Вопросы о том, что такое агрегатное состояние, какими особенностями и свойствами обладают твердые вещества, жидкости и газы, рассматриваются в нескольких учебных курсах. Существует три классических состояния материи, со своими характерными чертами строения. Их понимание является важным моментом в постижении наук о Земле, живых организмах, производственной деятельности. Эти вопросы изучают физика, химия, география, геология, физическая химия и другие научные дисциплины. Вещества, находящиеся при определенных условиях в одном из трех базовых типов состояния, могут изменяться при повышении или понижении температуры, давления. Рассмотрим возможные переходы из одних агрегатных состояний в другие, как они осуществляются в природе, технике и повседневной жизни.

Что такое агрегатное состояние?

Слово латинского происхождения "aggrego" в переводе на русский язык означает «присоединять». Научный термин относится к состоянию одного и того же тела, вещества. Существование при определенных температурных значениях и разном давлении твердых тел, газов и жидкостей характерно для всех оболочек Земли. Помимо трех базовых агрегатных состояний, существует еще и четвертое. При повышенной температуре и неизменном давлении газ превращается в плазму. Чтобы лучше понять, что такое агрегатное состояние, необходимо вспомнить о мельчайших частицах, из которых состоят вещества и тела.

На схеме вверху показаны: а — газ; b — жидкость; с — твердое тело. На подобных рисунках кружочками обозначаются структурные элементы веществ. Это условное обозначение, на самом деле атомы, молекулы, ионы не являются сплошными шариками. Атомы состоят из положительно заряженного ядра, вокруг которого на большой скорости движутся отрицательно заряженные электроны. Знания о микроскопическом строении вещества помогают лучше понять различия, существующие между разными агрегатными формами.

Представления о микромире: от Древней Греции до XVII века

Первые сведения о частицах, из которых сложены физические тела, появились в Древней Греции. Мыслители Демокрит и Эпикур ввели такое понятие, как атом. Они считали, что эти мельчайшие неделимые частицы разных веществ обладают формой, определенными размерами, способны к движению и взаимодействию друг с другом. Атомистика стала наиболее передовым для своего времени учением Древней Греции. Но ее развитие затормозилось в средние века. Так как тогда ученых преследовала инквизиция римской католической церкви. Поэтому вплоть до нового времени не было внятной концепции, что такое агрегатное состояние вещества. Только после XVII века ученые Р. Бойль, М. Ломоносов, Д. Дальтон, А. Лавуазье сформулировали положения атомно-молекулярной теории, не утратившие своего значения и в наши дни.

Атомы, молекулы, ионы — микроскопические частицы строения материи

Значительный прорыв в понимании микромира произошел в XX веке, когда был изобретен электронный микроскоп. С учетом открытий, сделанных учеными ранее, удалось сложить стройную картину микромира. Теории, описывающие состояние и поведение мельчайших частиц вещества, довольно сложные, они относятся к области Для понимания особенностей разных агрегатных состояний материи достаточно знать названия и особенности основных структурных частиц, которые образуют разные вещества.

1. Атомы — химически неделимые частицы. Сохраняются в химических реакциях, но разрушаются в ядерных. Металлы и многие другие вещества атомарного строения имеют твердое агрегатное состояние при обычных условиях.
2. Молекулы — частицы, которые разрушаются и образуются в химических реакциях. кислород, вода, углекислый газ, сера. Агрегатное состояние кислорода, азота, диоксидов серы, углерода, кислорода при обычных условиях — газообразное.
3. Ионы — заряженные частицы, в которые превращаются атомы и молекулы, когда присоединяют или теряют электроны — микроскопические отрицательно заряженные частички. Ионное строение имеют многие соли, например поваренная, железный и медный купорос.

Есть вещества, частицы которых определенным образом расположены в пространстве. Упорядоченное взаимное положение атомов, ионов, молекул называют кристаллической решеткой. Обычно ионные и атомарные кристаллические решетки характерны для твердых веществ, молекулярные - для жидкостей и газов. Высокой твердостью отличается алмаз. Его атомная кристаллическая решетка образована атомами углерода. Но мягкий графит тоже состоит из атомов этого химического элемента. Только они по-другому расположены в пространстве. Обычное агрегатное состояние серы — твердое, но при высоких температурах вещество превращается в жидкость и аморфную массу.

Вещества в твердом агрегатном состоянии

Твердые тела при обычных условиях сохраняют объем и форму. Например, песчинка, крупинка сахара, соли, кусок горной породы или металла. Если нагревать сахар, то вещество начинает плавиться, превращаясь в вязкую коричневую жидкость. Прекратим нагревание — снова получим твердое вещество. Значит, одно из главных условий перехода твердого тела в жидкость — его нагревание или повышение внутренней энергии частиц вещества. Твердое агрегатное состояние соли, которую используют в пищу, тоже можно изменить. Но чтобы расплавить поваренную соль, нужна более высокая температура, чем при нагревании сахара. Дело в том, что сахар состоит из молекул, а поваренная соль - из заряженных ионов, которые сильнее притягиваются друг к другу. Твердые вещества в жидком виде не сохраняют свою форму, потому что кристаллические решетки разрушаются.

Жидкое агрегатное состояние соли при расплавлении объясняется разрывом связи между ионами в кристаллах. Освобождаются заряженные частички, которые могут переносить электрические заряды. Расплавы солей проводят электричество, являются проводниками. В химической, металлургической и машиностроительной промышленности твердые вещества превращают в жидкие для получения из них новых соединений или придания им разной формы. Большое распространение получили сплавы металлов. Есть несколько способов их получения, связанных с изменениями агрегатного состояния твердого сырья.

Жидкость — одно из базовых агрегатных состояний

Если налить в круглодонную колбу 50 мл воды, то можно заметить, что вещество сразу же примет форму химического сосуда. Но как только мы выльем воду из колбы, то жидкость сразу же растечется по поверхности стола. Объем воды останется тот же — 50 мл, а ее форма изменится. Перечисленные особенности характерны для жидкой формы существования материи. Жидкостями являются многие органические вещества: спирты, растительные масла, кислоты.

Молоко — эмульсия, т. е. жидкость, в которой находятся капельки жира. Полезное жидкое ископаемое — нефть. Добывают ее из скважин с помощью буровых вышек на суше и в океане. Морская вода тоже является сырьем для промышленности. Ее отличие от пресной воды рек и озер заключается в содержании растворенных веществ, в основном солей. При испарении с поверхности водоемов в парообразное состояние переходят только молекулы Н 2 О, растворенные вещества остаются. На этом свойстве основаны методы получения полезных веществ из морской воды и способы ее очистки.

При полном удалении солей получают дистиллированную воду. Она кипит при 100 °С, замерзает при 0 °С. Рассолы кипят и превращаются в лед при других температурных показателях. Например, вода в Северном Ледовитом океане замерзает при температуре на поверхности 2 °С.

Агрегатное состояние ртути при обычных условиях — жидкость. Этим серебристо-серым металлом обычно заполняют медицинские термометры. При нагревании столбик ртути поднимается по шкале, происходит расширение вещества. Почему же в используется подкрашенный красной краской спирт, а не ртуть? Объясняется это свойствами жидкого металла. При 30-градусных морозах агрегатное состояние ртути меняется, вещество становится твердым.

Если медицинский термометр разбился, а ртуть вылилась, то собирать руками серебристые шарики опасно. Вредно вдыхать пары ртути, это вещество очень токсичное. Детям в таких случаях надо обратиться за помощью к родителям, взрослым.

