Човекът е направен от въглерод. Характеристики на структурата на въглеродния атом. Взаимодействие на силиций със сложни вещества

MOU "Никифоровска средно училище № 1"

Въглерод и неговите основни неорганични съединения

абстрактно

Изпълнил: ученик от 9Б клас

Сидоров Александър

Учител: Сахарова Л.Н.

Дмитриевка 2009 г

Въведение

Глава I. Всичко за въглерода

1.1. въглерод в природата

1.2. Алотропни модификации на въглерода

1.3. Химични свойства на въглерода

1.4. Приложение на карбон

Глава II. Неорганични въглеродни съединения

Заключение

Литература

Въведение

Въглерод (лат. Carboneum) C е химичен елемент от IV група на периодичната система на Менделеев: атомен номер 6, атомна маса 12.011(1). Помислете за структурата на въглеродния атом. Във външното енергийно ниво на въглеродния атом има четири електрона. Нека го начертаем на графика:

Въглеродът е известен от древни времена и името на откривателя на този елемент е неизвестно.

В края на XVII век. Флорентинските учени Аверани и Тарджиони се опитали да слеят няколко малки диаманта в един голям и ги нагрели с помощта на горящо стъкло със слънчеви лъчи. Диамантите изчезнаха, след като изгоряха във въздуха. През 1772 г. френският химик А. Лавоазие показва, че при изгарянето на диаманта се образува CO 2 . Едва през 1797 г. английският учен С. Тенант доказва идентичността на природата на графита и въглищата. След изгаряне на равни количества въглища и диамант, обемите въглероден окис (IV) се оказват еднакви.

Разнообразието от въглеродни съединения, което се обяснява със способността на неговите атоми да се комбинират помежду си и с атоми на други елементи по различни начини, определя специалното място на въглерода сред другите елементи.

Глава аз . Всичко за въглерода

1.1. въглерод в природата

Въглеродът се среща в природата както в свободно състояние, така и под формата на съединения.

Свободният въглерод се среща като диамант, графит и карабин.

Диамантите са много редки. Най-големият известен диамант - "Кулинан" е намерен през 1905 г. в Южна Африка, тежал е 621,2 г и е с размери 10 × 6,5 × 5 см. Диамантеният фонд в Москва съхранява един от най-големите и красиви диаманти в света - "Орлов" (37,92). g).

Диамантът получи името си от гръцки. "адамас" - непобедим, неразрушим. Най-значимите находища на диаманти се намират в Южна Африка, Бразилия и Якутия.

Големи находища на графит се намират в Германия, в Шри Ланка, в Сибир, в Алтай.

Основните минерали, съдържащи въглерод, са: магнезит MgCO 3, калцит (варов шпат, варовик, мрамор, креда) CaCO 3, доломит CaMg (CO 3) 2 и др.

Всички изкопаеми горива - нефт, газ, торф, каменни и кафяви въглища, шисти - са изградени на въглеродна основа. Близки по състав до въглерода са някои изкопаеми въглища, съдържащи до 99% С.

Въглеродът представлява 0,1% от земната кора.

Под формата на въглероден оксид (IV) CO 2 въглеродът е част от атмосферата. Голямо количество CO 2 е разтворено в хидросферата.

1.2. Алотропни модификации на въглерода

Елементарният въглерод образува три алотропни модификации: диамант, графит, карбин.

1. Диамантът е безцветно, прозрачно кристално вещество, което пречупва изключително силно светлинните лъчи. Въглеродните атоми в диаманта са в състояние на sp3 хибридизация. Във възбудено състояние валентните електрони във въглеродните атоми се разпадат и се образуват четири несдвоени електрона. Когато се образуват химически връзки, електронните облаци придобиват същата продълговата форма и се разполагат в пространството така, че осите им да са насочени към върховете на тетраедъра. Когато върховете на тези облаци се припокриват с облаци от други въглеродни атоми, се появяват ковалентни връзки под ъгъл от 109°28", и се образува атомна кристална решетка, която е характерна за диаманта.

Всеки въглероден атом в диаманта е заобиколен от четири други, разположени от него в посоки от центъра на тетраедрите към върховете. Разстоянието между атомите в тетраедрите е 0,154 nm. Силата на всички връзки е еднаква. Така атомите в диаманта са „опаковани“ много плътно. При 20°C плътността на диаманта е 3,515 g/cm 3 . Това обяснява неговата изключителна твърдост. Диамантът е лош проводник на електричество.

През 1961 г. в Съветския съюз започва промишленото производство на синтетични диаманти от графит.

При индустриалния синтез на диаманти се използват налягания от хиляди MPa и температури от 1500 до 3000°C. Процесът се извършва в присъствието на катализатори, които могат да бъдат някои метали, като Ni. По-голямата част от образуваните диаманти са малки кристали и диамантен прах.

Диамантът, когато се нагрява без достъп на въздух над 1000 ° C, се превръща в графит. При 1750°C трансформацията на диаманта в графит става бързо.

