Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Т а б л и ц а 1. Свойства углерода, кремния, германия, олова и свинца




Свойство C Si Ge Sn Pb
Атомный радиус, нм 0,077 0,118 0,139 0,158 0,175
Плотность, г/см3 3,51 (алмаз) 2,33 5,35 b-Sn 7,29 a-Sn 5,85 11,34
Относительная электроотрицательность по шкале Полинга (по шкале Олдреда-Рохова) 2,55 (2,50) 1,90 (1,74) 2,01 (2,02) 1,96 (1,72) 2,33 (1,55)
Твёрдость по шкале Мооса*     6,3 1,8 1,5
Температура плавления, 0С     958,5 231,8 327,4
Температура кипения, 0С          
Сравнительная электропроводность (Hg=1) - полупро- водник полупро- водник 7,2 4,6
Потенциал ионизации, эВ: Э0 Þ Э+ + е- Э+ Þ Э2+ + е- Э2+ Þ Э3+ + е- Э3+ Þ Э4+ + е-   11,26 24,38 47,87 64,19     8,15 16,34 33,46 45,13   8,13 15,95 34,20 45,70   7,30 14,56 30,70 39,40   7,42 14,91 31,97 42,10
Стандартные ОВ потенциалы, В Э2+ + 2е- Þ Э0 ЭО2 + 4Н+ + 4е- Þ Э0 + 2Н2О ЭО2 + 4Н+ + 2е- Þ Э2+ + 2Н2О   - +0,169 -   - -0,86 -   +0,247 -0,15 -0,3   -0,14 -1,06 +0,125   -0,125 +0,666 +1,47
Валентность (II),(III), IV (II), IV, VI (II), IV, VI II, IV, VI II, (IV), (VI)
Содержание в земной коре, мас.% 0,48 27,6 7,0×10-4 8,0×10-3 1,6×10-3
Массовые числа природных изотопов 12, 13 28, 29, 74, 72, 70, 73, 76 120, 118, 116, 119, 117, 124, 122, 112, 114, 115 208, 206, 207, 204

* Шкала твёрдости минералов предложенная немецким учёным Фридрихом Моосом. В ней минералы группируются в соответствии с относительной твёрдостью по десятибалльной шкале. Каждый минерал, занимающий определённое место на шкале, царапается минералами, стоящими выше него, т.е. более твёрдыми. Так алмаз (твёрдость 10) царапает рубин (9), рубин царапает топаз (8), топаз царапает кварц (7) и т.д.. Минералы с твёрдостью 1 и 2 считаются мягкими, 3–6 – средней твёрдости, выше 6 – твёрдыми.

Электронографические формулы валентного слоя углерода в основном и валентно-возбужденном состояниях имеют следующий вид

В атоме углерода, в отличие от всех других элементов (кроме водорода), число валентных электронов равно числу валентных орбиталей. Такое электронное строение атома и значение электроотрицательности ОЭО = 2,55 обуславливают уникальные свойства данного элемента. Углерод образует ковалентные связи со многими элементами, как с электроположительными, так и электроотрицательными. Углерод может проявлять валентность равную II и IV, характерные степени окисления –4, 0, +2, +4.

При обычных условиях углерод химически инертен, при высоких температурах он реагирует со многими элементами, проявляя сильные восстановительные свойства.

Аллотропные модификации углерода. Известно пять аллотропных модификаций углерода: алмаз, графит, карбин, нанотрубки и фуллерены. Графит и алмаз были обнаружены в природе давно, а карбины, нанотрубки и фуллерены впервые синтезированы в лабораториях и сведения об их наличии в природе получены в последние десятилетия. Алмаз, графит и карбин являются бесконечными системами с регулярной структурой. Фуллерены, в отличие от них, - семейство индивидуальных, полиэдрических молекул, имеющих замкнутую структуру. Внешний вид, физические и химические свойства этих модификаций резко отличаются (таблица 2), что определяется разным типом связей, соединяющих атомы углерода в молекулах этих веществ.

Т а б л и ц а 2. Свойства основных аллотропных модификаций углерода

Модификация Гибридизация Длина связи, нм Плотность, г/см3
Алмаз sp3 0,148 3,515
Графит sp2 0,142 (0,335)* 1,848
Фуллерен sp2 0,144 1,651
Карбин sp 0,125, 0,138 0,149** 1,917

* Межслоевое расстояние. **Тройные, двойные и одинарные связи

 
 

Рис. 1. Кристаллические решетки аллотропных модификаций углерода.