Газообразное состояние

Газы не способны сохранять ни свой объем, ни форму. Заполним колбу доверху кислородом (его химическая формула О 2) . Как только мы откроем колбу, молекулы вещества начнут смешиваться с воздухом в помещении. Это происходит благодаря броуновскому движению. Еще древнегреческий ученый Демокрит считал, что частички вещества находятся в постоянном движении. В твердых телах при обычных условиях у атомов, молекул, ионов нет возможности покинуть кристаллическую решетку, освободиться от связей с другими частицами. Такое возможно только при поступлении большого количества энергии извне.

В жидкостях расстояние между частицами немного больше, чем в твердых телах, им требуется меньше энергии для разрыва межмолекулярных связей. К примеру, жидкое агрегатное состояние кислорода наблюдается только при снижении температуры газа до −183 °C. При −223 °C молекулы О 2 образуют твердое вещество. При повышении температуры сверх приведенных значений кислород превращается в газ. Именно в таком виде он находится при обычных условиях. На промышленных предприятиях действуют специальные установки для разделения воздуха атмосферы и получения из него азота и кислорода. Сначала воздух охлаждают и сжижают, а затем постепенно повышают температуру. Азот и кислород превращаются в газы при разных условиях.

Атмосфера Земли содержит 21 % по объему кислорода и 78 % азота. В жидком виде эти вещества в газовой оболочке планеты не встречаются. Жидкий кислород имеет светло-синий цвет, им при высоком давлении заполняют баллоны для использования в медицинских учреждениях. В промышленности и строительстве сжиженные газы необходимы для проведения очень многих процессов. Кислород нужен для газовой сварки и резки металлов, в химии — для реакций окисления неорганических и органических веществ. Если открыть вентиль кислородного баллона, давление уменьшается, жидкость превращается в газ.

Сжиженные пропан, метан и бутан находят широкое применение в энергетике, на транспорте, в промышленности и хозяйственно-бытовой деятельности населения. Получают эти вещества из природного газа или при крекинге (расщеплении) нефтяного сырья. Углеродные жидкие и газообразные смеси играют важную роль в экономике многих стран. Но запасы нефти и природного газа сильно истощены. По оценкам ученых, этого сырья хватит на 100-120 лет. Альтернативный источник энергии - воздушный поток (ветер). Используются для работы электростанций быстротекущие реки, приливы на берегах морей и океанов.

Кислород, как и другие газы, может находиться в четвертом агрегатном состоянии, представляя собой плазму. Необычный переход из твердого состояния в газообразное — характерная черта кристаллического йода. Вещество темно-фиолетового цвета подвергается сублимации — превращается в газ, минуя жидкое состояние.

Как осуществляются переходы из одной агрегатной формы материи в другую?

Изменения агрегатного состояния веществ не связаны с химическими превращениями, это физические явления. При повышении температуры многие твердые тела плавятся, превращаются в жидкости. Дальнейшее повышение температуры может привести к испарению, то есть к газообразному состоянию вещества. В природе и хозяйстве такие переходы характерны для одного из главных веществ на Земле. Лед, жидкость, пар — это состояния воды при разных внешних условиях. Соединение одно и то же, его формула — Н 2 О. При температуре 0 °С и ниже этого значения вода кристаллизуется, то есть превращается в лед. При повышении температуры возникшие кристаллики разрушаются — лед тает, вновь получается жидкая вода. При ее нагревании образуется Испарение — превращение воды в газ — идет даже при низких температурах. Например, замерзшие лужи постепенно исчезают, потому что вода испаряется. Даже в морозную погоду мокрое белье высыхает, но только процесс этот более длительный, чем в жаркий день.

Все перечисленные переходы воды из одного состояния в другое имеют огромное значение для природы Земли. Атмосферные явления, климат и погода связаны с испарением воды с поверхности Мирового океана, переносом влаги в виде облаков и тумана на сушу, выпадением осадков (дождя, снега, града). Эти явления составляют основу Мирового круговорота воды в природе.

Как меняются агрегатные состояния серы?

При обычных условиях сера — это яркие блестящие кристаллы или светло-желтый порошок, т. е. это твердое вещество. Агрегатное состояние серы меняется при нагревании. Сначала при повышении температуры до 190 °C желтое вещество плавится, превращаясь в подвижную жидкость.

Если быстро вылить жидкую серу в холодную воду, то получается коричневая аморфная масса. При дальнейшем нагревании расплава серы он становится все более вязким, темнеет. При температуре свыше 300 °C агрегатное состояние серы снова изменяется, вещество приобретает свойства жидкости, становится подвижным. Эти переходы возникают благодаря способности атомов элемента образовывать цепочки разной длины.

Почему вещества могут находиться в разных физических состояниях?

Агрегатное состояние серы — простого вещества — твердое при обычных условиях. Диоксид серы — газ, серная кислота — маслянистая жидкость тяжелее воды. В отличие от соляной и азотной кислот она не летучая, с ее поверхности не испаряются молекулы. Какое агрегатное состояние имеет пластическая сера, которую получают при нагревании кристаллов?

В аморфном виде вещество имеет структуру жидкости, обладая незначительной текучестью. Но пластическая сера одновременно сохраняет форму (как твердое вещество). Существуют жидкие кристаллы, обладающие рядом характерных свойств твердых веществ. Таким образом, состояние вещества при разных условиях зависит от его природы, температуры, давления и других внешних условий.

Какие существуют особенности в строении твердых тел?

Имеющиеся различия между основными агрегатными состояниями материи объясняются взаимодействием между атомами, ионами и молекулами. Например, почему твердое агрегатное состояние вещества приводит к способности тел сохранять объем и форму? В кристаллической решетке металла или соли структурные частицы притягиваются другу к другу. В металлах положительно заряженные ионы взаимодействуют с так называемым «электронным газом» — скоплением свободных электронов в куске металла. Кристаллы солей возникают благодаря притяжению разноименно заряженных частиц — ионов. Расстояние между вышеперечисленными структурными единицами твердых тел намного меньше, чем размеры самих частиц. В этом случае действует электростатическое притяжение, оно придает прочность, а отталкивание недостаточно сильное.

Чтобы разрушить твердое агрегатное состояние вещества, надо приложить усилия. Металлы, соли, атомные кристаллы плавятся при очень высоких температурах. К примеру, железо становится жидким при температуре выше 1538 °С. Тугоплавким является вольфрам, из него изготавливают нити накаливания для электрических лампочек. Есть сплавы, которые становятся жидкими при температурах свыше 3000 °С. Многие на Земле находятся в твердом состоянии. Добывают это сырье с помощью техники в шахтах и карьерах.

Для отрыва даже одного иона от кристалла необходимо затратить большое количество энергии. Но ведь достаточно растворить соль в воде, чтобы кристаллическая решетка распалась! Это явление объясняется удивительными свойствами воды как полярного растворителя. Молекулы Н 2 О взаимодействуют с ионами соли, разрушая химическую связь между ними. Таким образом, растворение — это не простое перемешивание разных веществ, а физико-химическое взаимодействие между ними.

Как взаимодействуют молекулы жидкостей?

Вода может быть жидкостью, твердым веществом и газом (паром). Это ее основные агрегатные состояния при обычных условиях. Молекулы воды состоят из одного атома кислорода, с которым связаны два атома водорода. Возникает поляризация химической связи в молекуле, на атомах кислорода появляется частичный отрицательный заряд. Водород становится положительным полюсом в молекуле, притягивается атомом кислорода другой молекулы. Это получило название «водородная связь».

