Углерод

 

В большинстве неорганических соединений углерод проявляет степени окисления –4, +4, +2.

В природе содержание углерода составляет 0,15% (мол. доли) и находится в основном в составе карбонатных минералов (прежде всего известняка и мрамора СаСО3, магнезита МgСО3, доломита МgСО3∙СаСО3, сидерита FeСО3), каменного угля, нефти, природного газа, а также в виде графита и реже алмаза. Углерод – главная составная часть живых организмов.

Простые вещества. Простые вещества элемента углерода имеют полимерное строе­ние, и в соответствии с характерными гибридными состояниями орбиталей атомы углерода могут объединяться в полимерные образования координационной (sp3), слоистой (sp2) и линейной (sp) структуры, что соответствует типам простых веществ: алмаз (β-С), графит (α-С) и карбин2)n. В 1990 г. получена четвертая модификация углерода – фуллерен С60 и С70.

Алмаз – бесцветное кристаллическое вещество с кубической решеткой, в которой каждый атом углерода связан σ-связями с четырьмя соседними – это обусловливает исключительную твердость и отсутствие электронной проводимости в обычных условиях.

Карбин – черный порошок с гексагональной решеткой, построенной из прямолинейных σ- и π-связей: –С≡С–С≡С–С≡ (полиин) или =С=С=С=С=С= (поликумулен).

Графит – устойчивая форма существования элемента углерода; серо-черный, с металлическим блеском, жирный на ощупь, мягкий неметалл, обладает проводимостью. При обычной температуре весьма инертен. При высоких температурах непосредственно взаимодействует с многи­ми металлами и неметаллами (водородом, кислородом, фтором, серой). Типичный восстановитель; реагирует с водяным паром, концентрированной азотной и серной кислотами, оксидами металлов. В «аморфном» состоянии (уголь, кокс, сажа) легко сгорает на воздухе.

C + H2O(пар, 800-1000°С) = CO + H2

C + 2H2SO4(конц.) = CO2↑ + 2SO2↑ + 2H2O

C + 4HNO3(конц.) = CO2↑ + 4NO2↑ + 2H2O

C + 2H2(600°С, kat. Pt) = CH4

C + O2(600-700°С) = CO2

2C + O2(выше 1000°С) = 2CO

2С + Ca(550°С) = CaC2

С + 2PbO(600°С) = 2Pb + CO2

C + 2F2(выше 900°С) = CF4

Вследствие очень высокой энергии актива­ции превращения модификаций углерода возможны лишь при особых условиях. Так, алмаз превращается в графит при нагревании до 1000–1500°С (без доступа воздуха). Переход графита в алмаз требует очень высокого давления (6∙109–10∙1010 Па); освоен метод получения алмаза при низком давлении.

C(алмаз) = С(графит) (выше 1200°С)

(C2)n(карбин) = 2nС(графит) (2300°С)

Получение и применение.Из графита изготовляют электроды, плавильные тигли, футеровку электрических печей и промышленных электролизных ванн и др. В ядерных реакторах его используют в качестве замедлителя нейтронов. Графит применяют также как смазочный материал и т. д. Исключительная твердость алмаза обусловливает его широкое применение для обработки особо твердых материалов, при буровых работах, для вытягивания проволоки и т. д. Наиболее совершенные кристаллы алмаза используют после огранки и шлифовки для изготовления ювелирных изделий (бриллианты).

Благодаря большой адсорбционной способности древесного и животного углей (кокс, древесный уголь, костяной уголь, сажа) они применяются для очистки веществ от примесей. Кокс, получаемый при сухой переработке каменного угля, применяется главным образом в металлургии при выплавки металлов. Сажа используется в производстве черной резины, для изготовления красок, туши и т. д.

Диоксид углерода CO2 используют в производстве соды, для тушения пожаров, приготовления минеральной воды, как инертную среду при проведении различных синтезов.

Соединения с отрицательной степенью окисления. С менее электроотрицательными, чем он сам, элементами углерод дает карбиды. По­скольку для углерода характерно образовывать гомоцепи, состав боль­шинства карбидов не отвечает степени окисления углерода –4. По типу химической связи можно выделить ковалентные, ионно-ковалентные и металлические карбиды.