Алмаз в природе встречается в виде отдельных кристаллов, прозрачных в видимой области спектра, характеризующихся высокими коэффициентом преломления и твердостью.

Алмаз стабилен при высоких давлениях и метастабилен при нормальных условиях, хотя и может при них существовать неопределенно долго. При нагревании он переходит в графит при температурах 600¸700 оС, а при 800¸900 oС сгорает.

Прозрачные кристаллы алмаза, после специальной огранки, называются бриллиантами. Они отличаются удивительной красотой, изумительной игрой света на гранях и поэтому являются самыми дорогими драгоценными камнями.

Алмазы применяют в различных инструментах для обработки твердых металлов и сплавов, минералов, стекол, в буровой технике, ювелирной промышленности при обработке драгоценных камней. При обычных условиях алмаз – диэлектрик, полупроводниковые свойства проявляет при высоких давлениях.

Графит -один из самых мягких минералов. Эти свойства позволяют широко использовать графит в качестве материала скользящих контактов для электрических машин и в качестве твердой смазки. С химической точки зрения графит более активен, чем алмаз. Однако заметное окисление на воздухе начинается лишь при температуре выше 500оС и даже при воздействии такого агрессивного реагента, как фтор, при комнатной температуре в течение 19 дней не наблюдается никаких изменений.

Карбин. Путем окислительной конденсации ацетилена в 1963 г. (В.В.Коршак, А.М.Сладков, В.И.Касаточкин) получена модификация углерода, состоящая из ацетиленовых фрагментов …-СºС-СºС-…, ее назвали a-карбином, позднее это вещество было обнаружено в природе.

Карбин можно считать линейным полимером углерода.

a-Карбин – черный мелкокристаллический порошок, полупроводник: под действием света его электропроводность сильно возрастает. Получен также другой линейный полимер углерода - b-карбин:

…=С=С=С=…

Нанотрубки. Нанотрубки (или тубулены) были впервые получены в 1991 г. японским ученым Сумио Идзимо при электродуговом испарении графита в атмосфере аргона. На графитовом катоде в этом эксперименте наблюдался рост углеродных игл диаметром 4-30 нм и длиной до 2 мкм. Нанотрубки представляют собой цилиндры из «свернутого» графитового слоя. Поверхность таких трубок «выложена» правильными шестиугольниками (рис.1). Нанотрубки могут быть моно- и многослойными. Расстояние между слоями в многослойных трубках составляет 0,34 нм, что соответствует расстоянию между слоями в графите. Нанотрубки обладают рядом специфических свойств, связанных с их структурой. Так, например, при погружении в свинцовый расплав они частично заполняются свинцом за счет капиллярного эффекта.

Фуллерены. В 1990 г. получена ещё одна аллотропная модификация углерода – фуллерены. Они образуются при испарении графита в электрической дуге в вакууме или при испарении графита в атмосфере гелия при действии лазерного излучения. Фуллерены представляют собой замкнутые сферические многогранники, целиком построенные из атомов углерода и состоящие из 12 пентагональных и (n/2 – 10) гексагональных циклических многоугольников где n > 20 (рис.1). названия фуллеренов записываются как С60, С70, С76 и т.д., где нижний индекс указывает число атомов углерода в одной сферической частице. Молекулы фуллеренов очень напоминают по форме футбольные или баскетбольные мячи. Доступная внутренняя полость фуллеренов имеет радиус 17 нм. Диаметр описанной вокруг фуллерена сферы – 71 нм.

Свое название фуллерены получили по фамилии архитектора Бакмистера Фуллера, разработавшего конструкцию куполообразных крыш, составленных из 5- и 6-угольников и образующих полусферу (патент 1954 г). Фуллерены обладают твердостью, термической стойкостью (С60 испаряется при ~ 800 оС и возгоняется без разложения), устойчивостью к окислению, способностью к донорно-акцепторным взаимодействиям. Наличие внутренней полости позволяет получать новые соединения с фуллеренами, новые материалы повышенной твердости, селективные сорбенты, лекарства и др.

Кроме рассмотренных аллотропных модификаций существуют аморфные формы углерода: сажа, кокс, древесный уголь и животный уголь. Сажа и угли представляют собой тонкодисперсный мелкокристаллический графит. К аморфным модификациям углерода относится ещё одна форма углерода - стеклоуглерод, которую получили искусственным путём. Он состоит из связанных между собой фрагментов алмаза, графита и карбина. Стеклоуглерод – очень лёгкий, механически прочный, твердый, электропроводящий, коррозионно-устойчивый (устойчив к действию царской водки) и термостойкий материал. Он выдерживает нагревание до 3700 оС.

