Как реагирует углерод с медью

Роль углерода в организме человека

В тело человека углерод попадает вместе с пищей, в течение суток – 300 г. А общее количество вещества в человеческом организме составляет 21% от массы тела.

Из данного элемента состоят на 2/3 мышцы и 1/3 костей. А выводится из тела газ вместе с выдыхаемым воздухом либо же с мочевиной.

Стоит отметить: без этого вещества жизнь на Земле невозможна, ведь углерод составляет связи, помогающие организму бороться с губительным влиянием окружающего мира.

Таким образом, элемент способен составлять продолжительные цепи либо же кольца атомов, которые представляют собой основу для множества других важных связей.

История открытия

Углерод использовался людьми с давних времен. Грекам был известен графит и уголь, а алмазы впервые нашлись в Индии. К слову, в качестве графита люди часто принимали схожие по виду соединения. Но даже несмотря на это, графит широко использовался для письма, ведь даже слово «графо» с греческого языка переводится как «пишу».

В настоящее время графит используется так же в письме, в частности его можно встретить в карандашах. В начале 18 века в Бразилии началась торговля алмазами, были открыты многие месторождения, а уже во второй половине 20 века люди научились получать ненатуральные драгоценные камни.

На настоящий момент ненатуральные алмазы используются в промышленности, а настоящие – в ювелирной сфере.

Нахождение в природе

В природе углерод встречается как в чистом виде, так и в форме соединений. В свободном кристаллическом состоянии он находится в виде двух аллотропных видоизменений:

  1. Алмаз — чрезвычайно твердое вещество, плохо проводящее тепло и электричество. По внешнему виду — бесцветные кристаллы, сильно преломляющие свет. Если их соответствующим образом огранить — получатся бриллианты, их масса измеряется в каратах: 1 карат = 0,205 г. Самым крупным камням присваиваются имена: например, Куллинан (более 3 тыс. карат), Звезда Якутии (232 карата), и прочие. Тусклые алмазы (борт) используются в промышленности. При нагревании без доступа воздуха алмаз превращается в графит. В настоящее время из графита создаются искусственные алмазы (длительный нагрев при t=3000°С, и давлении 70−100 тыс. атмосфер). Синтетические продукты широко используются в технике.
  2. Графит — образует мощные залежи. По внешнему виду это серо-черная, жирная на ощупь масса. Имеет слоистую структуру. Хорошо проводит тепло и электричество, тугоплавкий. Используется в промышленности при производстве электродов и грифелей карандашей.

В связанном состоянии углерод встречается в карбонатах (кальцит, известняк, мел, мрамор, железный шпат FeCO3, марганцевый шпат MnCO3, цинковый шпат ZnCO3, магнезит, доломит, малахит, и прочие). Кроме того, углерод — основная составная часть каменных и других углей, нефти, горючих природных газов, всех живых организмов.

Карбонилы.

Монооксид углерода способен непосредственно реагировать со многими металлами или ионами металлов, образуя комплексные соединения, называемые карбонилами, например Ni(CO)4, Fe(CO)5, Fe2(CO)9, 3, Mo(CO)6, 2. Связь в этих соединениях аналогична связи в описанных выше цианокомплексах. Ni(CO)4 – летучее вещество, используется для отделения никеля от других металлов. Ухудшение структуры чугуна и стали в конструкциях часто связано с образованием карбонилов. Водород может входить в состав карбонилов, образуя карбонилгидриды, такие, как H2Fe(CO)4 и HCo(CO)4, проявляющие кислотные свойства и реагирующие со щелочью:

H2Fe(CO)4 + NaOH → NaHFe(CO)4 + H2O

Известны также карбонилгалогениды, например Fe(CO)X2, Fe(CO)2X2, Co(CO)I2, Pt(CO)Cl2, где Х – любой галоген (см. также МЕТАЛЛООРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ).

