС2 + 2Н2O = Са(ОН)2 + С2Н2↑.

Ацетилен используют для резки и сварки металлов, сжигая его с помощью кислорода в специальных горелках.

Если водой подействовать на карбид алюминия, то получится другой газ — метан СН4:

Аl4С3 + 12Н2O = 4Аl(ОН)3 + ЗСН4↑.

Метан можно получить также синтезом из углерода и водорода при нагревании.

Лабораторный опыт № 36
Горение угля в кислороде

Поместите в ложечку для сжигания веществ кусочек древесного угля и раскалите его на пламени спиртовки. Внесите ложечку с раскалённым углём в колбу с кислородом (с этой целью получите его из пероксида водорода, используя оксид марганца (IV)). Каков характер пламени горящего угля? Запишите уравнение реакции, рассмотрите окислительно-восстановительные процессы.

Если в пробирке прокалить смесь чёрного порошка оксида меди (II) с порошком древесного угля, смесь приобретает красный цвет из-за образовавшейся в результате реакции меди:

(какие свойства проявляет углерод в этой реакции?).

Круговорот углерода в природе. В природе углерод встречается в свободном состоянии (алмаз, графит) и в форме соединений, главным образом карбонатов. Основным карбонатным минералом является кальцит СаСO3, который образует известняк, мел и мрамор.

В атмосфере содержится оксид углерода (IV) СO2 — углекислый газ. Это соединение образуется при дыхании и сгорании топлива, а также при тлении и гниении органических веществ. Поэтому в городской местности, вблизи заводов, фабрик и транспортных магистралей концентрация углекислого газа в воздухе конечно же выше, чем в сельской местности.

Гораздо больше, чем в воздухе, углекислого газа содержится в водах морей и океанов.

Углерод — основная составная часть каменного угля (до 99%), бурого угля (до 72%), а также торфа (до 57%) (рис. 149). Теперь вам очевидно происхождение названия «углерод», т. е. «рождающий уголь». Аналогично и латинское название карбонеум в основе содержит корень карбо — «уголь».

Рис. 149.
Углерод — составная часть:
а — каменного угля; б — бурого угля; в — торфа

Нефть (рис. 150) является смесью соединений углерода, главным образом с водородом. Их так и называют — углеводороды. Понятно, что это в основном жидкие углеводороды.

Рис. 150.
Нефть

Однако в нефти растворены также газообразные и твёрдые углеводороды. Углеводороды являются главной составной частью природного газа.

Углерод — это особый химический элемент. Он основа многообразия органических соединений, из которых построены все живые организмы на нашей планете.

Все перечисленные источники углерода участвуют в круговороте его в природе (рис. 151). Из атмосферы и природных вод углекислый газ поглощается зелёными растениями (фотосинтез), а образующийся в результате дыхания, брожения, гниения СO2 снова поступает в атмосферу и воды морей и океанов.

Рис. 151.
Круговорот углерода в природе

Добываемые из недр земли уголь, нефть и другие углеродсодержащие горючие ископаемые при сжигании выделяют СO2, поступающий в атмосферу. При разрушении горных пород содержащиеся в них металлы при действии атмосферного СO2 образуют осаждающиеся карбонаты.

Большие количества СO2 выделяются при извержении вулканов.

Новые слова и понятия

  1. Строение атома и степени окисления углерода —4, +4.
  2. Аллотропия углерода: алмаз и графит.
  3. Древесный и активированный уголь.
  4. Адсорбция, её применение.
  5. Химические свойства углерода: взаимодействие с кислородом, металлами, водородом, оксидами металлов.
  6. Карбиды кальция и алюминия.
  7. Ацетилен и метан.
  8. Круговорот углерода в природе.

Задания для самостоятельной работы

  1. Сравните строение алмаза и графита и их физические свойства: твёрдость, оптические свойства, электропроводность.
  2. Напишите уравнения реакций с участием углерода, которые характеризуют отдельно его восстановительные и окислительные свойства. Рассмотрите окислительно-восстановительные процессы для них.
  3. Вспомните из курса биологии, какой период в истории Земли носит название каменноугольного, или карбона. Каково происхождение каменного угля?
  4. Почему в домашние холодильники рекомендуют помещать по нескольку таблеток карболена?
  5. Напишите уравнения реакций взаимодействия угля с оксидом железа (III) и оксидом олова (IV). Рассмотрите окислительно-восстановительные процессы.
  6. При сжигании 8 г угля было получено 10,64 л (н. у.) углекислого газа, что составляет 95% от теоретически возможного. Вычислите массовую долю примесей в угле.
  7. При недостатке кислорода углерод взаимодействует с углекислым газом согласно уравнению: С + СO2 = 2СО. Какая форма существования элемента углерода проявляет в этой реакции окислительные свойства, а какая — восстановительные?
  8. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

    Рассмотрите окислительно-восстановительные процессы.

Рейтинг@Mail.ru