Глава XII. УГЛЕРОД И ЕГО СОЕДИНЕНИЯ

§51. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УГЛЕРОДА

Охарактеризуйте углерод по его месту в Периодической системе. Назови­те соединения углерода и валентность углерода в этих соединениях.

Углерод в виде угля, копоти, сажи известен человечеству с незапамят­ных времен. Элементарная природа углерода была установлена А. Лавуазье в конце 1780-х годов. Свое название элемент получил в 1824 г., в переводе с латинского оно означает «уголь».

Положение в периодической системе. Углерод — элемент 2-го периода главной подгруппы IV группы (IVA), атомный номер 6, относительная атомная масса 12, в ядре атома содержится 6 протонов и 6 нейтронов (Ar=12), общее число электронов также 6.

Строение атома. Электронная конфигурация атома углерода: 1s² 2s² 2p². Углерод — неметалл, р-элемент.

Валентные электроны (II, IV) размещены по орбиталям:

При возбуждении один электрон переходит с 2s— подуровня на 2р-подуровень. Поэтому в основном состоянии атом углерода двухвалентен (CO), а в возбуж­денном состоянии — четырехвалентен (СН₄, СО₂).

Нахождение в природе. Углерод входит в состав всех живых организмов. В свободном состоянии углерод встречается в виде алмаза, графита и карбина (аллотропные видоизменения, рис. 69). Природные соединения углерода — доломит СаСО₃ • МgСО₃, мрамор СаСО₃, магнезит МgСО₃. Нефть, каменный уголь и природный газ содержат углерод в связанном состоянии.

В свободном виде углерод не токсичен, а вот многие его соединения об­ладают значительной токсичностью.

Аллотропные видоизменения углерода характеризуются различным строением кристаллических решеток. Этим и объясняется резкое различие их физических свойств.

Физические свойства. Алмаз — самое твердое природное соединение на Земле. Это прозрачное, бесцветное, кристаллическое вещество, имеет тетра­эдрическое строение, не электропроводен.

Графит — мягкий, непрозрачный, серого цвета, маслянистый и блестящий (рис. 68). Графит при температуре 2000^оС и низком давлении превращается в карбин.

В последние годы открыли еще одну форму — фуллерен. У него структура, как у футбольного мяча.

К этим разновидностям можно прибавить аморфный углерод, простейшим представителем которого является древесный уголь. При сухой перегонке древесины образуется древесный уголь, у которого сильно выражена способ­ность к адсорбции (поглощение на поверхности) газов, паров и растворенных веществ.

Получение. Сажа — аморфный углерод, продукт неполного сгорания углеводорода. Кокс — твердое искусственное топливо, продукт термической обработки каменного угля.

Запомни! Площадь поверхности активированного угля массой 1 г составля­ет 800 м², поэтому он обладает повышенной адсорбционной способностью. Адсорбент — это вещество, способное поглощать на своей поверхности газы и жидкости. Таблетки активированного угля применяют для подготовки желудочно-кишечного тракта к рентгеновскому обследованию и УЗИ; для очистки спирта. Активированный уголь не поглощает угарный газ (СО).

Аллотропные видоизменения углерода.

А

1. Какие аллотропные видоизменения углерода вы знаете?

3. Назовите природные соединения углерода.

В

1. В каком карбонате: МgСО₃, СаСО₃ содержание углерода больше?
2. Напишите графические формулы следующих соединений: СНСl₃, СН₂Сl₂, ССl₄, СН₃Сl

С

1. Приведите в соответствие названия:

§52. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УГЛЕРОДА

Углерод может вступать в реакцию со многими простыми и сложными веществами (схема 9).

Схема 9. Взаимодействие углерода с простыми веществами

Далее приводятся некоторые уравнения реакций с простыми вещества­ми:

1) a) при неполном сгорании углерода:

Применение. Алмаз используют для резки стекла, изготовления нако­нечников буровых установок. Из ограненного алмаза делают великолепные украшения (бриллианты).

Графит применяют для изготовления электродов, а также грифелей ка­рандашей. Кокс (С) получают при сухой перегонке (нагревание без лоступа воздуха). Используется в производстве металлов как восстановитель. Адсорбционная способность активированного угля находит применение в медицине, а также в противогазах (рис. 69).