Графит и стеклоуглерод широко используются в качестве материала для электродов в процессах электролиза. Из стеклоуглерода изготавливают химическую посуду – тигли, стаканы, трубки и пр., а также рыболовные удочки, рамы спортивных велосипедов, корпуса лодок, летательных аппаратов, самолётов и ракет.

Неорганические соединения углерода с кислородом. Известны два устойчивых оксида углерода: СО и СО2 и несколько неустойчивых оксидов, например, C3O2 .

Монооксид углерода СО (угарный газ) – бесцветный газ, без запаха, мало растворим в воде. Очень ядовит (предельно допустимая концентрация составляет 3 мг/см3), так как прочно связывается с гемоглобином крови (сильнее, чем О2) и препятствует переносу О2 в токе крови. Он образуется при горении угля в условиях недостатка кислорода.

С + 0,5 О2 Þ СО ∆Н = -110,3 кДж.

Для молекулы СО наиболее характерны восстановительные свойства. Так уже при комнатной температуре СО восстанавливает соединения некоторых благородных металлов, например:

PdCl2 + CO + H2O Þ Pd + CO2 + 2HCl

Однако, ввиду прочности связи в молекуле СО, ее восстановительные свойства проявляются обычно при высокой температуре. Оксид углерода как восстановитель широко используется в металлургической промышленности. Например, при получении железа протекает реакция:

Fe2O3 + 3CO Þ 2Fe + 3CO2

Температуры восстановления оксидов металлов, в зависимости от их природы, варьируют от 300 до 1500 оС.

В присутствии катализатора (активированного угля) СО окисляется хлором при комнатной температуре с образованием дихлороксоуглерода (фосгена):

CO + Cl2 Þ COCl2.

Диоксид углерода СО2 – бесцветный газ, слегка кисловатый на вкус, в 1,5 раза тяжелее воздуха. Диоксид углерода образуется при сгорании любых углеродсодержащих веществ в избытке воздуха. При комнатной температуре СО2 под давлением около 6000 кПа переходит в бесцветную жидкость. При ее охлаждении в результате испарения СО2 образуется твердая снегообразная масса (сухой лед).

СО2 является составной частью воздуха (составляет ~0,03 % об.), образуется при различных процессах окисления органических веществ, в частности, при дыхании живых организмов, брожении, горении топлива, горении лесов и т.д, например,

С6Н12О6 + 3О2 Þ 6СО2 + 6Н2О

Диоксид углерода относится к «парниковым газам». Увеличение количества СО2 в атмосфере может привести к повышению температуры атмосферы. Коротковолновое излучение Солнца нагревает Землю, а тепловое излучение Земли, более длинноволновое, способно поглощаться молекулами СО2. В результате наблюдается повышение температуры атмосферы, а явление в целом называется «парниковым эффектом».

Диоксид углерода – кислотный оксид, легко реагирует со щелочами и основными оксидами

NaOH + CO2 Þ NaHCO3

Угольная кислота H2CO3 и её производные. Угольная кислота – очень слабый электролит. Молекулы H2CO3 существуют только в растворе и не выделены в виде индивидуального вещества.

Соли угольной кислоты – карбонаты обычно мало растворимы в воде, хорошо растворимы только соли щелочных металлов и аммония.

При нагревании твердые карбонаты сравнительно легко разлагаются:

СаСО3(кр.) Û СаО + СО2(г)

Для щелочных металлов и аммония известны кислые соли – гидрокарбонаты МНСО3 (где М – Na+, K+, Rb+, NH4+), которые отличаются лучшей растворимостью. Большое практическое значение имеют Na2CO3 – сода и NaHCO3 – питьевая сода.

Наличием гидрокарбонатов Са(НСО3)2 и Mg(HCO3)2 объясняется жесткость природной воды. При нагревании растворов гидрокарбонатов они разлагаются:

Са(НСО3)2 Þ СаСО3 ¯ + СО2 + Н2О

Малорастворимые соли СаСО3 и MgCO3 оседают на стенках тепловых котлов, что может привести к авариям. Для устранения жесткости воды ее обрабатывают оксидом кальция:

СаО + Са(НСО3)2 Þ 2СаСО3 + Н2О




Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-01-07; Просмотров: 1526; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.026 сек.