Страницы

  • Главная страница
  • ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ХИМИИ
  • 1.1 Важнейшие классы неорганических веществ
  • 2.1 Вещества. Атомы
  • 2.2 Размеры атомов
  • 2.3 Молекулы. Химические формулы
  • 2.4 Простые и сложные вещества
  • 2.5 Валентность элементов
  • 2.6 Моль. Молярная масса
  • 2.7 Закон Авогадро
  • 2.8 Закон сохранения массы веществ
  • 2.9 Вывод химических формул
  • 3.1 Строение атома. Химическая связь
  • 3.2 Строение атома
  • 3.4 Строение электронной оболочки атома
  • 3.5 Периодическая система химических элементов
  • 3.6 Зависимость свойств элементов
  • 3.7 Химическая связь и строение вещества
  • 3.8 Гибридизация орбиталей
  • 3.9 Донорно-акцепторный механизм образования
  • 3.10 Степени окисления элементов
  • 4.1 Классификация химических реакций
  • 4.2 Тепловые эффекты реакций
  • 4.3 Скорость химических реакций
  • 4.4 Необратимые и обратимые реакции
  • 4.5 Общая классификация химических реакций
  • НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
  • 5.1 Растворы. Электролитическая диссоциация
  • 5.2 Количественная характеристика состава растворов
  • 5.3 Электролитическая диссоциация
  • 5.4 Диссоциация кислот, оснований и солей
  • 5.5 Диссоциация воды
  • 5.6 Реакции обмена в водных растворах электролитов
  • 5.7 Гидролиз солей
  • 6.1 Важнейшие классы неорганических веществ
  • 6.2 Кислоты, их свойства и получение
  • 6.3 Амфотерные гидроксиды
  • 6.4 Соли, их свойства и получение
  • 6.5 Генетическая связь между важнейшими классами
  • 6.6 Понятие о двойных солях
  • 7.1 Металлы и их соединения
  • 7.2 Электролиз
  • 7.3 Общая характеристика металлов
  • 7.4 Металлы главных подгрупп I и II групп
  • 7.5 Алюминий
  • 7.6 Железо
  • 7.7 Хром
  • 7.8 Важнейшие соединения марганца и меди
  • 8.1 Неметаллы и их неорганические соединения
  • 8.2 Водород, его получение
  • 8.3 Галогены. Хлор
  • 8.4 Халькогены. Кислород
  • 8.5 Сера и ее важнейшие соединения
  • 8.6 Азот. Аммиак. Соли аммония
  • 8.7 Оксиды азота. Азотная кислота
  • 8.8 Фосфор и его соединения
  • 8.9 Углерод и его важнейшие соединения
  • 8.10 Кремний и его важнейшие соединения
  • ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
  • 9.1 Основные положения органической химии. Углеводороды
  • 9.2 Электронные эффекты заместителей в органических соединениях
  • 9.3 Предельные углеводороды (алканы)
  • 9.3.1 Насыщенные УВ. Метан
  • 9.4 Понятие о циклоалканах
  • 9.5 Непредельные углеводороды
  • 9.6 Диеновые углеводороды (алкадиены)
  • 9.7 Алкины
  • 9.8 Ароматические углеводороды
  • 9.9 Природные источники углеводородов
  • 10.1 Кислородсодержащие органические соединения
  • 10.2 Фенолы
  • 10.3 Альдегиды
  • 10.4 Карбоновые кислоты
  • 10.5 Сложные эфиры. Жиры
  • 10.6 Понятие о поверхностно-активных веществах
  • 10.7 Углеводы
  • 11.1 Амины. Аминокислоты
  • 11.2 Белки
  • 11.3 Понятие о гетероциклических соединениях
  • 11.4 Нуклеиновые кислоты
  • 12.1 Высокомолекулярные соединения
  • 12.2 Синтетические волокна

История

Углерод в виде древесного угля применялся в древности для выплавки металлов. Издавна известны аллотропные модификации углерода — алмаз и графит.