Жидкое агрегатное состояние характеризуют расстояния между структурными частицами, сравнимые с их размерами. Притяжение существует, но оно слабое, поэтому вода не сохраняет форму. Парообразование происходит из-за разрушения связей, которое идет на поверхности жидкости даже при комнатной температуре.

Существуют ли межмолекулярные взаимодействия в газах?

Газообразное состояние вещества по ряду параметров отличается от жидкого и твердого. Между структурными частицами газов существуют большие промежутки, намного превышающие размеры молекул. При этом силы притяжения совсем не действуют. Газообразное агрегатное состояние характерно для веществ, присутствующих в составе воздуха: азота, кислорода, диоксида углерода. На рисунке ниже первый куб заполнен газом, второй жидкостью, а третий — твердым вещество.

Многие жидкости являются летучими, с их поверхности отрываются и переходят в воздух молекулы вещества. Например, если к отверстию открытой бутылки с соляной кислотой поднести ватку, смоченную в нашатырном спирте, то появляется белый дым. Прямо в воздухе происходит химическая реакция между соляной кислотой и аммиаком, получается хлорид аммония. В каком агрегатном состоянии находится это вещество? Его частички, образующие белый дым, представляют собой мельчайшие твердые кристаллы соли. Этот опыт надо проводить под вытяжкой, вещества являются токсичными.

Заключение

Агрегатное состояние газа изучали многие выдающиеся физики и химики: Авогадро, Бойль, Гей-Люссак, Клайперон, Менделеев, Ле-Шателье. Ученые сформулировали законы, объясняющие поведение газообразных веществ в химических реакциях, при изменении внешних условий. Открытые закономерности не только вошли в школьные и вузовские учебники физики и химии. Многие химические производства основаны на знаниях о поведении и свойствах веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях.

Химия

НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. ЭЛЕМЕНТЫ И ИХ СОЕДИНЕНИЯ

7. Углерод

Свойства 6 С .

Атомная масса		кларк, ат.% (распространненость в природе)
Электронная конфигурация*		Агрегатное состояние	твердое вещество
			алмаз –бесцв. графит - серый
Энергия ионизации			5000 (алмаз)
Относительная электро- отрицательность		Плотность	алмаз – 3,51 графит – 2,2
Возможные степени окисления		Стандартный электродный потенциал

*Приведена конфигурация внешних электронных уровней атома элемента. Конфигурация остальных электронных уровней совпадает с таковой для благородного газа, завершающего предыдущий период и указанного в скобках.

Изотопы углерода.

Углерод имеет два устойчивых изотопа: 12 С (98,892%) и 13 С (1,108%). Очень важен радиоактивный изотоп углерода 14 С, испускающий b -лучи с периодом полураспада Т 1/2 = 5570 лет. С помощью радиоуглеродного анализа путем определения концентрации изотопа 14 С ученые смогли довольно точно датировать возраст углеродсодержащих пород, археологических находок, геологических событий.

Нахождение в природе. В природе углерод встречается в виде алмаза карбина и графита, в соединениях – в виде каменного и бурого углей и нефти. Входит в состав природных карбонатов: известняка, мрамора, мела

CaCO 3 , доломита CaCO 3Ч MgCO 3 . Является важной составной частью органических веществ.

Физические свойства. Атом углерода имеет 6 электронов, 2 из которых образуют внутренний слой

(1s 2), a 4 - внешний (2s 2 2p 2 ). Связи углерода с другими элементами преимущественно ковалентны. Обычная валентность углерода - IV. Замечательная особенность атомов углерода - способность соединяться между собой с образованием прочных длинных цепей, в том числе замкнутых. Число таких соединений огромно, все они составляют предмет органической химии .

Различие аллотропных модификаций углерода - яркий пример влияния кристаллического строения твердых веществ на их физические свойства. В графите атомы углерода находятся в состоянии

sp 2 - гибридизации и расположены в параллельных слоях, образуя гексагональную сетку. Внутри слоя атомы связаны гораздо сильнее, чем между слоями, поэтому свойства графита сильно различаются по разным направлениям. Так, способность графита к расслаиванию связана с разрывом более слабых межслойных связей по плоскостям скольжения.

При очень высоких давлениях и нагревании без доступа воздуха из графита может быть получен искусственный алмаз. В кристалле алмаза атомы углерода находятся в состоянии

sp 3 -гибридизации, и поэтому все связи эквивалентны и очень прочны. Атомы образуют непрерывный трехмерный каркас. Алмаз - самое твердое вещество, найденное в природе.

Менее известны два других аллотропа углерода - карбин и фуллерен.

Химические свойства. Углерод в свободном состоянии является типичным восстановителем. При окислении кислородом в избытке воздуха он превращается в оксид углерода (IV):

при недостатке - в оксид углерода (II):

Обе реакции сильно экзотермичны.

При нагревании углерода в атмосфере оксида углерода (IV) образуется угарный газ:

Углерод восстанавливает многие металлы из их оксидов:

Так протекают реакции с оксидами кадмия, меди, свинца. При взаимодействии углерода с оксидами щелочноземельных металлов, алюминия и некоторых других металлов образуются карбиды:

Объясняется это тем, что активные металлы - более сильные восстановители, чем углерод, поэтому при нагревании образующиеся металлы окисляются избытком углерода, давая карбиды:

Оксид углерода (II).

При неполном окислении углерода образуется оксид углерода (II) СО - угарный газ. В воде он плохо растворим. Формальная степень окисления углерода 2+ не отражает строение молекулы СО. В молекуле СО, помимо двойной связи, образованной обобществлением электронов углерода и кислорода, имеется дополнительная, третья связь (изображена стрелкой), образованная по донорно-акцепторному механизму за счет неподеленной пары электронов кислорода:

В связи с этим молекула СО крайне прочна. Оксид углерода (II) является несолеобразующим и не взаимодействует в обычных условиях с водой, кислотами и щелочами. При повышенных температурах он склонен к реакциям присоединения и окисления-восстановления. На воздухе СО горит синим пламенем:

Он восстанавливает металлы из их оксидов:

Под действием облучения на прямом солнечном свету или в присутствии катализаторов СО соединяется с

Cl 2 , образуя фосген - крайне ядовитый газ:

В природе оксид углерода (II) практически не встречается.

Он может образовываться при обезвоживании муравьиной кислоты (лабораторный способ получения):

Исходя из последнего превращения чисто формально можно считать СО ангидридом, муравьиной кислоты. Это подтверждается следующей реакцией, которая происходит при пропускании СО в расплав щелочи при высоком давлении:

Карбонилы переходных металлов.

Со многими металлами СО образует летучие карбонилы:

Ковалентная связь

Ni- С в молекуле карбонила никеля образуется по донорно-акцепторному механизму, причем электронная плотность смещается от атома углерода к атому никеля. Увеличение отрицательного заряда на атоме металла компенсируется участием его d-электронов в связи, поэтому степень окисления металла равна 0. При нагревании карбонилы металлов разлагаются на металл и оксид углерода (II), что используется для получения металлов особой чистоты.

Оксид углерода (IV). Оксид углерода (IV) является ангидридом угольной кислоты Н

2 СО 3 и обладает всеми свойствами кислотных оксидов.

При растворении

CO 2 в воде частично образуется угольная кислота, при этом в растворе существует следующее равновесие:

Существование равновесия объясняется тем, что угольная кислота является очень слабой кислотой (К

1 = 4Ч 10 -7 , К 2 = 5Ч 10 -11 при 25 °С). В свободном виде угольная кислота неизвестна, так как она неустойчива и легко разлагается. Угольная кислота. В молекуле угольной кислоты атомы водорода связаны с атомами кислорода:

Как двухосновная она диссоциирует ступенчато. Угольная кислота относится к слабым электролитам.