Структура на диамант

2. Графитът е сиво-черно кристално вещество с метален блясък, мазно на пипане, отстъпващо по твърдост дори на хартията.

Въглеродните атоми в графитните кристали са в състояние на sp 2 хибридизация: всеки от тях образува три ковалентни σ връзки със съседни атоми. Ъглите между посоките на свързване са 120°. Резултатът е решетка, съставена от правилни шестоъгълници. Разстоянието между съседните ядра на въглеродните атоми в слоя е 0,142 nm. Четвъртият електрон на външния слой на всеки въглероден атом в графита заема p-орбитала, която не участва в хибридизацията.

Нехибридните електронни облаци от въглеродни атоми са ориентирани перпендикулярно на равнината на слоя и припокривайки се един с друг, образуват делокализирани σ-връзки. Съседните слоеве в графитен кристал са разположени на разстояние 0,335 nm един от друг и са слабо свързани помежду си, главно чрез силите на Ван дер Ваалс. Следователно графитът има ниска механична якост и лесно се разцепва на люспи, които сами по себе си са много здрави. Връзката между слоевете въглеродни атоми в графита е частично метална. Това обяснява факта, че графитът провежда добре електричество, но все пак не толкова добре, колкото металите.

графитна структура

Физичните свойства на графита се различават значително по посоки - перпендикулярни и успоредни на слоевете от въглеродни атоми.

При нагряване без достъп на въздух графитът не претърпява никакви промени до 3700°C. При тази температура сублимира, без да се топи.

Изкуственият графит се получава от най-добрите сортове каменни въглища при 3000°C в електрически пещи без достъп на въздух.

Графитът е термодинамично стабилен в широк диапазон от температури и налягания, така че се приема като стандартно състояние на въглерода. Плътността на графита е 2,265 g/cm 3 .

3. Carbin - финозърнест черен барут. В своята кристална структура въглеродните атоми са свързани чрез редуване на единични и тройни връзки в линейни вериги:

−С≡С−С≡С−С≡С−

Това вещество е получено за първи път от V.V. Коршак, А.М. Сладков, В.И. Касаточкин, Ю.П. Кудрявцев в началото на 60-те години.

Впоследствие беше показано, че карбинът може да съществува в различни форми и съдържа както полиацетиленови, така и поликумуленови вериги, в които въглеродните атоми са свързани чрез двойни връзки:

C=C=C=C=C=C=

По-късно карабинът е открит и в природата – в метеоритна материя.

Карбинът има полупроводникови свойства, под действието на светлината неговата проводимост се увеличава значително. Поради съществуването на различни видове връзки и различни начини за подреждане на вериги от въглеродни атоми в кристалната решетка, физичните свойства на карбина могат да варират в широк диапазон. При нагряване без достъп на въздух над 2000 ° C карабинът е стабилен, при температури около 2300 ° C се наблюдава преминаването му в графит.

Естественият въглерод се състои от два изотопа (98,892%) и (1,108%). Освен това в атмосферата са открити незначителни примеси на радиоактивен изотоп, които се получават изкуствено.

Преди това се смяташе, че въгленът, саждите и коксът са подобни по състав на чистия въглерод и се различават по свойства от диаманта и графита, представляват независима алотропна модификация на въглерода („аморфен въглерод“). Установено е обаче, че тези вещества се състоят от най-малките кристални частици, в които въглеродните атоми са свързани по същия начин, както в графита.

4. Въглища - фино раздробен графит. Образува се при термично разлагане на въглеродсъдържащи съединения без достъп на въздух. Въглищата се различават значително по свойства в зависимост от веществото, от което са получени, и начина на получаване. Те винаги съдържат примеси, които влияят на свойствата им. Най-важните видове въглища са кокс, дървени въглища и сажди.

Коксът се получава чрез нагряване на въглища в отсъствие на въздух.

Въгленът се образува при нагряване на дърва в отсъствие на въздух.

Саждите са много фин графитен кристален прах. Образува се при изгаряне на въглеводороди (природен газ, ацетилен, терпентин и др.) при ограничен достъп на въздух.

Активните въглени са порести промишлени адсорбенти, състоящи се основно от въглерод. Адсорбцията е абсорбцията от повърхността на твърдите вещества на газове и разтворени вещества. Активните въглероди се получават от твърди горива (торф, кафяви и каменни въглища, антрацит), дървесина и продукти от нея (въглища, стърготини, отпадъци от производството на хартия), отпадъци от кожарската промишленост, животински материали, като кости. Въглищата, характеризиращи се с висока механична якост, се произвеждат от черупките на кокосови орехи и други ядки, от семената на плодовете. Структурата на въглищата е представена от пори с всякакъв размер, но адсорбционният капацитет и скоростта на адсорбция се определят от съдържанието на микропори на единица маса или обем на гранулите. При производството на активен въглен суровината първо се подлага на термична обработка без достъп на въздух, в резултат на което се отстранява влагата и частично смоли от нея. В този случай се образува структура от въглища с големи пори. За да се получи микропореста структура, активирането се извършва или чрез окисление с газ или пара, или чрез обработка с химически реагенти.