На рубеже XVII—XVIII вв. возникла теория флогистона, выдвинутая Иоганном Бехером и Георгом Шталем. Эта теория признавала наличие в каждом горючем теле особого элементарного вещества — невесомого флюида — флогистона, улетучивающегося в процессе горения. Так как при сгорании большого количества угля остается лишь немного золы, флогистики полагали, что уголь — это почти чистый флогистон. Именно этим объясняли, в частности, «флогистирующее» действие угля, — его способность восстанавливать металлы из «известей» и руд. Поздние флогистики, Реомюр, Бергман и другие, уже начали понимать, что уголь представляет собой элементарное вещество. Однако впервые таковым «чистый уголь» был признан Антуаном Лавуазье, исследовавшим процесс сжигания в воздухе и кислороде угля и других веществ. В книге Гитона де Морво, Лавуазье, Бертолле и Фуркруа «Метод химической номенклатуры» (1787) появилось название «углерод» (carbone) вместо французского «чистый уголь» (charbone pur). Под этим же названием углерод фигурирует в «Таблице простых тел» в «Элементарном учебнике химии» Лавуазье.

В 1791 году английский химик Теннант первым получил свободный углерод; он пропускал пары фосфора над прокалённым мелом, в результате чего образовывались фосфат кальция и углерод. То, что алмаз при сильном нагревании сгорает без остатка, было известно давно. Ещё в 1751 год германский император Франц I согласился дать алмаз и рубин для опытов по сжиганию, после чего эти опыты даже вошли в моду. Оказалось, что сгорает лишь алмаз, а рубин (окись алюминия с примесью хрома) выдерживает без повреждения длительное нагревание в фокусе зажигательной линзы. Лавуазье поставил новый опыт по сжиганию алмаза с помощью большой зажигательной машины и пришёл к выводу, что алмаз представляет собой кристаллический углерод. Второй аллотроп углерода — графит — в алхимическом периоде считался видоизменённым свинцовым блеском и назывался plumbago; только в 1740 г. Потт обнаружил отсутствие в графите какой-либо примеси свинца. Шееле исследовал графит (1779) и, будучи флогистиком, счёл его сернистым телом особого рода, особым минеральным углём, содержащим связанную «воздушную кислоту» (СО2) и большое количество флогистона.

Двадцать лет спустя Гитон де Морво путём осторожного нагревания превратил алмаз в графит, а затем в угольную кислоту

Происхождение названия

В XVII—XIX веках в русской химической и специализированной литературе иногда применялся термин «углетвор» (Шлаттер, 1763; Шерер, 1807; Севергин, 1815); с 1824 года Соловьёв ввёл название «углерод». Соединения углерода имеют в названии часть карбо(н) — от лат. carbō (род. п. carbōnis) «уголь».

Источник

Источник натурального масла в Корче , Словакия .

Подавляющее большинство углеводородов, обнаруженных на Земле, содержится в сырой нефти , нефти , угле и природном газе. Нефть (буквально «каменная нефть» — сокращенно бензин) и уголь обычно считаются продуктами разложения органических веществ. Уголь, в отличие от нефти, богаче углеродом и беднее водородом. Природный газ — продукт метаногенеза .

Нефть включает в себя, казалось бы, безграничное разнообразие соединений, отсюда и необходимость нефтеперерабатывающих заводов. Эти углеводороды состоят из насыщенных углеводородов, ароматических углеводородов или их комбинации. В нефти отсутствуют алкены и алкины. Для их производства необходимы нефтеперерабатывающие заводы. Углеводороды нефтяного происхождения в основном используются в качестве топлива, но они также являются источником практически всех синтетических органических соединений, включая пластмассы и фармацевтические препараты. Природный газ потребляется почти исключительно в качестве топлива. Уголь используется в качестве топлива и восстановителя в металлургии .

Абиологические углеводороды

Небольшая часть углеводородов, обнаруженных на Земле, считается абиологической .

Некоторые углеводороды также широко распространены и в изобилии в Солнечной системе . Озера жидкого метана и этана были обнаружены на Титане , самом большом спутнике Сатурна , что подтверждено миссией Кассини-Гюйгенс . Углеводороды также широко распространены в туманностях, образующих полициклические ароматические углеводородные соединения (ПАУ).

Применение

Графит используют в карандашной промышленности, но в смеси с глиной, для уменьшения его мягкости. Также его используют в качестве смазки при особо высоких или низких температурах. Его невероятно высокая температура плавления позволяет делать из него тигли для заливки металлов. Способность графита проводить электрический ток также позволяет изготавливать из него высококачественные электроды.