Ковалентные карбиды кремния SiC и бора B4C – полимерные вещества, характеризующиеся очень высокой твердостью, тугоплав­костью и химической инертностью.

Простейшим ковалентным карбидом является метан СН4 – химически весьма инертный газ; на него не действуют кислоты и щелочи, однако он легко загорается, и его смеси с воздухом чрезвычайно взрывоопасны. Метан – основной компонент природного (60–90%) рудничного и болотного газа. Богатые метаном газы используются как топливо и сырье для химического производства.

Углерод образует многообразные перкарбиды, например, некоторые простейшие углеводороды – этан С2Н6, этилен С2Н4, ацетилен С2Н2.

Ионно-ковалентные карбиды – кристаллические солеподобные вещества. При действии воды или разбавленной кислоты они разру­шаются с выделением углеводородов. Поэтому карбиды подобного типа можно рассматривать как производные соответствующих углево­дородов. Производные метана – метаниды, например, карбиды Ве2С и АlС3. Они разлагаются водой, выделяя метан:

АlС3 + 12Н2О = 4Al(ОН)3 + 3СН4­↑

Из солеподобных перкарбидов наиболее изучены ацетилиды типа М2+1С2, М+2С2 и М2+32)3. Имеющий наибольшее значение ацетилид кальция СаС2 (называемый карбидом) получают нагреванием СаО с углем в электро­печах:

СaO + 3C = CaC2 + CO

Ацетилиды более или менее легко разлагаются водой с образованием ацетилена:

СаС2 + 2Н2O = Са(ОН)2 + С2Н2

Эта реакция используется в технике для получения ацетилена.

Металлическими являют­ся карбиды d-элементов IV–VIII групп. Чаще всего встречаются карбиды среднего состава МС (TiC, ZrC, HfC, VC, NbC, ТаС), М2С (Мо2С, W2С), М3С (Мn3С, Fe3С, Со3С). Металлические карбиды входят в состав чугунов и сталей, прида­вая им твердость, износоустойчивость и другие ценные качества. На основе карбидов вольфрама,титана и тантала производят сверхтвер­дые и тугоплавкие сплавы, применяемые для скоростной обработки металлов.

Соединения углерода (IV). Степень окисления углерода +4 прояв­ляется в его соединениях с более электроотрицательными, чем он сам, неметаллами: СНаl4, СОНаl2, СО2, COS, CS2 и анионных комплексах CO32–, COS22–, CS32–.

По химической природе эти соединения углерода (IV) являются кислотными. Некоторые из них взаимодействуют с водой, образуя кислоты:

СO2 + Н2O = Н2СО3

СOCl2 + 3Н2О = Н2СО3 + 2НCl

и с основными соединениями, образуя соли:



2КОН + СO2 = К2СО3 + Н2О

Из тетрагалогенидов CHal4 наибольшее применение получил тетрахлор метан СCl4 в ка­честве негорючего растворителя органических веществ, а также жид­кости для огнетушителей. Его получают хлорированием сероуглерода в присутствии катализатора :

CS2 + Cl2 = CCl4 + S2Cl2

Смешанный фторид-хлорид углерода ССl2F2фреон (t кип. –30 °С) применяется в качестве хладагента в холодильных машинах и установках. Не ядовит. При попадании в атмосферу разрушает озоновый слой.

Дисульфид углерода или сероуглерод СS2 (ядовит) получают взаимодействием паров серы с раскаленным углем: C + 2S = СS2

Сероуглерод легко окисляется, при небольшом нагреве воспламеняется на воздухе: СS2 + 3O2 = CO2 + 2SO2

Все оксодигалогениды (карбонилгалогениды) COHal2 значительно более реакционноспособны, чем тетрагалогениды; в частности, они легко гидролизуются:

СОСl2 + Н2O = СO2 + 2НCl

Наибольшее применение находит СОCl2 (фосген, хлористый карбонил)чрезвы­чайно ядовитый газ. Его широко используют в органическом синтезе.