Угольная кислота как двухосновная образует средние соли - карбонаты и кислые соли - гидрокарбонаты. Качественной реакцией на эти соли является действие на них сильных кислот. При этой реакции угольная кислота вытесняется из своих солей и разлагается с выделением углекислого газа:

Соли угольной кислоты.

Из солей угольной кислоты наибольшее практическое значение имеет сода Na 2 СО 3 . Эта соль образует несколько кристаллогидратов, из которых самым устойчивым является Na 2 СО 3Ч 10H 2 O (кристаллическая сода). При прокаливании кристаллической соды получают безводную, или кальцинированную, соду Na 2 СО 3 . Широко используется также питьевая сода NaH СО 3 . Из солей других металлов важное значение имеют: K 2 СО 3 (поташ) – белый порошок, хорошо растворимый в воде, содержится в золе растений, применяется в производстве жидкого мыла, оптического тугоплавкого стекла, пигментов; Ca СО 3 (известняк) – встречается в природе в виде мрамора, мела и известняка, которые применяют в строительном деле. из него получают известь и оксид углерода (IV).

Copyright © 2005-2013 Xenoid v2.0

Использование материалов сайта возможно при условии указания активной ссылки

УГЛЕРОД , С, химический элемент IV группы периодической системы, атомный вес 12,00, порядковый номер 6. До последнего времени углерод считался не имеющим изотопов; лишь недавно удалось с помощью особо чувствительных методов обнаружить существование изотопа С 13 . Углерод - один из важнейших элементов по распространенности, по многочисленности и разнообразию его соединений, по биологическому значению (как органоген), по обширности технического использования самого углерода и его соединений (как сырья и как источника энергии для промышленных и бытовых нужд) и наконец по своей роли в развитии химической науки. Углерод в свободном состоянии обнаруживает ярко выраженное явление аллотропии, известное уже более полутора веков, но до сих пор не вполне изученное как по причине чрезвычайной трудности получения углерода в химически чистом виде, так и потому, что большинство констант аллотропных модификаций углерода сильно меняется в зависимости от морфологических особенностей их структуры, обусловленных способом и условиями получения.

Углерод образует две кристаллические формы - алмаз и графит и кроме того известен в аморфном состоянии в виде т. н. аморфного угля . Индивидуальность последнего в результате недавних исследований оспаривалась: уголь отождествляли с графитом, рассматривая тот и другой как морфологические разновидности одной формы - «черного углерода», а разницу в их свойствах объясняли физической структурой и степенью дисперсности вещества. Однако в самое последнее время получены факты, подтверждающие существование угля как особой аллотропной формы (см. ниже).

Природные источники и запасы углерода . По распространенности в природе углерод занимает среди элементов 10-е место, составляя 0,013% атмосферы, 0,0025% гидросферы и около 0,35% всей массы земной коры. Большая часть углерода находится в форме кислородных соединений: в атмосферном воздухе содержится ~800 млрд. тонн углерода в виде двуокиси СО 2 ; в воде океанов и морей - до 50000 млрд. тонн углерода в виде СО 2 , иона угольной кислоты и бикарбонатов; в горных породах - нерастворимые карбонаты (кальция, магния и других металлов), причем на долю одного СаСО 3 приходится ~160·10 6 млрд. тонн углерода. Эти колоссальные запасы не представляют, однако, энергетической ценности; гораздо более ценными являются горючие углеродистые материалы - ископаемые угли, торф, затем нефть, углеводородные газы и другие природные битумы. Запас этих веществ в земной коре также довольно значителен: общая масса углерода в ископаемых углях достигает ~6000 млрд. тонн, в нефти ~10 млрд. тонн и т. д. В свободном состоянии углерод встречается довольно редко (алмаз и часть вещества графитов). Ископаемые угли почти или вовсе не содержат свободного углерода: они состоят гл. обр. из высокомолекулярных (полициклических) и весьма устойчивых соединений углерода с другими элементами (Н, О, N, S) еще очень мало изученных. Углеродистые соединения живой природы (биосферы земного шара), синтезируемые в растительных и животных клетках, отличаются чрезвычайным разнообразием свойств и количеств состава; наиболее распространенные в растительном мире вещества - клетчатка и лигнин - играют роль и в качестве энергетических ресурсов.

Углерод сохраняет постоянство распределения в природе благодаря непрерывному круговороту, цикл которого слагается из синтеза сложных органических веществ в растительных и животных клетках и из обратной дезагрегации этих веществ при их окислительном распаде (горение, гниение, дыхание), приводящем к образованию СО 2 , которая вновь используется растениями для синтеза. Общая схема этого круговорота м. б. представлена в следующем виде:

Получение углерода . Углеродистые соединения растительного и животного происхождения неустойчивы при высоких температурах и, будучи подвергнуты нагреванию не ниже 150-400°С без доступа воздуха, разлагаются, выделяя воду и летучие соединения углерода и оставляя твердый нелетучий остаток, богатый углеродом и обычно называемый углем . Этот пиролитический процесс носит название обугливания , или сухой перегонки , и широко применяется в технике. Высокотемпературный пиролиз ископаемых углей, нефти и торфа (при температуре 450-1150°С) приводит к выделению углерода в графитообразной форме (кокс, ретортный уголь). Чем выше температура обугливания исходных материалов, тем получаемый уголь или кокс ближе по составу к свободному углероду, а по свойствам - к графиту.

Аморфный же уголь, образующийся при температуре ниже 800°С, не м. б. рассматриваем как свободный углерод, ибо содержит значительные количества химически связанных других элементов, гл. обр. водорода и кислорода. Из технических продуктов к аморфному углю наиболее близки по свойствам активированный уголь и сажа. Наиболее чистый уголь м. б. получен обугливанием чистого сахара или пиперонала, специальной обработкой газовой сажи и т. п. Искусственный графит, полученный электротермическим путем, по составу представляет собою почти чистый углерод. Природный графит всегда бывает загрязнен минеральными примесями и кроме того содержит некоторое количество связанных водорода (Н) и кислорода (О); в относительно чистом состоянии он м. б. получен лишь после ряда специальных обработок: механического обогащения, промывки, обработки окислителями и прокаливания при высокой температуре до полного удаления летучих веществ. В технологии углерода никогда не имеют дела с совершенно чистым углеродом; это относится не только к натуральному углеродному сырью, но и к продуктам его обогащения, облагораживания и термического разложения (пиролиза). Ниже приведено содержание углерода в некоторых углеродистых материалах (в %):

Физические свойства углерода . Свободный углерод практически совершенно неплавок, нелетуч и при обыкновенной температуре нерастворим ни в одном из известных растворителей. Он растворяется только в некоторых расплавленных металлах, особенно при температуре, приближающихся к температуре кипения последних: в железе (до 5%), серебре (до 6%)| рутении (до 4%), кобальте, никеле , золоте и платине. При отсутствии кислорода углерод является наиболее жароупорным материалом; жидкое состояние для чистого углерода неизвестно, а превращение его в пар начинается лишь при температуре выше 3000°С. Поэтому определение свойств углерода производилось исключительно для твердого агрегатного состояния. Из модификаций углерода алмаз обладает наиболее постоянными физическими свойствами; свойства графита в различных его образцах (даже наиболее чистых) значительно варьируют; еще более непостоянны свойства аморфного угля. Важнейшие физические константы различных модификаций углерода сопоставлены в таблице.