Алмаз благодаря исключительной твердости — незаменимый абразивный материал. Алмазным напылением обладают шлифовальные насадки бурмашин. Кроме этого, ограненные алмазы — бриллианты — используются в качестве драгоценных камней в ювелирных украшениях. Благодаря редкости, высоким декоративным качествам и стечению исторических обстоятельств бриллиант неизменно является самым дорогим драгоценным камнем. Исключительно высокая теплопроводность алмаза (до 2000 Вт/м·К) делает его перспективным материалом для полупроводниковой техники в качестве подложек для процессоров. Но относительно высокая себестоимость добычи алмазов ($97,47 за один карат) и сложность обработки алмаза ограничивают его применение в этой области.

В фармакологии и медицине широко используются различные соединения углерода — производные угольной кислоты и карбоновых кислот, различные гетероциклы, полимеры и другие соединения. Так, карболен (активированный уголь), применяется для абсорбции и выведения из организма различных токсинов; графит (в виде мазей) — для лечения кожных заболеваний; радиоактивные изотопы углерода — для научных исследований (радиоуглеродный анализ).

Углерод играет огромную роль в жизни человека. Его применения столь же разнообразны, как сам этот многоликий элемент. В частности, углерод является неотъемлемой составляющей стали (до 2,14 % масс.) и чугуна (более 2,14 % масс.)

Углерод является основой всех органических веществ. Любой живой организм состоит в значительной степени из углерода. Углерод — основа жизни. Источником углерода для живых организмов обычно является CO2 из атмосферы или воды. В результате фотосинтеза он попадает в биологические пищевые цепи, в которых живые существа поедают друг друга или останки друг друга и тем самым добывают углерод для строительства собственного тела. Биологический цикл углерода заканчивается либо окислением и возвращением в атмосферу, либо захоронением в виде угля или нефти.

Углерод в виде ископаемого топлива: угля и углеводородов (нефть, природный газ) — один из важнейших источников энергии для человечества.

Химические свойства кремния

Кремний может существовать, как и углерод в кристаллическом и аморфном состоянии и, также, как и в случае углерода, аморфный кремний существенно более химически активен, чем кристаллический.

Иногда аморфный и кристаллический кремний, называют его аллотропными модификациями, что, строго говоря, не совсем верно. Аморфный кремний представляет собой по сути конгломерат беспорядочно расположенных друг относительно друга мельчайших частиц кристаллического кремния.

Взаимодействие кремния с простыми веществами

неметаллами

При обычных условиях кремний ввиду своей инертности реагирует только со фтором:

С хлором, бромом и йодом кремний реагирует только при нагревании. При этом характерно, что в зависимости от активности галогена, требуется и соответственно различная температура:

Так с хлором реакция протекает при 340-420 оС:

С бромом – 620-700 оС:

С йодом – 750-810 оС:

Все галогениды кремния легко гидролизуются водой:

а также растворами щелочей:

Реакция кремния с кислородом протекает, однако требует очень сильного нагревания (1200-1300оС) ввиду того, что прочная оксидная пленка затрудняет взаимодействие:

При температуре 1200-1500 оС кремний медленно взаимодействует с углеродом в виде графита с образованием карборунда SiC – вещества с атомной кристаллической решеткой подобной алмазу и почти не уступающего ему в прочности:

С водородом кремний не реагирует.

металлами

Ввиду своей низкой электроотрицательности кремний может проявлять окислительные свойства лишь по отношению к металлам. Из металлов кремний реагирует с активными (щелочными и щелочноземельными), а также многими металлами средней активности. В результате такого взаимодействия образуются силициды:

Силициды активных металлов легко гидролизуются водой или разбавленными растворами кислот-неокислителей:

При этом образуется газ силан SiH4 – аналог метана CH4.

Взаимодействие кремния со сложными веществами

С водой кремний не реагирует даже при кипячении, однако аморфный кремний взаимодействует с перегретым водяным паром при температуре около 400-500оС. При этом образуется водород и диоксид кремния:

Из всех кислот кремний (в аморфном состоянии) реагирует только с концентрированной плавиковой кислотой:

Кремний растворяется в концентрированных растворах щелочей. Реакция сопровождается выделением водорода:

Уравнение реакции взаимодействия углерода и оксида меди:

Углерод и оксид меди (II) взаимодействуют друг с другом.

