1. Свойства химического элемента углерода

Уг­ле­род рас­по­ло­жен в IVА под­груп­пе вто­ро­го пе­ри­о­да ПСХЭ. Заряд ядра атома уг­ле­ро­да равен +6, на внеш­нем элек­трон­ном слое у него 4 элек­тро­на:

Зна­чит, при об­ра­зо­ва­нии хи­ми­че­ской связи атом уг­ле­ро­да может при­со­еди­нять к себе до 4 элек­тро­нов или от­да­вать до 4 элек­тро­нов. Ха­рак­тер­ные сте­пе­ни окис­ле­ния уг­ле­ро­да: -4, 0, +2, +4. Выс­шая ва­лент­ность уг­ле­ро­да равна IV.

2. Нахождение в природе

Уг­ле­род в при­ро­де встре­ча­ет­ся в виде про­стых ве­ществ – гра­фи­та и ал­ма­за – и в со­ста­ве ми­не­ра­лов (кар­бо­на­тов каль­ция, маг­ния, же­ле­за и др.). В воз­ду­хе со­дер­жит­ся оксид уг­ле­ро­да (IV) – уг­ле­кис­лый газ. Объ­ем­ная доля уг­ле­кис­ло­го газа в воз­ду­хе – около 0,03%.

3. Аллотропные модификации углерода

Уг­ле­род об­ра­зу­ет несколь­ко ал­ло­троп­ных мо­ди­фи­ка­ций: на­при­мер, гра­фит, алмаз, фул­ле­рен, кар­бин. Фул­ле­ре­ны были от­кры­ты в 1985 г., их мо­ле­ку­лы на­по­ми­на­ют фут­боль­ные мячи (Рис. 1).

Рис. 1. Струк­ту­ра мо­ле­ку­лы фул­ле­ре­на

Гра­фит и алмаз силь­но от­ли­ча­ют­ся по фи­зи­че­ским свой­ствам. Такое раз­ли­чие объ­яс­ня­ет­ся раз­ным стро­е­ни­ем их кри­стал­ли­че­ских ре­ше­ток.

Гра­фит – тем­но-се­рое ту­го­плав­кое ве­ще­ство с ме­тал­ли­че­ским блес­ком и низ­кой твер­до­стью, про­во­дит элек­три­че­ский ток. Кри­стал­ли­че­ская ре­шет­ка гра­фи­та – атом­ная (Рис. 2).

Рис. 2. Гра­фит

Алмаз – бес­цвет­ное ту­го­плав­кое ве­ще­ство, с самой вы­со­кой твер­до­стью из всех при­род­ных ве­ществ. В атом­ной кри­стал­ли­че­ской ре­шет­ке ал­ма­за все связи между ато­ма­ми уг­ле­ро­да – ко­ва­лент­ные непо­ляр­ные, рав­ные по длине и энер­гии. Такое стро­е­ние объ­яс­ня­ет вы­со­кую твер­дость и ту­го­плав­кость этого ми­не­ра­ла (Рис. 3).

Рис. 3. Алмаз (брил­ли­ант)

4. Химические свойства углерода

Про­стые ве­ще­ства, об­ра­зо­ван­ные уг­ле­ро­дом – это ти­пич­ные неме­тал­лы. Рас­смот­рим их хи­ми­че­ские свой­ства на при­ме­ре угля (Рис. 4).

Рис. 4. Уголь

Уголь горит в из­быт­ке кис­ло­ро­да с об­ра­зо­ва­ни­ем уг­ле­кис­ло­го газа (ок­си­да уг­ле­ро­да (IV)):

С + О₂ = СО₂

При недо­стат­ке кис­ло­ро­да про­ис­хо­дит непол­ное сго­ра­ние угля с об­ра­зо­ва­ни­ем ок­си­да уг­ле­ро­да (II) – угар­но­го газа:

2С + О₂ = 2СО

При вза­и­мо­дей­ствии угля с во­до­ро­дом об­ра­зу­ет­ся метан:

С + 2Н₂ = СН_4.

При спе­ка­нии угля с каль­ци­ем или ок­си­дом каль­ция об­ра­зу­ет­ся кар­бид каль­ция СаС₂:

Са + 2С = СаС₂

СаО + 3С = СаС₂ + СО

Рас­ка­лен­ный уголь ре­а­ги­ру­ет с водой с об­ра­зо­ва­ни­ем во­дя­но­го газа – смеси угар­но­го газа и во­до­ро­да:

С + Н₂О = СО + Н₂

При на­гре­ва­нии уголь окис­ля­ет­ся кон­цен­три­ро­ван­ной сер­ной кис­ло­той, при этом об­ра­зу­ют­ся уг­ле­кис­лый газ, оксид уг­ле­ро­да (IV) и вода:

С + 2H₂SO₄ = CO₂ + 2SO₂ + 2H₂O.