Алмаз - типичный диэлектрик, в то время как графит и уголь обладают металлической электропроводностью. По абсолютной величине проводимость их меняется в очень широких пределах, но для углей она всегда ниже, чем для графитов; у графитов же приближается к проводимости настоящих металлов. Теплоемкость всех модификаций углерода при температуре >1000°С стремится к постоянному значению 0,47. При температуре ниже -180°С теплоемкость алмаза становится исчезающе малой и при -27°С она практически делается равной нулю.

Химические свойства углерода . При нагревании выше 1000°С как алмаз, так и уголь постепенно превращаются в графит, который поэтому следует рассматривать как наиболее устойчивую (в условиях высоких температур) монотропную форму углерода. Превращение аморфного угля в графит начинается по-видимому около 800°С и заканчивается при 1100°С (в этой последней точке уголь теряет свою адсорбционную активность и способность к реактивации, а электропроводность его резко возрастает, оставаясь в дальнейшем почти постоянной). Для свободного углерода характерна инертность при обычных температурах и значительная активность - при высоких. Наиболее активен в химическом отношении аморфный уголь, в то время как алмаз обладает наибольшей резистентностью. Так, например, фтор реагирует с углем при температуре 15°С, с графитом же лишь при 500°С, а с алмазом при 700°С. При нагревании на воздухе пористый уголь начинает окисляться ниже 100°С, графит около 650°С, алмаз же выше 800°С. При температуре 300°С и выше уголь соединяется с серой в сероуглерод CS 2 . При температуре выше 1800°С углерод (уголь) начинает взаимодействовать с азотом, образуя (в незначительных количествах) дициан C 2 N 2 . Взаимодействие углерода с водородом начинается при 1200°С, причем в интервале температур 1200-1500°С образуется только метан СН 4 ; выше 1500°С - смесь метана, этилена (С 2 Н 4) и ацетилена (С 2 Н 2); при температуре порядка 3000°С получается почти исключительно ацетилен. При температуре электрической дуги углерод вступает в прямое соединение с металлами, кремнием и бором, образуя соответствующие карбиды. Прямыми или косвенными путями м. б. получены соединения углерода со всеми известными элементами, кроме газов нулевой группы. Углерод - элемент неметаллического характера, проявляющий некоторые признаки амфотерности. Атом углерода имеет диаметр 1,50 Ᾰ (1Ᾰ = 10 -8 см) и содержит во внешней сфере 4 валентных электрона, которые с равной легкостью отдаются либо дополняются до 8; поэтому нормальная валентность углерода как кислородная, так и водородная равна четырем. В подавляющем большинстве своих соединений углерод четырехвалентен; лишь в незначительном числе известны соединения двухвалентного углерода (окись углерода и ее ацетали, изонитрилы, гремучая кислота и ее соли) и трехвалентного (т. н. «свободный радикал»).

С кислородом углерод образует два нормальных окисла: двуокись углерода СО 2 кислотного характера и нейтральную окись углерода СО. Кроме того существует ряд недокисей углерода , содержащих более 1 атома С, не имеющих технического значения; из них наиболее известна недокись состава С 3 О 2 (газ с температурой кипения +7°С и температурой плавления -111°С). Первым продуктом горения углерода и его соединений является СО 2 , образующаяся по уравнению:

С+О 2 = СО 2 +97600 cal.

Образование СО при неполном сгорании топлива есть результат вторичного восстановительного процесса; восстановителем в этом случае служит сам углерод, который при температуре выше 450°С реагирует с СО 2 по уравнению:

СО 2 +С = 2СО -38800 cal;

реакция эта обратима; выше 950°С превращение СО 2 в СО делается практически полным, что и осуществляется в газогенераторных печах. Энергичная восстановительная способность углерода при высоких температурах используется также при получении водяного газа (Н 2 О+С = СО+Н 2 -28380 cal) и в металлургических процессах - для получения свободного металла из его окисла. К действию некоторых окислителей аллотропные формы углерода относятся различно: например, смесь KCIO 3 + HNO 3 на алмаз совершенно не действует, аморфный уголь окисляется ею сполна в СО 2 , графит же дает соединения ароматического ряда - графитовые кислоты с эмпирической формулой (С 2 ОН)х и далее меллитовую кислоту С 6 (СООН) 6 . Соединения углерода с водородом – углеводороды - крайне многочисленны; от них генетически производится большинство остальных органических соединений, в которые кроме углерода входят чаще всего Н, О, N, S и галоиды.

Исключительное многообразие органических соединений, которых известно до 2 млн., обусловлено некоторыми особенностями углерода как элемента. 1) Для углерода характерна прочность химической связи с большинством остальных элементов как металлического, так и неметаллического характера, благодаря чему он образует достаточно устойчивые соединения и с теми и с другими. Вступая в сочетание с другими элементами, углерод весьма мало склонен к образованию ионов. Большая часть органических соединений - гомеополярного типа и в обычных условиях не диссоциирует; разрыв внутримолекулярных связей в них нередко требует затраты значительного количества энергии. При суждении о прочности связей следует однако различать; а) прочность связи абсолютную, измеряемую термохимическим путем, и б) способность связи разрываться под действием различных реагентов; эти две характеристики далеко не всегда совпадают. 2) Атомы углерода с исключительной легкостью связываются друг с другом (неполярно), образуя углеродные цепи , открытые или замкнутые. Длина таких цепей по-видимому не подвержена никаким ограничениям; так, известны вполне устойчивые молекулы с открытыми цепями из 64 атомов углерода. Удлинение и усложнение открытых цепей не отражается на прочности связи их звеньев между собою или с другими элементами. Среди замкнутых цепей наиболее легко образуются 6- и 5-членные кольца, хотя известны кольчатые цепи, содержащие от 3 до 18 углеродных атомов. Способность атомов углерода к взаимному соединению хорошо объясняет особые свойства графита и механизм процессов обугливания; она делает понятным и тот факт, что углерод неизвестен в форме двухатомных молекул С 2 , чего можно было бы ожидать по аналогии с другими легкими неметаллическими элементами (в парообразной форме углерод состоит из одноатомных молекул). 3) Благодаря неполярному характеру связей очень многие соединения углерода обладают химической инертностью не только внешней (медленность реагирования), но и внутренней (затрудненность внутримолекулярных перегруппировок). Наличие больших «пассивных сопротивлений» сильно затрудняет самопроизвольное превращение неустойчивых форм в устойчивые, часто сводя скорость такого превращения к нулю. Результатом этого является возможность реализации большого числа изомерных форм, практически одинаково устойчивых при обыкновенной температуре.