C + CuO → Cu + CO (t ≈ 1200 °C).

Реакция углерода и оксида меди протекает при условии: при высокой температуре около 1200 °C.

В результате реакции углерода и оксида меди образуются медь и оксид углерода (I) (угарный газ).

Примечание: Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

О чём данный сайт?

Настоящий сайт посвящен авторским научным разработкам в области экономики и научной идее осуществления Второй индустриализации России.

Он включает в себя: – экономику Второй индустриализации России, – теорию, методологию и инструментарий инновационного развития – осуществления Второй индустриализации России, – организационный механизм осуществления Второй индустриализации России, – справочник прорывных технологий.

Мы не продаем товары, технологии и пр. производителей и изобретателей! Необходимо обращаться к ним напрямую!

Мы проводим переговоры с производителями и изобретателями отечественных прорывных технологий и даем рекомендации по их использованию.

О Второй индустриализации

Осуществление Второй индустриализации России базируется на качественно новой научной основе (теории, методологии и инструментарии), разработанной авторами сайта.

Конечным результатом Второй индустриализации России является повышение благосостояния каждого члена общества: рядового человека, предприятия и государства.

Вторая индустриализация России есть совокупность научно-технических и иных инновационных идей, проектов и разработок, имеющих возможность быть широко реализованными в практике хозяйственной деятельности в короткие сроки (3-5 лет), которые обеспечат качественно новое прогрессивное развитие общества в предстоящие 50-75 лет.

Та из стран, которая первой осуществит этот комплексный прорыв – Россия, станет лидером в мировом сообществе и останется недосягаемой для других стран на века.

Источник

Атом углерода

Положение углерода в периодической таблице Менделеева:

  • шестой порядковый номер;
  • четвёртая группа;
  • второй период.

Рис. 1. Положение углерода в таблице Менделеева.

Опираясь на данные из таблицы, можно заключить, что строение атома элемента углерода включает две оболочки, на которых расположено шесть электронов. Валентность углерода, входящего в состав органических веществ, постоянна и равна IV. Это значит, что на внешнем электронном уровне находится четыре электрона, а на внутреннем – два.

Из четырёх электронов два занимают сферическую 2s-орбиталь, а оставшиеся два – 2p-орбиталь в виде гантели. В возбуждённом состоянии один электрон с 2s-орбитали переходит на одну из 2p-орбиталей. При переходе электрона с одной орбитали на другую затрачивается энергия.

Таким образом, возбуждённый атом углерода имеет четыре неспаренных электрона. Его конфигурацию можно выразить формулой 2s12p3. Это даёт возможность образовывать четыре ковалентные связи с другими элементами. Например, в молекуле метана (СН4) углерод образует связи с четырьмя атомами водорода – одна связь между s-орбиталями водорода и углерода и три связи между p-орбиталями углерода и s-орбиталями водорода.

Схему строения атома углерода можно представить в виде записи +6C)2)4 или 1s22s22p2.

Рис. 2. Строение атома углерода.

ссылки

  1. Барроуз А., Холман Дж., Парсонс А., Пиллинг Г. и Прайс Г. (2017). Химия3: Введение в неорганическую, органическую и физическую химию. Издательство Оксфордского университета.
  2. Деминг А. (2010). Король стихий? Нанотехнологии. 21 (30): 300201. doi: 10.1088
  3. Dienwiebel, M., Верхувен, G., Pradeep, N., Frenken, J., Heimberg, J. and Zandbergen, H. (2004). Сверхсложность графита. Письма о физическом обзоре. 92 (12): 126101. doi: 10.1103
  4. Irifune, T., Kurio, A., Sakamoto, S., Inoue, T. and Sumiya, H. (2003). Материалы: сверхтвердый поликристаллический алмаз из графита. Природа. 421 (6923): 599-600. doi: 10.1038
  5. Савватимский А. (2005). Измерения температуры плавления графита и свойств жидкого углерода (обзор за 1963-2003 гг.). Carbon. 43 (6): 1115. дои: 10.1016

Азот

Химический элемент азот — находится во 2-м периоде, V группе, главной подгруппе периодической системы Д.И. Менделеева. Его электронная формула 1s22s22p3. В своих соединениях азот проявляет степени окисления –3, –2, +1,+2, +3, +4, +5.