1.3. Химични свойства на въглерода

При обикновени температури диамантът, графитът, въглищата са химически инертни, но при високи температури тяхната активност се повишава. Както следва от структурата на основните форми на въглерода, въглищата реагират по-лесно от графита и още повече от диаманта. Графитът е не само по-реактивен от диаманта, но, реагирайки с определени вещества, може да образува продукти, които диамантът не образува.

1. Като окислител въглеродът реагира с определени метали при високи температури, за да образува карбиди:

ZS + 4Al \u003d Al 4 C 3 (алуминиев карбид).

2. С водорода въглищата и графитът образуват въглеводороди. Най-простият представител - метан CH 4 - може да се получи в присъствието на Ni катализатор при висока температура (600-1000 ° C):

C + 2H 2 CH 4.

3. При взаимодействие с кислород въглеродът проявява редуциращи свойства. При пълното изгаряне на въглерод от всякаква алотропна модификация се образува въглероден оксид (IV):

C + O 2 \u003d CO 2.

При непълно изгаряне се образува въглероден оксид (II) CO:

C + O 2 \u003d 2CO.

И двете реакции са екзотермични.

4. Редукционните свойства на въглищата са особено изразени при взаимодействие с метални оксиди (цинк, мед, олово и др.), Например:

C + 2CuO \u003d CO 2 + 2Cu,

C + 2ZnO = CO 2 + 2Zn.

Най-важният процес на металургията се основава на тези реакции - топенето на метали от руди.

В други случаи, например при взаимодействие с калциев оксид, се образуват карбиди:

CaO + 3C \u003d CaC 2 + CO.

5. Въглищата се окисляват с гореща концентрирана сярна и азотна киселина:

C + 2H 2 SO 4 \u003d CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O,

ZS + 4HNO 3 \u003d ZSO 2 + 4NO + 2H 2 O.

Всички форми на карбон са устойчиви на основи!

1.4. Приложение на карбон

Диамантите се използват за обработка на различни твърди материали, за рязане, шлайфане, пробиване и гравиране на стъкло, за пробиване на скали. Диамантите след шлифоване и рязане се превръщат в диаманти, използвани като бижута.

Графитът е най-ценният материал за съвременната индустрия. Графитът се използва за производство на форми, тигли за топене и други огнеупорни продукти. Поради високата си химическа устойчивост, графитът се използва за производството на тръби и апарати, облицовани отвътре с графитни плочи. Значителни количества графит се използват в електрическата промишленост, например при производството на електроди. Графитът се използва за направата на моливи и някои бои, като смазка. Много чист графит се използва в ядрени реактори за умерени неутрони.

Линеен полимер от въглерод, карбин, привлича вниманието на учените като обещаващ материал за производството на полупроводници, които могат да работят при високи температури и свръхздрави влакна.

Дървените въглища се използват в металургичната промишленост, в ковачеството.

Коксът се използва като редуциращ агент при топенето на метали от руди.

Саждите се използват като пълнител за каучук за увеличаване на здравината, така че автомобилните гуми са черни. Саждите се използват и като компонент на печатарски мастила, мастило и боя за обувки.

Активният въглен се използва за пречистване, извличане и разделяне на различни вещества. Активният въглен се използва като пълнител за противогази и като сорбент в медицината.

Глава II . Неорганични въглеродни съединения

Въглеродът образува два оксида - въглероден оксид (II) CO и въглероден оксид (IV) CO 2.

Въглеродният окис (II) CO е безцветен газ без мирис, слабо разтворим във вода. Нарича се въглероден окис, защото е много отровен. Попадайки в кръвта по време на дишане, той бързо се свързва с хемоглобина, образувайки силно карбоксихемоглобиново съединение, като по този начин лишава хемоглобина от способността да пренася кислород.

При вдишване на въздух, съдържащ 0,1% CO, човек може внезапно да загуби съзнание и да умре. Въглеродният окис се образува при непълно изгаряне на горивото, поради което преждевременното затваряне на комините е толкова опасно.

Въглеродният оксид (II) се отнася, както вече знаете, към несолеобразуващите оксиди, тъй като, тъй като е неметален оксид, той трябва да реагира с основи и основни оксиди, за да образува сол и вода, но това не се наблюдава.

2CO + O 2 \u003d 2CO 2.

Въглеродният окис (II) е в състояние да вземе кислород от метални оксиди, т.е. възстановяват метали от техните оксиди.

Fe 2 O 3 + ZSO \u003d 2Fe + ZSO 2.

Именно това свойство на въглеродния окис (II) се използва в металургията за топене на желязо.

Въглеродният оксид (IV) CO 2 - известен като въглероден диоксид - е безцветен газ без мирис. Той е около един и половина пъти по-тежък от въздуха. При нормални условия 1 обем въглероден диоксид се разтваря в 1 обем вода.

При налягане от около 60 atm въглеродният диоксид се превръща в безцветна течност. Когато течният въглероден диоксид се изпари, част от него се превръща в твърда снежна маса, която се пресова в промишлеността - това е "сухият лед", който знаете, който се използва за съхранение на храна. Вече знаете, че твърдият въглероден диоксид има молекулярна решетка и е способен на сублимация.