Аллотропия и атомная структура углерода . Рентгенографический анализ дал возможность с достоверностью установить атомную структуру алмаза и графита. Этот же метод исследования пролил свет и на вопрос о существовании третьей аллотропной модификации углерода, являющийся по сути дела вопросом об аморфности или кристалличности угля: если уголь - аморфное образование, то он не м. б. отождествлен ни с графитом, ни с алмазом, а должен рассматриваться как особая форма углерода, как индивидуальное простое вещество. В алмазе атомы углерода размещены т. о., что каждый атом лежит в центре тетраэдра, вершинами которого являются 4 смежных атома; каждый из последних в свою очередь является центром другого такого же тетраэдра; расстояния между смежными атомами равны 1,54 Ᾰ (ребро элементарного куба кристаллической решетки равно 3,55 Ᾰ). Такая структура является наиболее компактной; ей соответствуют высокая твердость, плотность и химическая инертность алмаза (равномерное распределение валентных сил). Взаимная связь атомов углерода в решетке алмаза такая же, как и в молекулах большинства органических соединений жирного ряда (тетраэдрическая модель углерода). В кристаллах графита атомы углерода расположены плотными слоями, отстоящими один от другого на 3,35-3,41 Ᾰ; направление этих слоев совпадает с плоскостями спайности и плоскостями скольжения при механических деформациях. В плоскости каждого слоя атомы образуют сетку с шестиугольными ячейками (роты); сторона такого шестиугольника равна 1,42-1,45 Ᾰ. В смежных слоях шестиугольники не лежат один под другим: совпадение их по вертикали повторяется лишь через 2 слоя в третьем. Три связи каждого атома углерода лежат в одной плоскости, образуя углы в 120°; 4-я связь направлена попеременно в ту или другую сторону от плоскости к атомам соседних слоев. Расстояния между атомами в слое строго постоянны, расстояние же между отдельными слоями м. б. изменено внешними воздействиями: так, при прессовании под давлением до 5000 atm оно уменьшается до 2,9 Ᾰ, а при набухании графита в концентрированной HNO 3 - увеличивается до 8 Ᾰ. В плоскости одного слоя атомы углерода связаны гомеополярно (как в углеводородных цепях), связи же между атомами смежных слоев имеют скорее металлический характер; это видно из того, что электропроводность кристаллов графита в направлении, перпендикулярном к слоям, в ~100 раз превышает проводимость по направлению слоя. Т. о. графит обладает свойствами металла в одном направлении и свойствами неметалла - в другом. Расположение атомов углерода в каждом слое решетки графита совершенно такое же, как в молекулах сложноядерных ароматических соединений. Такая конфигурация хорошо объясняет резкую анизотропность графита, исключительно развитую спайность, антифрикционные свойства и образование ароматических соединений при его окислении. Аморфная модификация черного углерода, по-видимому, существует как самостоятельная форма (О. Руфф). Для нее наиболее вероятным является пенообразное ячеистое строение, лишенное всякой правильности; стенки таких ячеек образованы слоями активных атомов углерода толщиною примерно в 3 атома. На практике активная субстанция угля залегает обычно под оболочкой из тесно расположенных неактивных атомов углерода, ориентированных графитообразно, и пронизана включениями очень мелких графитовых кристаллитов. Определенной точки превращения уголь→графит вероятно не имеется: между обеими модификациями осуществляется непрерывный переход, на протяжении которого происходит перестроение беспорядочно скученной массы С-атомов аморфного угля в правильную кристаллическую решетку графита. В силу своего беспорядочного расположения атомы углерода в аморфном угле проявляют максимум остаточного сродства, что (согласно представлениям Лангмюира о тождественности адсорбционных сил с силами валентными) соответствует столь характерной для угля высокой адсорбционной и каталитической активности. Атомы углерода, ориентированные в кристаллическую решетку, затрачивают на взаимное сцепление все свое сродство (в алмазе) или большую часть его (в графите); этому соответствует понижение химической активности и активности адсорбционной. У алмаза адсорбция возможна лишь на поверхности монокристалла, у графита же остаточная валентность может проявляться на обеих поверхностях каждой плоской решетки (в «щелях» между слоями атомов), что и подтверждается фактом способности графита к набуханию в жидкостях (HNO 3) и механизмом его окисления в графитовую кислоту.

Техническое значение углерода . Что касается б. или м. свободного углерода, получаемого при процессах обугливания и коксования, то его применение в технике основывается как на химических (инертность, восстановительная способность), так и на физических его свойствах (жаростойкость, электропроводность, адсорбционная способность). Так, кокс и древесный уголь, помимо частичной прямой утилизации их в качестве беспламенного топлива, используются для получения газообразного горючего (генераторных газов); в металлургии черных и цветных металлов - для восстановления металлических окислов (Fe, Сu, Zn, Ni, Сг, Мn, W, Mo, Sn, As, Sb, Bi); в химической технологии - как восстановитель при получении сульфидов (Na, Са, Ва) из сульфатов, безводных хлористых солей (Mg, Аl), из окисей металлов, при производстве растворимого стекла и фосфора - как сырье для получения карбида кальция, карборунда и других карбидов сероуглерода и т. д.; в строительном деле - как термоизолирующий материал. Ретортный уголь и кокс служат материалом для электродов электрических печей, электролитических ванн и гальванических элементов, для изготовления дуговых углей, реостатов, коллекторных щеток, плавильных тиглей и т. п., а также в качестве насадки в химической аппаратуре башенного типа. Древесный уголь кроме указанных выше применений идет для получения концентрированной окиси углерода, цианистых солей, для цементации стали, широко используется как адсорбент, как катализатор для некоторых синтетических реакций, наконец входит в состав дымного пороха и других взрывчатых и пиротехнических составов.

Аналитическое определение углерода . Качественно углерод определяется обугливанием пробы вещества без доступа воздуха (что пригодно далеко не для всех веществ) или, что гораздо надежнее, исчерпывающим окислением его, например, прокаливанием в смеси с окисью меди, причем образование СО 2 доказывается обычными реакциями. Для количественного определения углерода навеска вещества подвергается сожжению в атмосфере кислорода; образующаяся СО 2 улавливается раствором щелочи и определяется весовым или объемным путем по обычным методам количественного анализа. Этот способ годен для определения углерода не только в органических соединениях и технических углях, но также и в металлах.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Углерод - шестой элемент Периодической таблицы. Обозначение - С от латинского «carboneum». Расположен во втором периоде, IVА группе. Относится к неметаллам. Заряд ядра равен 6.

Углерод находится в природе как в свободном состоянии, так и в виде многочисленных соединений. Свободный углерод встречается в виде алмаза и графита. Кроме ископаемого угля, в недрах Земли находятся большие скопления нефти. В земной коре встречаются в огромных количествах соли угольной кислоты, особенно карбонат кальция. В воздухе всегда имеется диоксид углерода. Наконец, растительные и животные организмы состоят из веществ, в образовании которых участие принимает углерод. Таким образом, этот элемент - один из распространенных на Земле, хотя общее его содержание в земной коре составляет всего около 0,1% (масс.).

Атомная и молекулярная масса углерода

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии углерод существует в виде одноатомных молекул С, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 12,0064.

Аллотропия и аллотропные модификации углерода

В свободном состоянии углерод существует в виде алмаза, кристаллизующегося в кубической и гексагональной (лонсдейлит) системе, и графита, принадлежащего к гексагональной системе (рис. 1). Такие формы углерода, как древесный уголь, кокс или сажа имеют неупорядоченную структуру. Также есть аллотропные модификации, полученные синтетическим путем - это карбин и поликумулен - разновидности углерода, построенные из линейных цепных полимеров типа -C= C- или = C = C= .

Рис. 1. Аллотропные модификации углерода.

Известны также аллотропные модификации углерода, имеющие следующие названия: графен, фуллерен, нанотрубки, нановолокна, астрален, стеклоуглерож, колоссальные нанотрубки; аморфный углерод, углеродные нанопочки и углеродная нанопена.

Изотопы углерода

В природе углерод существует в виде двух стабильных изотопов 12 С (98,98%) и 13 С (1,07%). Их массовые числа равны 12 и 13 соответственно. Ядро атома изотопа углерода 12 С содержит шесть протонов и шесть нейтронов, а изотопа 13 С - такое же количество протонов и пять нейтронов.