Фуллерены — это наночастицы, имеющие очень ценные особенности.

Каждая молекула содержит 60 атомов углерода, упорядоченных в виде пяти и шестиугольников и по­зволяет изготавливать кристаллы, которые применя­ются в электронике, в компьютерах.

1. Вещество, занимающее второе место по твердости после алмаза.
2. Аллотропное видоизменение углерода, которым пользуется каждый ученик.
3. Самое твердое природное вещество.
4. Углерод является хорошим поглотителем газов.
5. Аллотропная модификация углерода, где его атомы расположены линейно.
6. Устройство для защиты, где адсорбентом является активированный уголь.
7. Соединения углерода с металлами.

Ключевое слово по вертикали — элемент, название которого в переводе с латинского означает «уголь».

Это интересно!

 Самый большой алмаз «Куллинан» найден в 1905 г. в Южной Африке. Его масса 621 г (3106 каратов). Он был подарен английскому королю Эдуарду VII в день его рождения. При обработке алмаза были получены два крупных бриллианта.

Первый получил название «Звезда Африки», весит 580,2 карата. Сегодня это самый крупный в мире бриллиант. Он нашел место в верхушке королевского скипетра Великобритании. Второй, «Куллинан-П», весит 317,4 карата и украшает британскую корону (1 карат = 0,2 г.)

 Адсорбция, углерод как адсорбент.

А

1. Рассчитать количество углерода, которое вступит во взаимодействие с 32 г оксида железа (III).

Ответ: 0,6 моль.

B

1. Напишите уравнения реакций по данной схеме:

2. Какой объем водяного газа образуется при пропускании водяных паров над углем в количестве 3 моль (считать, что уголь состоит из чистого углерода).

Ответ: 134,4 л.

С

1. Какая масса гидроксида кальция необходима для поглощения газа, обра­зовавшегося при сжигании 210 г угля (если считать, что уголь состоит из чистого углерода)?

Ответ: 1295 г.

2. Какой объем воздуха (н. у.) используется для сжигания водяного газа (см. с. 190), полученного из угля массой 1 кг?

Ответ: 9,33 м³.

Это интересно!

В 2010 г. российские ученые К. Новоселов и А. Гейм получили Нобелевскую премию за исследование свойств графена.

Графен — монослой графита, в котором атомы углерода расположены, как в пчелиных сотах.

В будущем графен:

заменит кремний в микросхемах. Чипы из графена легче, устойчивее, употребляют мало энергии и в меньшем объеме рассеивают свет;

будет использоваться в космосе.

Практическая работа №6

Физические и химические свойства углерода

Цель: Знать условия образования диоксида и монооксида углерода при сжигании углерода.

Реактивы	Оборудование, посуда
древесный активированный уголь;оксид меди (II);известковая вода, фуксин — красный	металлический штатив, пробирки, со­гнутый под прямым углом лист бумаги, спиртовки, спички, фильтровальная бу­мага, воронка, газоотводная трубка под прямым углом

Ход работы

Опыт 1. Изучение древесного угля

1. В коническую колбу налейте водный раствор какой-нибудь краски.
2. Всыпьте в раствор 0,3—0,5 г мелко истолченного древесного угля, взболтайте содержимое в течение 2—3 минут.
3. Отфильтруйте, наблюдайте исчезновение окраски.

Опыт 2. Восстановительные свойства угля.

1. Примерно одинаковые по массе порции оксида меди (II) и измельчен­ного древесного угля перемешать на листе бумаги.
2. Смесь пересыпьте в сухую пробирку, укрепите горизонтально в шта­тиве.
3. Закройте пробирку пробкой с газоотводной трубкой, изогнутой под прямым углом.
4. Конец трубки опустите в раствор известковой воды.
5. Пробирку сильно нагрейте до прекращения выделения газа.
6. Дайте пробирке остыть, отметьте цвет содержимого.

Вопросы и задания

1. Как изменился цвет раствора красителя? Дайте объяснения.
2. Напишите уравнения реакций опыта №2.
3. Каким химическим свойством обладает углерод?