Въглеродният диоксид CO 2 е типичен киселинен оксид: той реагира с алкали (например причинява помътняване на варовата вода), с основни оксиди и с вода.

Не гори и не поддържа горене и затова се използва за гасене на пожари. Въпреки това, магнезият продължава да гори във въглероден диоксид, за да образува оксид и освобождава въглерод като сажди.

CO 2 + 2Mg \u003d 2MgO + C.

Въглеродният диоксид се получава чрез въздействие върху соли на въглеродна киселина - карбонати с разтвори на солна, азотна и дори оцетна киселина. В лабораторията въглеродният диоксид се получава чрез действието на солна киселина върху креда или мрамор.

CaCO 3 + 2HCl \u003d CaCl 2 + H 2 O + C0 2.

В промишлеността въглеродният диоксид се произвежда чрез изгаряне на варовик:

CaCO 3 \u003d CaO + C0 2.

Въглеродният диоксид, в допълнение към вече споменатата област на приложение, се използва и за производството на газирани напитки и за производството на сода.

Когато въглеродният оксид (IV) се разтваря във вода, се образува въглеродна киселина H 2 CO 3, която е много нестабилна и лесно се разлага на първоначалните си компоненти - въглероден диоксид и вода.

Като двуосновна киселина въглеродната киселина образува две серии соли: средни - карбонати, например CaCO 3, и кисели - бикарбонати, например Ca (HCO 3) 2. От карбонатите само калиеви, натриеви и амониеви соли са разтворими във вода. Киселинните соли обикновено са разтворими във вода.

При излишък на въглероден диоксид в присъствието на вода карбонатите могат да се превърнат във въглеводороди. Така че, ако въглеродният диоксид преминава през варовита вода, тогава той първо ще стане мътен поради утаяването на неразтворим във вода калциев карбонат, но с по-нататъшно преминаване на въглероден диоксид, мътността изчезва в резултат на образуването на разтворим калциев бикарбонат :

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 \u003d Ca (HCO 3) 2.

Именно наличието на тази сол обяснява временната твърдост на водата. Защо временно? Тъй като при нагряване разтворимият калциев бикарбонат се превръща обратно в неразтворим карбонат:

Ca (HCO 3) 2 \u003d CaCO 3 ↓ + H 2 0 + C0 2.

Тази реакция води до образуване на котлен камък по стените на бойлери, тръби за парно отопление и битови чайници, а в природата в резултат на тази реакция в пещери се образуват причудливи сталактити, висящи надолу, към които отдолу растат сталагмити.

Други калциеви и магнезиеви соли, по-специално хлориди и сулфати, придават на водата постоянна твърдост. Постоянната твърдост на водата при кипене не може да бъде елиминирана. Трябва да използвате друг карбонат - сода.

Na 2 CO 3, който утаява тези Ca 2+ йони, например:

CaCl 2 + Na 2 CO 3 \u003d CaCO 3 ↓ + 2NaCl.

Содата може да се използва и за премахване на временната твърдост на водата.

Карбонатите и бикарбонатите могат да бъдат открити с помощта на киселинни разтвори: при излагане на киселини се наблюдава характерно „кипене“ поради освободения въглероден диоксид.

Тази реакция е качествена реакция към соли на въглена киселина.

Заключение

Целият живот на земята се основава на въглерод. Всяка молекула на живия организъм е изградена на базата на въглероден скелет. Въглеродните атоми непрекъснато мигрират от една част на биосферата (тясната обвивка на Земята, където съществува живот) в друга. Използвайки примера на въглеродния цикъл в природата, може да се проследи динамиката на живота на нашата планета в динамика.

Основните запаси от въглерод на Земята са под формата на въглероден диоксид, съдържащ се в атмосферата и разтворен в океаните, тоест въглероден диоксид (CO 2 ). Помислете първо за молекулите на въглеродния диоксид в атмосферата. Растенията абсорбират тези молекули, след което в процеса на фотосинтеза въглеродният атом се превръща в различни органични съединения и по този начин се включва в структурата на растенията. Следват няколко опции:

1. Въглеродът може да остане в растенията, докато растенията умрат. След това техните молекули ще бъдат изядени от декомпозитори (организми, които се хранят с мъртва органична материя и в същото време я разграждат до прости неорганични съединения), като гъбички и термити. В крайна сметка въглеродът ще се върне в атмосферата като CO 2 ;

2. Растенията могат да се ядат от тревопасни. В този случай въглеродът или ще се върне в атмосферата (по време на дишането на животните и по време на тяхното разлагане след смъртта), или тревопасните животни ще бъдат изядени от месоядни (и тогава въглеродът отново ще се върне в атмосферата по същите начини);

3. Растенията могат да умрат и да попаднат под земята. След това в крайна сметка те ще се превърнат в изкопаеми горива - например във въглища.