Существует один искусственный (радиоактивный) изотоп углерода 14 Сс периодом полураспада равным 5730 лет.

Ионы углерода

На внешнем энергетическом уровне атома углерода имеется четыре электрона, которые являются валентными:

1s 2 2s 2 2p 2 .

В результате химического взаимодействия углерод может терять свои валентные электроны, т.е. являться их донором, и превращаться в положительно заряженные ионы или принимать электроны другого атома, т.е. являться их акцептором, и превращаться в отрицательно заряженные ионы:

С 0 -2e → С 2+ ;

С 0 -4e → С 4+ ;

С 0 +4e → С 4- .

Молекула и атом углерода

В свободном состоянии углерод существует в виде одноатомных молекул С. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу углерода:

Сплавы углерода

Наиболее известные сплавы углерода во всем мире - это сталь и чугун. Сталь - это сплав железа с углеродом, содержание углерода в котором не превышает 2%. В чугуне (тоже сплав железа с углеродом) содержание углерода выше - от 2-х до 4%.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Какой объем оксида углерода (IV) выделится (н.у.) при обжиге 500 г известняка, содержащего 0,1 массовую долю примесей.
Решение	Запишем уравнение реакции обжига известняка: CaCO 3 = CaO + CO 2 -. Найдем массу чистого известняка. Для этого сначала определим его массовую долю без примесей: w clear (CaCO 3) = 1 — w impurity = 1 - 0,1 = 0,9. m clear (CaCO 3) = m(CaCO 3) ×w clear (CaCO 3); m clear (CaCO 3) = 500 ×0,9 = 450 г. Рассчитаем количество вещества известняка: n(CaCO 3) = m clear (CaCO 3) / M(CaCO 3); n(CaCO 3) = 450 / 100 = 4,5 моль. Согласно уравнению реакции n(CaCO 3) :n(CO 2) = 1:1, значит n(CaCO 3) = n(CO 2) = 4,5 моль. Тогда, объем выделившегося оксида углерода (IV) будет равен: V(CO 2) = n(CO 2) ×V m ; V(CO 2) = 4,5 × 22,4 = 100,8 л.
Ответ	100,8 л

ПРИМЕР 2

Задание	Сколько потребуется раствора, содержащего 0,05 массовых долей, или 5% хлороводорода, для нейтрализации 11,2 г карбоната кальция?
Решение	Запишем уравнение реакции нейтрализации карбоната кальция хлороводородом: CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2 -. Найдем количество вещества карбоната кальция: M(CaCO 3) = A r (Ca) + A r (C) + 3×A r (O); M(CaCO 3) = 40 + 12 + 3×16 = 52 + 48 = 100 г/моль. n(CaCO 3) = m (CaCO 3) / M(CaCO 3); n(CaCO 3) = 11,2 / 100 = 0,112 моль. Согласно уравнению реакции n(CaCO 3) :n(HCl) = 1:2, значит n(HCl) = 2 ×n(CaCO 3) = 2 ×0,224 моль. Определим массу вещества хлороводорода, содержащуюся в растворе: M(HCl) = A r (H) + A r (Cl) = 1 + 35,5 = 36,5 г/моль. m(HCl) = n(HCl) ×M(HCl) = 0,224 × 36,5 = 8,176 г. Рассчитаем массу раствора хлороводорода: m solution (HCl) = m(HCl)× 100 / w(HCl); m solution (HCl) = 8,176 × 100 / 5 = 163,52 г.
Ответ	163,52 г

Углерод (С) – типичный неметалл; в периодической системе находится в 2-м периоде IV группе, главной подгруппе. Порядковый номер 6, Ar = 12,011 а.е.м., заряд ядра +6.

Физические свойства: углерод образует множество аллотропных модификаций: алмаз – одно из самых твердых веществ, графит, уголь, сажа .

Атом углерода имеет 6 электронов: 1s 2 2s 2 2p 2 . Последние два электрона располагаются на отдельных р-орбиталях и являются неспаренными. В принципе, эта пара могла бы занимать одну орбиталь, но в таком случае сильно возрастает межэлектронное отталкивание. По этой причине один из них занимает 2р х, а другой, либо 2р у , либо 2р z -орбитали.

Различие энергии s- и р-подуровней внешнего слоя невелико, поэтому атом довольно легко переходит в возбужденное состояние, при котором один из двух электронов с 2s-орбитали переходит на свободную 2р. Возникает валентное состояние, имеющее конфигурацию 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 . Именно такое состояние атома углерода характерно для решетки алмаза — тетраэдрическое пространственное расположение гибридных орбиталей, одинаковая длина и энергия связей.

Это явление, как известно, называют sp 3 -гибридизацией, а возникающие функции – sp 3 -гибридными. Образование четырех sp 3 -cвязeй обеспечивает атому углерода более устойчивое состояние, чем три р-р- и одна s-s-связи. Помимо sp 3 -гибридизации у атома углерода наблюдается также sp 2 — и sp-гибридизация. В первом случае возникает взаимное наложение s- и двух р-орбиталей. Образуются три равнозначные sp 2 — гибридных орбитали, расположенные в одной плоскости под углом 120° друг к другу. Третья орбиталь р неизменна и направлена перпендикулярно плоскости sp 2 .

При sp-гибридизации происходит наложение орбиталей s и р. Между двумя образующимися равноценными гибридными орбиталями возникает угол 180°, при этом две р-орбитали у каждого из атомов остаются неизменными.

Аллотрорпия углерода. Алмаз и графит

В кристалле графита атомы углерода расположены в параллельных плоскостях, занимая в них вершины правильных шестиугольников. Каждый из атомов углерода связан с тремя соседними sp 2 -гибридными связями. Между параллельными плоскостями связь осуществляется за счет ван-дер-ваальсовых сил. Свободные р-орбитали каждого из атомов направлены перпендикулярно плоскостям ковалентных связей. Их перекрыванием объясняется дополнительная π-связь между атомами углерода. Таким образом, от валентного состояния, в котором находятся атомы углерода в веществе, зависят свойства этого вещества .

Химические свойства углерода

Наиболее характерные степени окисления: +4, +2.

При низких температурах углерод инертен, но при нагревании его активность возрастает.

Углерод как восстановитель:

— с кислородом
C 0 + O 2 – t° = CO 2 углекислый газ
при недостатке кислорода — неполное сгорание:
2C 0 + O 2 – t° = 2C +2 O угарный газ

— со фтором
С + 2F 2 = CF 4

— с водяным паром
C 0 + H 2 O – 1200° = С +2 O + H 2 водяной газ

— с оксидами металлов. Таким образом выплавляют металл из руды.
C 0 + 2CuO – t° = 2Cu + C +4 O 2

— с кислотами – окислителями:
C 0 + 2H 2 SO 4 (конц.) = С +4 O 2 ­ + 2SO 2 ­ + 2H 2 O
С 0 + 4HNO 3 (конц.) = С +4 O 2 ­ + 4NO 2 ­ + 2H 2 O

— с серой образует сероуглерод:
С + 2S 2 = СS 2 .

Углерод как окислитель:

— с некоторыми металлами образует карбиды

4Al + 3C 0 = Al 4 C 3

Ca + 2C 0 = CaC 2 -4

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

C 0 + 2H 2 = CH 4

— с кремнием, образует карборунд (при 2000 °C в электропечи):

Нахождение углерода в природе

Ссвободный углерод встречается в виде алмаза и графита. В виде соединений углерод находится в составе минералов: мела, мрамора, известняка – СаСО 3 , доломита – MgCO 3 *CaCO 3 ; гидрокарбонатов – Mg(НCO 3) 2 и Са(НCO 3) 2 , СО 2 входит в состав воздуха; углерод является главной составной частью природных органических соединений – газа, нефти, каменного угля, торфа, входит в состав органических веществ, белков, жиров, углеводов, аминокислот, входящих в состав живых организмов.

