1. Аллотропные модификации углерода

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.

Рис. 1 Свойства уг­ле­рода

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.

Рис. 2 Алмаз

Рис. 3 Алмаз

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.

Рис. 4 Гра­фит

Рис. 5 Гра­фит

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.

2. Химические свойства углерода как простого вещества

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 + 2F₂ = CF₄

C + 2S  CS₂

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.

Рис. 6 Оксид уг­ле­ро­да (II)

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

HCOOH  CO + H₂O

3. Угольная кислота и её соли

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 СО₂↑в 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.

Рис. 7 Раз­лич­ные кар­бо­на­ты встре­ча­ют­ся в при­ро­де

4. Применение солей угольной кислоты

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.

Под­ве­де­ние итога

 Была рас­смот­ре­на тема «Уг­ле­род». При изу­че­нии этой темы вы узна­ли элек­трон­ное стро­е­ние атома уг­ле­ро­да и ха­рак­тер­ные сте­пе­ни окис­ле­ния, ал­ло­троп­ные мо­ди­фи­ка­ции уг­ле­ро­да и их свой­ства, уголь­ную кис­ло­ту и ее соли – кар­бо­на­ты.