В случай на разтваряне на оригиналната молекула CO 2 в морска вода също са възможни няколко варианта:

Въглеродният диоксид може просто да се върне в атмосферата (този тип взаимен обмен на газ между океаните и атмосферата се случва през цялото време);

Въглеродът може да влезе в тъканите на морските растения или животни. След това постепенно ще се натрупа под формата на утайки на дъното на океаните и в крайна сметка ще се превърне във варовик или отново ще премине от утайките в морска вода.

След като въглеродът бъде включен в утайки или изкопаеми горива, той се отстранява от атмосферата. По време на съществуването на Земята, изтегленият по този начин въглерод е бил заменен от въглероден диоксид, отделян в атмосферата по време на вулканични изригвания и други геотермални процеси. В съвременните условия към тези природни фактори се добавят и емисиите от човешкото изгаряне на изкопаеми горива. Поради влиянието на CO 2 върху парниковия ефект, изследването на въглеродния цикъл се превърна във важна задача за атмосферните учени.

Неразделна част от тези търсения е да се определи количеството CO 2, присъстващо в растителните тъкани (например в новозасадена гора) - учените наричат ​​това въглероден поглътител. Докато правителствата по света се опитват да постигнат международно споразумение за ограничаване на емисиите на CO 2 , въпросът за баланса между въглеродните поглътители и въглеродните емисии в отделните страни се превърна в основна ябълка на раздора за индустриализираните страни. Учените обаче се съмняват, че натрупването на въглероден диоксид в атмосферата може да бъде спряно само от горски насаждения.

Въглеродът постоянно циркулира в земната биосфера по затворени взаимосвързани пътища. В момента ефектите от изгарянето на изкопаеми горива се добавят към естествените процеси.

Литература:

1. Ахметов Н.С. Химия 9 клас: учебник. за общо образование учебник заведения. - 2-ро изд. – М.: Просвещение, 1999. – 175 с.: ил.

2. Габриелян О.С. Химия 9 клас: учебник. за общо образование учебник заведения. - 4-то изд. - М.: Дропла, 2001. - 224 с.: ил.

3. Габриелян О.С. Химия 8-9 клас: метод. надбавка. - 4-то изд. – М.: Дропла, 2001. – 128 с.

4. Ерошин Д.П., Шишкин Е.А. Методи за решаване на задачи по химия: учебник. надбавка. – М.: Просвещение, 1989. – 176 с.: ил.

5. Кременчугская М. Химия: Наръчник за ученици. – М.: Филол. Общество "WORD": LLC "Publishing House AST", 2001. - 478 с.

6. Крицман В.А. Христоматия по неорганична химия. – М.: Просвещение, 1986. – 273 с.

Въглеродът е може би основният и най-удивителен химичен елемент на Земята, защото с негова помощ се образуват огромен брой различни съединения, както неорганични, така и органични. Въглеродът е в основата на всички живи същества, можем да кажем, че въглеродът, заедно с водата и кислорода, е в основата на живота на нашата планета! Въглеродът има различни форми, които не са сходни нито по своите физикохимични свойства, нито по външен вид. Но всичко е въглерод!

История на откриването на въглерода

Въглеродът е познат на човечеството от древни времена. Древните гърци са използвали графит и въглища, а в Индия – диаманти. Вярно е, че подобни на вид съединения често се бъркат с графит. Въпреки това, графитът е бил широко използван в древността, по-специално за писане. Дори името му идва от гръцката дума "графо" - "пиша". Сега графитът се използва в моливите. За първи път с диаманти се търгува в Бразилия през първата половина на 18 век, оттогава са открити много находища, а през 1970 г. е разработена технология за получаване на изкуствени диаманти. Такива изкуствени диаманти се използват в индустрията, а естествените от своя страна се използват в бижутерията.

въглерод в природата

Най-значителното количество въглерод се събира в атмосферата и хидросферата под формата на въглероден диоксид. Атмосферата съдържа около 0,046% въглерод и дори повече - в разтворена форма в Световния океан.

Освен това, както видяхме по-горе, въглеродът е основата на живите организми. Например 70 кг човешко тяло съдържа около 13 кг въглерод! Това е само в един човек! Въглеродът също се намира във всички растения и животни. Така че помислете...

Въглеродният цикъл в природата

Алотропни модификации на въглерода

Въглеродът е уникален химичен елемент, който образува така наречените алотропни модификации или по-просто различни форми. Тези модификации са разделени на кристални, аморфни и под формата на клъстери.

Кристалните модификации имат правилната кристална решетка. Тази група включва: диамант, фулерит, графит, лонсдейлит, въглеродни влакна и тръби. По-голямата част от кристалните модификации на въглерода са на първо място в класацията "Най-твърдите материали в света".

Аморфните форми се образуват от въглерод с малки примеси от други химични елементи. Основните представители на тази група: въглища (каменни, дървени, активирани), сажди, антрацит.

Най-сложните и високотехнологични са въглеродните съединения под формата на клъстери. Клъстерите са специална структура, в която въглеродните атоми са подредени по такъв начин, че образуват куха форма, която е пълна отвътре с атоми на други елементи, като вода. В тази група няма толкова много представители, тя включва въглеродни наноконуси, астралени и дикарбон.