Неорганические соединения углерода

Ни ионы С 4+ , ни С 4- ‑ ни при каких обычных химических процессах не образуются: в соединениях углерода имеются ковалентные связи различной полярности.

Оксид углерода (II) СО

Угарный газ; бесцветный, без запаха, малорастворим в воде, растворим в органических растворителях, ядовит, t°кип = -192°C; t пл. = -205°C.

Получение
1) В промышленности (в газогенераторах):
C + O 2 = CO 2

2) В лаборатории — термическим разложением муравьиной или щавелевой кислоты в присутствии H 2 SO 4 (конц.):
HCOOH = H 2 O + CO­

H 2 C 2 O 4 = CO­ + CO 2 ­ + H 2 O

Химические свойства

При обычных условиях CO инертен; при нагревании – восстановитель; несолеобразующий оксид.

1) с кислородом

2C +2 O + O 2 = 2C +4 O 2

2) с оксидами металлов

C +2 O + CuO = Сu + C +4 O 2

3) с хлором (на свету)

CO + Cl 2 – hn = COCl 2 (фосген)

4) реагирует с расплавами щелочей (под давлением)

CO + NaOH = HCOONa (формиат натрия)

5) с переходными металлами образует карбонилы

Ni + 4CO – t° = Ni(CO) 4

Fe + 5CO – t° = Fe(CO) 5

Оксид углерода (IV) СO 2

Углекислый газ, бесцветный, без запаха, растворимость в воде — в 1V H 2 O растворяется 0,9V CO 2 (при нормальных условиях); тяжелее воздуха; t°пл.= -78,5°C (твёрдый CO 2 называется «сухой лёд»); не поддерживает горение.

Получение

1. Термическим разложением солей угольной кислоты (карбонатов). Обжиг известняка:

CaCO 3 – t° = CaO + CO 2

1. Действием сильных кислот на карбонаты и гидрокарбонаты:

CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2 ­

NaHCO 3 + HCl = NaCl + H 2 O + CO 2 ­

Химические свойства СO 2
Кислотный оксид: реагирует с основными оксидами и основаниями, образуя соли угольной кислоты

Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3

2NaOH + CO 2 = Na 2 CO 3 + H 2 O

NaOH + CO 2 = NaHCO 3

При повышенной температуре может проявлять окислительные свойства

С +4 O 2 + 2Mg – t° = 2Mg +2 O + C 0

Качественная реакция

Помутнение известковой воды:

Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ¯(белый осадок) + H 2 O

Оно исчезает при длительном пропускании CO 2 через известковую воду, т.к. нерастворимый карбонат кальция переходит в растворимый гидрокарбонат:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Сa(HCO 3) 2

Угольная кислота и её соли

H 2 CO 3 — Кислота слабая, существует только в водном растворе:

CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3

Двухосновная:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 — Кислые соли — бикарбонаты, гидрокарбонаты
HCO 3 — ↔ H + + CO 3 2- Cредние соли — карбонаты

Характерны все свойства кислот.

Карбонаты и гидрокарбонаты могут превращаться друг в друга:

2NaHCO 3 – t° = Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 ­

Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 = 2NaHCO 3

Карбонаты металлов (кроме щелочных металлов) при нагревании декарбоксилируются с образованием оксида:

CuCO 3 – t° = CuO + CO 2 ­

Качественная реакция — «вскипание» при действии сильной кислоты:

Na 2 CO 3 + 2HCl = 2NaCl + H 2 O + CO 2 ­

CO 3 2- + 2H + = H 2 O + CO 2 ­

Карбиды

Карбид кальция:

CaO + 3 C = CaC 2 + CO

CaC 2 + 2 H 2 O = Ca(OH) 2 + C 2 H 2 .

Ацетилен выделяется при реакции с водой карбидов цинка, кадмия, лантана и церия:

2 LaC 2 + 6 H 2 O = 2La(OH) 3 + 2 C 2 H 2 + H 2 .

Be 2 C и Al 4 C 3 разлагаются водой с образованием метана:

Al 4 C 3 + 12 H 2 O = 4 Al(OH) 3 = 3 CH 4 .

В технике применяют карбиды титана TiC, вольфрама W 2 C (твердые сплавы), кремния SiC (карборунд – в качестве абразива и материала для нагревателей).

Цианиды

получают при нагревании соды в атмосфере аммиака и угарного газа:

Na 2 CO 3 + 2 NH 3 + 3 CO = 2 NaCN + 2 H 2 O + H 2 + 2 CO 2

Синильная кислота HCN – важный продукт химической промышленности, широко применяется в органическом синтезе. Ее мировое производство достигает 200 тыс. т в год. Электронное строение цианид-аниона аналогично оксиду углерода (II), такие частицы называют изоэлектронными:

C= O: [:C= N:] –

Цианиды (0,1-0,2%-ный водный раствор) применяют при добыче золота:

2 Au + 4 KCN + H 2 O + 0,5 O 2 = 2 K + 2 KOH.

При кипячении растворов цианидов с серой или сплавлении твердых веществ образуются роданиды :
KCN + S = KSCN.

При нагревании цианидов малоактивных металлов получается дициан: Hg(CN) 2 = Hg + (CN) 2 . Растворы цианидов окисляются до цианатов :

2 KCN + O 2 = 2 KOCN.

Циановая кислота существует в двух формах:

H-N=C=O; H-O-C= N:

В 1828 г. Фридрих Вёлер (1800-1882) получил из цианата аммония мочевину: NH 4 OCN = CO(NH 2) 2 при упаривании водного раствора.

Это событие обычно рассматривается как победа синтетической химии над «виталистической теорией».

Существует изомер циановой кислоты – гремучая кислота

H-O-N=C.
Ее соли (гремучая ртуть Hg(ONC) 2) используются в ударных воспламенителях.

Синтез мочевины (карбамида):

CO 2 + 2 NH 3 = CO(NH 2) 2 + H 2 O. При 130 0 С и 100 атм.

Мочевина является амидом угольной кислоты, существует и ее «азотный аналог» – гуанидин.

Карбонаты

Важнейшие неорганические соединения углерода – соли угольной кислоты (карбонаты). H 2 CO 3 – слабая кислота (К 1 =1,3·10 -4 ; К 2 =5·10 -11). Карбонатный буфер поддерживает углекислотное равновесие в атмосфере. Мировой океан обладает огромной буферной емкостью, потому что он является открытой системой. Основная буферная реакция – равновесие при диссоциации угольной кислоты:

H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 — .

При понижении кислотности происходит дополнительное поглощение углекислого газа из атмосферы с образованием кислоты:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3 .

При повышении кислотности происходит растворение карбонатных пород (раковины, меловые и известняковые отложения в океане); этим компенсируется убыль гидрокарбонатных ионов:

H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 —

CaCO 3 (тв.) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-

Твердые карбонаты переходят в растворимые гидрокарбонаты. Именно этот процесс химического растворения избыточного углекислого газа противодействует «парниковому эффекту» – глобальному потеплению из-за поглощения углекислым газом теплового излучения Земли. Примерно треть мирового производства соды (карбонат натрия Na 2 CO 3) используется в производстве стекла.