Диоксид углерода CO2 (углекислый газ) в технике обычно получают термическим разложением СаСО3, а в лаборатории – действием на СаСО3 хлороводородной кислотой.

СаСО3 = CaO + CO2↑ СаСО3 + 2HCl = CaCl2 + CO2

Диоксид углерода легко поглощается растворами щелочей, при этом образуется соответствующий карбонат, а при избытке СО2гидро­карбонат:

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3↓ + H2O

CaCO3↓ + CO2 = Ca(HCO3)2

Гидрокарбонаты в отличие от карбонатов в большинстве своем раство­римы в воде.

Растворимость CO2 в воде невелика, некоторая часть растворенного диоксида углерода взаимодействует с водой с образованием неустойчивой средней угольной кислоты Н2СО3 (триоксокарбонат водорода).

Сульфидокарбонаты (IV) (тиокарбонаты) во многом напоминают триоксокарбонаты (IV). Их можно получить взаимодейст­вием сероуглерода с основными сульфидами, например:

К2S + СS2 = К2[СS3]

Водный раствор Н2СS3 – слабая тиоугольная кислота. Постепенно разлагается водой, образуя угольную кислоту и сероводород:

Н2СS3 + 3Н2О = Н2СО3 + 3Н2S

Из нитридокарбонатов важное значение имеет цианамид кальция СаСN2, получаемый окислением кар­бида кальция СаС2 азотом при нагревании:

СаС2 + N2 = СаСN2 + С

Из оксонитридокарбонатов водорода наибольшее значение имеет мочевина (карбамид) СО(NH2)2, получаемая действием СО2 на водный раствор аммиака при 130° С и 1∙107 Па:

СО2 + 2N3Н = СО(NH2)2 + Н2О

Мочевина применяется в качестве удобрения и для подкормки скота, как исходный продукт для получения пластических масс, фармацевтических препаратов (веронала, люминала и др.) и пр.

Сульфидонитридокарбонат (IV) водорода или тиоцианат водо­рода НSСN в водном растворе обра­зует сильную (типа НCl) тиоцианистоводородную кислоту. Тиоцианиты в основном применяют при крашении тканей; NН4SСN используют как реактив на ионы Fe3+.

Соединения углерода (II). Производные углерода (II) – это СО, СS, HCN.

Оксид углерода (II) СО (угарный газ) образуется при сгорании углерода или его соединений в недостатке кислорода, а также в результате взаимодействия оксида углерода (IV) с раскаленным углем.

СО2 + С ↔ 2СО

В молекуле СО имеется тройная связь, как в N2 и цианид-ионе CN. В обычных условиях оксид углерода (II) химически весьма инертен. При нагревании проявляет восстановительные свойства, что широко используется в пирометаллургии.

При нагревании СО окисляется серой, при облучении или в присутствии катализатора взаимодействует с хлором и т. д.

СО + S = СOS (оксосульфид углерода IV);

CO + Cl2 = СОCl2 (оксохлорид углерода IV)

Цианид водорода HCN имеет линейную структуру H–C≡N; существует также ее таутомерная форма (изоцианид водорода) H–N≡C. Водный раствор цианида водорода – очень слабая кислота, называемая синильной или цианистоводород­ной.

HCN – сильнейший неорганический яд.

Цианиды проявляют восста­новительные свойства. Так, при нагревании их растворов они посте­пенно окисляются кислородом воздуха, образуя цианаты:

2KCN + O2 = 2KOCN

а при кипячении растворов цианидов с серой образуются тиоцианаты (на этом основано получение тиоцианатов):

2KCN + S = 2KSCN

Цианид водорода применяют в органическом синтезе, NаСN и КСN – при добыче золота, для получения комплексных цианидов и т. д.

При нагревании цианидов малоактивных металлов образуется дициан (СN)2 – очень реакционноспособный ядовитый газ.

Hg(CN)2 = Hg + (CN)2

 






Дата добавления: 2015-08-08; просмотров: 505; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию, введите в поисковое поле ключевые слова и изучайте нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам понравился данный ресурс вы можете рассказать о нем друзьям. Сделать это можно через соц. кнопки выше.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2018 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.017 сек.