Приложение на карбон

Въглеродът и неговите съединения са от голямо значение за човешкия живот. Въглеродът образува основните видове гориво на Земята - природен газ и нефт. Въглеродните съединения се използват широко в химическата и металургичната промишленост, в строителството, инженерството и медицината. Алотропни модификации под формата на диаманти се използват в бижутерията, фулерит и лонсдейлит в ракетната наука. От въглеродни съединения се правят различни смазочни материали за механизми, техническо оборудване и много други. Днешната промишленост не може без въглерод, той се използва навсякъде!

Разглеждането на структурните характеристики на въглеродния атом и неговото електронно състояние е от основно значение за правилното разбиране на теорията за химическата структура. Помислете първо за позицията на въглерода в периодичната система (PS). За удобство на характеризиране на елемента чрез PS може да се използва следният алгоритъм:

Сериен номерелемент (#) го дефинира ядрен заряд (заряд номер Z), и следователно броят на протоните N$p^+$ (символът на протона е $p_1^+$) и общият брой на електроните N$\bar(e)$ (символът на електрона е $\bar(e)$) в ядрото. За въглерода серийният номер е 6, следователно ядрото на въглеродния атом се състои от 6 протона и 6 електрона. Схематично това разсъждение може да се запише по следния начин: №$ (C)=6 \Rightarrow Z = 6; \hspace(2pt)N\bar(e) = 6$.

Атомна масаелемент, или масово число на изотоп (A)е равна на сумата от масите на протоните и неутроните (означението на неутроните е $n_1^0$) в ядрото, следователно броят на неутроните N може да бъде изчислен от разликата.За въглерода атомната маса е 12 a.u.m.u, следователно броят на неутроните във въглеродния атом е 6.Схематичен запис: $A(C) =12 \textrm(amu) \Rightarrow N =A-Z=12-6=6$.

номер на периода,в който се намира елементът в ПС, е числено равно на основен (радиален)квантово число nи определя броя на енергийните нива в атома. Понякога има друго обозначение на основното квантово число - $n_r$(според Зомерфелд). Въглеродът е във втория период на PS, следователно има две енергийни нива, основното квантово число е 2. Схематично обозначение: No. = 2 => n = 2.

Номер на групата, в който елементът се намира в PS, съответства на броя на електроните във външното енергийно ниво. Въглеродът се намира в група IV на основната подгрупа, следователно има 4 електрона на външно енергийно ниво.Схематично означение: No гр. = IV => N$\bar(e)_\textrm(valence)$ = 4.

Обобщавайки, може да се каже, че в основно (невъзбудено) състояниеима 4 валентни електрона на външното енергийно ниво на въглеродния атом, докато s-електроните образуват електронна двойка, а 2 p-електрона не са сдвоени.

За валентния електронен слой на въглеродния атом главното квантово число n е 2, орбиталното квантово число l е 0, което съответства на s-орбиталата и е равно на 1 за p-орбиталите; магнитно квантово число m = –l, 0, +l; т.е. m = 0 (за l = 0) и m = –1, 0, 1 (за l = 1).

Определение

Атомна орбитала (AO)наречено графично триизмерно изображение на електронната плътност, тоест областта на пространството, в която вероятността за намиране на електрон е максимална.

В органичните съединения въглеродният атом винаги е четиривалентен, което означава, че всичките 4 валентни електрона участват в образуването на химична връзка. Но в образуването на връзка участват само несдвоени електрони! За да се обясни несъответствието между концепцията за валентност и електронната структура на въглеродния атом, трябва да се приложи моделът възбудено състояние на въглеродния атом $C^*$, което позволява преминаването на електрон от 2s- към 2p-подниво:

В този случай енергията, изразходвана за прехода на електрона, се компенсира от енергията, освободена по време на образуването на две допълнителни връзки. Този модел обаче предполага, че електронът е в четири "чисти" орбитали - една s и три p.

Тогава във възбудено състояние на атома енергията на s-орбиталата трябва да бъде по-малка от енергията на образуване на p-орбиталите. Всъщност това не е вярно. Проучванията показват, че енергията на всичките четири орбитали, образувани в резултат на "скока" на електрона, е приблизително еднаква, съответно енергиите на образуване на връзки в молекула със същите хетероатоми (например водородни атоми в метан) също са приблизително равни и енергията на всяка от новообразуваните орбитали е по-голяма от енергията на "чистата" s-орбитала, но по-малка от енергията на "чистата" p-орбитала.

• Обозначение - C (Carbon);
• Период - II;
• Група - 14 (IVa);
• Атомна маса - 12.011;
• Атомен номер - 6;
• Радиус на атом = 77 pm;
• Ковалентен радиус = 77 pm;
• Разпределението на електроните - 1s 2 2s 2 2p 2;
• точка на топене = 3550°C;
• точка на кипене = 4827°C;
• Електроотрицателност (по Полинг / по Алпред и Рохов) = 2,55 / 2,50;
• Степен на окисление: +4, +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3, -4;
• Плътност (n.a.) \u003d 2,25 g / cm 3 (графит);
• Моларен обем = 5,3 cm 3 / mol.

