Углерод

Главная подгруппа IV группы

Общая электронная формула...ns²p². Элементы имеют четыре валентных электрона. В своих соединениях могут проявлять степени окисления от +4 до -4. В подгруппе наблюдается резкое изменение свойств элементов: углерод и кремний типичные неметаллы, германий - полуметалл, олово и свинец – металлы. С возрастанием радиуса атома от углерода к свинцу металлические свойства усиливаются, и более характерной становится низшая степень окисления. Для C, Si, Ge характерной является степень окисления +4. Для Sn и Pb +2. Устойчивые водородные соединения имеет только углерод, для свинца водородные соединения неизвестны.

Относится к элементам живой и неживой природы, входит в состав многих минералов и встречается в свободном состоянии (алмаз, графит, уголь). Известны четыре аллотропные модификации углерода: алмаз, графит, карбин, фуллерен. Алмаз и графит очень резко отличаются друг от друга, как по внешнему виду, так и по свойствам. Графит – черный, мягкий, жирный на ощупь. Алмаз – бесцветный, прозрачный, очень твердый. Разница определяется строением кристаллической решетки. Алмаз имеет тетраэдрическую кристаллическую решетку, кристаллическая решетка графита – многоплоскостная структура.

Графит легко получается из угля и алмаза при нагревании без доступа кислорода. Мелкодисперсный графит (сажа) носит название аморфный углерод. Из графита так же можно получить алмаз путем нагревания графита до 1500 – 2000^оС под давлением до 500 тыс. атм. Большинство искусственно полученных алмазов имеют темный цвет и пригодны только для технических нужд.

Химические свойства

1. При обычной температуре углерод достаточно инертен. При нагревании до 800 – 900^оС вступает в реакции с кислородом, азотом, кремнием, металлами:

2C + N₂ = C₂N₂ (циан или дициан)

C + Si = SiC (карборунд);

C + O₂ = CO₂

3C + 4Al = Al₄C₃ (карбид алюминия)

C + 2S = CS₂ (сероуглерод)

2. С кислородом углерод образует два оксида (CO и CO₂). СО - оксид двухвалентного углерода (угарный газ): без цвета и запаха, ядовит, получается при неполном сгорании угля. В лабораторных условиях можно получить обезвоживанием муравьиной кислоты серной кислотой. СО – хорошо горит, входит в состав коксового газа. СО – хороший восстановитель и широко используется в металлургии для получения металлов из оксидов:

CuO + CO = Cu + CO₂

СО легко вступает в реакции присоединения:

CO + Cl₂ = COCl₂ (фосген)

CO + S = COS (тиооксид углерода)

Молекулы СО – могут выступать в роли лигандов при образовании комплексных соединений (карбонильные комплексы):

Ni + 4CO = [Ni(CO)₄]

Карбонильные комплексы - ядовитые жидкости; широко используются для получения чистых металлов.

СО₂ – оксид углерода (IV), газ без цвета и запаха. Характерный кисловатый запах является следствием образования на слизистой оболочке носа угольной кислоты H₂CO₃. СО₂ малореакционноспособен, однако при высоких температурах взаимодействует с горящим магнием:

Mg + CO₂ = 2MgO + C

При температуре 1000^оС с аммиаком образует карбамид (мочевина):

СO₂ + 2NH₃ = CO(NH₂)₂ + H₂O + СО₂

Является кислотным оксидом угольной кислоты:

H₂O + СО₂ H₂CO₃ H⁺ + HCO₃ ^-

H₂CO₃ - кислота очень слабая и нестойкая. Ее соли Na₂CO₃, K₂CO₃, (NH)₂CO₃ – хорошо растворимы в воде. Многие соли угольной кислоты можно получить взаимодействием СО₂ с соответствующей щелочью или оксидом:

CO₂ + 2NaOH = Na₂CO₃ + H₂O

CO₂ + CaO = CaCO₃

Кислые соли (гидрокарбонаты) можно получить по реакции:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O = Ca(HCO₃)₂

Соли (кроме солей щелочных металлов) угольной кислоты термически нестойки:

ZnCO₃ = ZnO + CO₂­

Соли щелочных металлов при нагревании плавятся без разложения.

Применение СО₂: как инертная атмосфера при сварке металлов; в пищевой промышленности. NaHCO₃, NH₄HCO₃ – в хлебопекарном производстве. Na₂CO₃, CaCO₃ - в производстве моющих средств, стекла.

3. При пропускании через раскаленный уголь паров серы образуется тяжелая, маслянистая жидкость сероуглерод CS₂ – хороший растворитель лаков, красок, смол, каучуков. CS₂- является ангидридом тиоугольной кислоты, которая получается косвенным путем:

CS₂ + Na₂S = Na₂CS₃

Na₂CS₃ + 2HCl = H₂CS₃ + 2NaCl

Эта кислота является исходным веществом для получения монотиоугольной кислоты H₂CO₂S и дитиоугольной кислоты H₂CO₂S₂, которые используются для получения искусственного шелка.

4. С азотом углерод образует дициан, газ с запахом миндаля, хорошо растворимый в воде:

2C + N₂ = (CN)₂;

(CN)₂ + 4H₂O = (NH₄)₂C₂O₄

При взаимодействии дициана со щелочами образуются два ряда солей цианиды и цианаты:

(CN)₂ + 2KOH = KCN + KNCO + H₂O

KCN – соль цианистоводородной кислоты (цианид калия), KNCO – соль циановой кислоты (цианат калия).

Цианистоводородная (синильная) кислота HCN – бесцветная жидкость с запахом миндаля, сильнейший яд, в технике получается из аммиака и оксида углерода (II) при 500^оС с катализатором ThO₂. Эта кислота слабее угольной. Используется в органическом синтезе, в производстве “органического” стекла. Чаще применяются ее соли, которые получаются по реакции:

K₂CO₃ + C + 2NH₃ = 2KCN + 3H₂O

Цианиды используются в гидрометаллургии при извлечении золота из руды и производстве гексацианоферрата (II) калия K₄[Fe(CN)₆] (техническое наз­вание - желтая кровяная соль) и гексацианоферрата (III) калия K₃[Fe(CN)₆] (техническое название - красная кровяная соль).

Формула HNCO соответствует трем изомерам H-O-CºN (циановая кислота); H-N=C=O (изоциановая кислота); H-O-N=C (гремучая кислота).

Гремучая ртуть Hg(ONC)₂ используются как детонатор.

5. При взаимодействии углерода с металлами образуются карбиды – соединения в основном нестехиометрического состава Me₂C₂, MeC₂, Me₄C₃, Me₃C, которые делятся на разлагаемые (взаимодействуют с водой и кислотами) и неразлагаемые. При взаимодействии разлагаемых карбидов с водой или кислотой образуются ацетилен, метан, водород:

CaC₂ + 2H₂O = Ca(OH)₂ + C₂H₂­

Al₄C₃ + 12HCl = 4AlCl₃ + 3CH₄­

Mn₃C + 6H₂O = 3Mn(OH)₂ + CH₄­ + H₂ ­

6. Соединения углерода с галогенами получают косвенным путем, например по реакциям эамещения:

CH₄ + Cl₂ = CH₃Cl + HCl;

CH₃Cl + Cl₂ = CH₂CL₂ + HCl

CH₂Cl₂ + Cl₂ = CHCl₃ + HCl;

CHCl₃ + Cl₂ = CCl₄ + HCl

Смешанные галогениды CCl₂F₂, CCl₃F, CBr₃F называются фреонами и используются в качестве хладагентов в холодильной технике.

Дата добавления: 2014-12-16