С чем реагирует углерод?

4 ноября 2021

Углерод расположен в главной подгруппе IV группы  (или в 14 группе в современной форме ПСХЭ) и во втором периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронное строение углерода

Электронная конфигурация  углерода в основном состоянии:

+6С 1s22s22p2     1s    2s   2p 

Электронная конфигурация  углерода в возбужденном состоянии:

+6С* 1s22s12p3  1s    2s   2p 

Атом углерода содержит на внешнем энергетическом уровне 2 неспаренных электрона и 1 неподеленную электронную пару в основном энергетическом состоянии и 4 неспаренных электрона в возбужденном энергетическом состоянии.

Степени окисления атома углерода — от -4 до +4. Характерные степени окисления -4, 0, +2, +4.

Физические свойства углерода

Углерод в природе существует в виде нескольких аллотропных модификаций: алмаз, графит, карбин, фуллерен.

Алмаз — это модификация углерода с атомной кристаллической решеткой. Алмаз — самое твердое минеральное кристаллическое вещество, прозрачное, плохо проводит электрический ток и тепло. Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии sp3-гибридизации.

Графит — это аллотропная модификация, в которой атомы углерода находятся в состоянии sp2-гибридизации. При этом атомы связаны в плоские слои, состоящие из шестиугольников, как пчелиные соты. Слои удерживаются между собой слабыми связями. Это наиболее устойчивая при нормальных условиях аллотропная модификация углерода.

Графит — мягкое вещество серо-стального цвета, с металлическим блеском. Хорошо проводит электрический ток. Жирный на ощупь.

Карбин — вещество, в составе которого атомы углерода находятся в sp-гибридизации. Состоит из цепочек и циклов, в которых атомы углерода соединены двойными и тройными связями. Карбин — мелкокристаллический порошок серого цвета.

[=C=C=C=C=C=C=]n  или [–C≡C–C≡C–C≡C–]n

Фуллерен — это искусственно полученная модифицикация углерода. Молекулы фуллерена — выпуклые многогранники С60, С70 и др. Многогранники образованы пяти- и шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода.

Фуллерены — черные вещества с металлическим блеском, обладающие свойствами полупроводников.

В природе углерод встречается как в виде простых веществ (алмаз, графит), так и в виде сложных соединений (органические вещества — нефть, природные газ, каменный уголь, карбонаты).

Качественные реакции углерода

Качественная реакция на карбонат-ионы CO32- — взаимодействие  солей-карбонатов с сильными кислотами. Более сильные кислоты вытесняют угольную кислоту из солей. При этом выделяется бесцветный газ, не поддерживающий горение – углекислый газ.

Напримеркарбонат кальция растворяется в соляной кислоте:

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2O + CO2

Качественная реакция на углекислый газ CO2 – помутнение известковой воды при пропускании через нее углекислого газа:

CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2O

При дальнейшем пропускании углекислого газа осадок растворяется, т.к. карбонат кальция под действием избытка углекислого газа переходит в растворимый гидрокарбонат кальция:

CaCO3 + CO2 + H2O → Ca(HCO3)2

Углекислый газ СО2 не поддерживает горение. Угарный газ CO горит голубым пламенем.

Химические свойства углерода

Ниже описаны основные химические свойства углерода.

Реакции углерода с неметаллами

При нагревании углерод реагирует со многими неметаллами: водородом, кислородом, фтором.

C + H2 → (t) CH4 (метан)

2С + O2 → (t) 2CO (угарный газ – продукт неполного окисления углерода, образуется при недостатке кислорода)

С + O2 → (t) CO2 (углекислый газ – продукт полного окисления углерода, образуется при достаточном количестве кислорода)

С + F2 → (t) CF4

Реакции углерода с металлами

При нагревании углерод реагирует с металлами, проявляя свои окислительные свойства. Напомню, что металлы могут принимать только положительные степени окисления.

Ca + C → CaC2 (карбид кальция, СО углерода = -1)

Al + C → Al4C3 (карбид алюминий, СО углерода -4)

Очевидно, что степень окисления углерода в соединении с различными металлами может отличаться.

Восстановительные свойства углерода

Углерод способен восстанавливать многие металлы из их оксидов:

2ZnO + C = 2Zn + CO2.

Концентрированные серная и азотная кислоты при нагревании окисляют углерод до оксида углерода (IV):

C + 2H2SO4 = CO2 + 2SO2 + 2H2O;

C + 4HNO3 = CO2 + 4NO2 + 2H2O.

Восстановительные свойства углерода с кислородом:

C0 + O2  –=  COуглекислый газ

при недостатке кислорода — неполное сгорание:

2C0 + O2  –= 2C+2O угарный газ

Восстановительные свойства углерода с фтором

С + 2F2 = CF4

Восстановительные свойства углерода с водяным паром

C0 + H2O  –1200°= С+2O + Hводяной газ

Восстановительные свойства углерода с оксидами металлов. Таким образом выплавляют металл из руды.

C0 + 2CuO  –=  2Cu + C+4O2

Восстановительные свойства углерода с серой образует сероуглерод:

С + 2S2 = СS2.

Реакция углерода с водой

Известная реакция взаимодействия угля с водяным паром, называемая также газификацией угля, торфа, сланца – крайне важна в промышленности:

C + H2O → CO↑ + H2

Реакции углерода с кислотами

В реакциях с кислотами углерод проявляет себя как восстановитель:

C + HNO3(конц.) → (t) CO2 + NO2 + H2O

C + HNO3 → CO2 + NO + H2O

C + H2SO4(конц.) → CO2 + SO2 + H2O

Окислительные реакции с углеродом

Окислительные реакции углерода с некоторыми металлами образует карбиды

4Al + 3C0 = Al4C3

Ca + 2C0 = CaC2-4

Окислительные реакции углерода с водородом — метан (а также огромное количество органических соединений)

C0 + 2H2 = CH4

Окислительные реакции углерода с кремнием, образует карборунд (при 2000 °C в электропечи):

Si + C = SiC.

 

Источники:

  • https://studarium.ru/article/166
  • https://chemege.ru/carbon
  • http://himege.ru/uglerod-xarakteristika-elementa-i-ximicheskie-svojstva
  • https://ido.tsu.ru/schools/chem/data/res/neorg/uchpos/text/g3_8_4.html
Оцените статью:
[Всего голосов: 0    Средний: 0/5]