Въглеродът под формата на въглен е известен на човека от незапомнени времена, следователно няма смисъл да се говори за датата на откриването му. Всъщност въглеродът получава името си през 1787 г., когато е публикувана книгата "Метод на химическата номенклатура", в която се появява терминът "въглерод" (carbone) вместо френското наименование "чисти въглища" (charbone pur).

Въглеродът има уникалната способност да образува полимерни вериги с неограничена дължина, като по този начин създава огромен клас съединения, които се изучават от отделен дял на химията - органичната химия. Органичните въглеродни съединения са в основата на живота на земята, следователно няма смисъл да се говори за значението на въглерода като химичен елемент - той е в основата на живота на Земята.

Сега разгледайте въглерода от гледна точка на неорганичната химия.

Ориз. Структурата на въглеродния атом.

Електронната конфигурация на въглерода е 1s 2 2s 2 2p 2 (виж Електронна структура на атомите). На външно енергийно ниво въглеродът има 4 електрона: 2 сдвоени на s-подниво + 2 несдвоени на p-орбиталите. Когато въглероден атом премине във възбудено състояние (изисква разходи за енергия), един електрон от s-поднивото "напуска" своята двойка и отива на p-подниво, където има една свободна орбитала. Така във възбудено състояние електронната конфигурация на въглеродния атом приема следната форма: 1s 2 2s 1 2p 3 .

Ориз. Преминаването на въглероден атом във възбудено състояние.

Такава "рокада" значително разширява валентните възможности на въглеродните атоми, които могат да приемат степента на окисление от +4 (в съединения с активни неметали) до -4 (в съединения с метали).

В невъзбудено състояние въглеродният атом в съединенията има валентност 2, например CO (II), а във възбудено състояние има 4: CO 2 (IV).

„Уникалността“ на въглеродния атом се състои във факта, че има 4 електрона на неговото външно енергийно ниво, следователно, за да завърши нивото (към което всъщност се стремят атомите на всеки химичен елемент), той може както да даде, така и прикрепете със същия "успех" електрони, за да образувате ковалентни връзки (вижте Ковалентна връзка).

Въглеродът като просто вещество

Като просто вещество въглеродът може да бъде под формата на няколко алотропни модификации:

• Диамант
• Графит
• фулерен
• Карабина

Диамант

Ориз. Кристалната решетка на диаманта.

Свойства на диаманта:

• безцветно кристално вещество;
• най-твърдото вещество в природата;
• има силен пречупващ ефект;
• лош проводник на топлина и електричество.

Ориз. Диамантен тетраедър.

Изключителната твърдост на диаманта се обяснява със структурата на неговата кристална решетка, която има формата на тетраедър - в центъра на тетраедъра има въглероден атом, който е свързан чрез еднакво силни връзки с четири съседни атома, които образуват върховете на тетраедъра (вижте фигурата по-горе). Такава "конструкция" от своя страна е свързана със съседни тетраедри.

Графит

Ориз. Графитна кристална решетка.

Свойства на графита:

• меко кристално вещество със сив цвят със слоеста структура;
• има метален блясък;
• провежда добре електричеството.

В графита въглеродните атоми образуват правилни шестоъгълници, разположени в една и съща равнина, организирани в безкрайни слоеве.

В графита химичните връзки между съседни въглеродни атоми се образуват от трите валентни електрона на всеки атом (показани в синьо на фигурата по-долу), докато четвъртият електрон (показан в червено) на всеки въглероден атом, разположен в p-орбитала , който лежи перпендикулярно на равнината на графитния слой, не участва в образуването на ковалентни връзки в равнината на слоя. Неговото „предназначение“ е друго – взаимодействайки със своя „събрат“, лежащ в съседния слой, той осигурява връзка между слоевете графит, а високата подвижност на p-електроните обуславя добрата електропроводимост на графита.

Ориз. Разпределение на орбиталите на въглеродния атом в графита.

фулерен

Ориз. Фулеренова кристална решетка.

Свойства на фулерена:

• фулеренова молекула е колекция от въглеродни атоми, затворени в кухи сфери като футболна топка;
• това е финокристално вещество с жълто-оранжев цвят;
• точка на топене = 500-600°C;
• полупроводник;
• е част от минерала шунгит.

Карабина

Свойства на карабината:

• инертно черно вещество;
• се състои от полимерни линейни молекули, в които атомите са свързани чрез редуващи се единични и тройни връзки;
• полупроводник.

Химични свойства на въглерода

При нормални условия въглеродът е инертно вещество, но при нагряване може да реагира с различни прости и сложни вещества.

Вече беше казано по-горе, че има 4 електрона на външното енергийно ниво на въглерода (нито там, нито тук), следователно въглеродът може както да дарява електрони, така и да ги приема, показвайки редуциращи свойства в някои съединения и окислителни свойства в други.

Въглеродът е редуциращ агентпри реакции с кислород и други елементи, които имат по-висока електроотрицателност (виж таблицата на електроотрицателността на елементите):

• когато се нагрява във въздуха, той изгаря (с излишък на кислород с образуването на въглероден диоксид; с липсата му - въглероден оксид (II)):
  C + O 2 \u003d CO 2;
  2C + O 2 \u003d 2CO.
• реагира при високи температури със серни пари, лесно взаимодейства с хлор, флуор:
  C+2S=CS2
  C + 2Cl 2 = CCl 4
  2F2+C=CF4
• при нагряване възстановява много метали и неметали от оксиди:
  C 0 + Cu +2 O \u003d Cu 0 + C +2 O;
  C 0 + C +4 O 2 \u003d 2C +2 O
• реагира с вода при температура 1000°C (процес на газификация), за да образува воден газ:
  C + H 2 O \u003d CO + H 2;

Въглеродът проявява окислителни свойства при реакции с метали и водород:

• реагира с метали за образуване на карбиди:
  Ca + 2C = CaC 2
• взаимодействайки с водорода, въглеродът образува метан:
  C + 2H 2 = CH 4

Въглеродът се получава чрез термично разлагане на неговите съединения или чрез пиролиза на метан (при висока температура):
CH 4 \u003d C + 2H 2.

Приложение на карбон

Въглеродните съединения са намерили най-широко приложение в националната икономика, не е възможно да се изброят всички, ще посочим само няколко:

• графитът се използва за производството на глини за моливи, електроди, тигли за топене, като модератор на неутрони в ядрени реактори, като смазка;
• диамантите се използват в бижутерията, като режещ инструмент, в сондажно оборудване, като абразивен материал;
• като редуциращ агент въглеродът се използва за получаване на някои метали и неметали (желязо, силиций);
• въглеродът съставлява по-голямата част от активния въглен, който е намерил най-широко приложение както в ежедневието (например като адсорбент за почистване на въздуха и разтвори), така и в медицината (таблетки с активен въглен) и в промишлеността (като носител за каталитичен добавки, катализатор на полимеризация и др.).

Въглеродът (C) е шестият елемент от периодичната таблица на Менделеев с атомно тегло 12. Елементът принадлежи към неметалите и има изотоп 14 C. Структурата на въглеродния атом е в основата на цялата органична химия, тъй като всички органични веществата включват въглеродни молекули.

въглероден атом

Позиция на въглерода в периодичната таблица на Менделеев:

• шести пореден номер;
• четвърта група;
• втори период.

Ориз. 1. Позицията на въглерода в периодичната таблица.

Въз основа на данните от таблицата можем да заключим, че структурата на атома на елемента въглерод включва две черупки, върху които са разположени шест електрона. Валентността на въглерода, който е част от органичните вещества, е постоянна и равна на IV. Това означава, че във външното електронно ниво има четири електрона, а във вътрешното - два.

От четирите електрона два заемат сферична 2s орбитала, а останалите два заемат 2p орбитала с форма на дъмбел. Във възбудено състояние един електрон се премества от 2s орбиталата към една от 2p орбиталите. Когато един електрон се движи от една орбитала към друга, се изразходва енергия.

Така един възбуден въглероден атом има четири несдвоени електрона. Конфигурацията му може да се изрази с формулата 2s 1 2p 3 . Това прави възможно образуването на четири ковалентни връзки с други елементи. Например в молекула метан (CH 4) въглеродът образува връзки с четири водородни атома - една връзка между s-орбиталите на водорода и въглерода и три връзки между p-орбиталите на въглерода и s-орбиталите на водорода.

Схемата на структурата на въглеродния атом може да бъде представена като +6C) 2) 4 или 1s 2 2s 2 2p 2.

Ориз. 2. Структурата на въглеродния атом.

Физически свойства

Въглеродът се среща естествено под формата на скали. Известни са няколко алотропни модификации на въглерода:

• графит;
• диамант;
• карабина;
• въглища;
• сажди.

Всички тези вещества се различават по структурата на кристалната решетка. Най-твърдото вещество - диамантът - има кубична форма на въглерод. При високи температури диамантът се превръща в графит с шестоъгълна структура.

Ориз. 3. Кристални решетки на графит и диамант.

Химични свойства

Атомната структура на въглерода и способността му да свързва четири атома от друго вещество определят химичните свойства на елемента. Въглеродът реагира с метали, за да образува карбиди:

• Ca + 2C → CaC 2;
• Cr + C → CrC;
• 3Fe + C → Fe 3 C.

Също така реагира с метални оксиди:

• 2ZnO + C → 2Zn + CO 2 ;
• PbO + C → Pb + CO;
• SnO 2 + 2C → Sn + 2CO.

При високи температури въглеродът реагира с неметали, по-специално с водород, образувайки въглеводороди:

C + 2H 2 → CH 4.

С кислорода въглеродът образува въглероден диоксид и въглероден оксид:

• C + O 2 → CO 2;
• 2C + O 2 → 2CO.

Въглеродният окис също се образува при взаимодействие с вода.