Простое вещество азот — газ без цвета и запаха, малорастворимый в воде. Типичный неметалл. В обычных условиях химически мало активен. При нагревании вступает в окислительно-восстановительные реакции.

Азот образует оксиды состава N2O, NO, N2O3, NO2, N2O4, N2O5. При этом N2O, NO, являются несолеобразующими оксидами, для которых характерны окислительно-восстановительные реакции; N2O3, NO2, N2O4, N2O5 — солеобразующие кислотные оксиды, для которых также характерны окислительно-восстановительные реакции, в том числе реакции диспропорционирования.

Химические свойства оксидов азота:

Азот образует летучее водородное соединение состава NH3, аммиак. При обычных условиях это бесцветный газ с характерным резким запахом; температура кипения –33,7 °C, температура плавления –77,8 °C. Аммиак хорошо растворим в воде (700 объёмов NH3 на 1 объём воды при 20 °C) и ряде органических растворителей (спирт, ацетон, хлороформ, бензол).

Химические свойства аммиака:

Азот образует азотистую кислоту HNO2 (в свободном виде известна только в газовой фазе или растворах). Это слабая кислота, её соли называют нитритами.

Кроме того, азот образует очень сильную азотную кислоту HNO3. Особенностью азотной кислоты является то, что при её окислительно-восстановительных реакциях с металлами не выделяется водород, а образуются различные оксиды азота или соли аммония, например:

В реакциях с неметаллами концентрированная азотная кислота ведёт себя как сильный окислитель:

Также азотная кислота способна окислять сульфиды, йодиды и т. д.:

Подчеркнём ещё раз. Запись уравнений окислительно-восстановительных реакций с участием HNO3 обычно условна. Как правило, в них указывают лишь продукт, образующийся в большем количестве. В некоторых из таких реакций в качестве продукта восстановления обнаружен водород (реакция разбавленной HNO3 с Mg и Mn).

Соли азотной кислоты называют нитратами. Все нитраты хорошо растворимы в воде. Нитраты термически нестабильны и при нагревании легко разлагаются.

Особые случаи разложения нитрата аммония:

Общие закономерности термического разложения нитратов:

Галогены

В VIIА группе находятся фтор, хлор, бром, йод и астат. Эти элементы называют также галогенами (в переводе — рождающие соли).

На внешнем энергетическом уровне всех этих элементов находятся 7 электронов (конфигурации ns2np5), наиболее характерные степени окисления –1, +1, +5 и +7 (кроме фтора).

Атомы всех галогенов образуют простые вещества состава Hal2.

Галогены являются типичными неметаллами. При переходе от фтора к астату происходит увеличение радиуса атома, неметаллические свойства падают, происходит уменьшение окислительных и увеличение восстановительных свойств.

Физические свойства галогенов приведены в таблице 8.

В химическом отношении галогены весьма активны. Их реакционная способность убывает с увеличением порядкового номера. Некоторые характерные для них реакции приведены ниже на примере хлора:

Водородные соединения галогенов — галогеноводороды имеют общую формулу HHal. Их водные растворы являются кислотами, сила которых возрастает от HF к HI.

Галогенводородные кислоты (за исключением HF) способны реагировать с такими сильными окислителями, как KMnO4, MnO2, K2Cr2O7, CrO3 и другими, с образованием галогенов:

Галогены образуют ряд оксидов, например, для хлора известны кислотные оксиды состава Cl2O, ClO2, ClO3, Cl2O7. Все эти соединения получают косвенными методами. Они являются сильными окислителями и взрывоопасными веществами.

Наиболее устойчивым из оксидов хлора является Cl2O7. Оксиды хлора легко реагируют с водой, образуя кислородсодержащие кислоты: хлорноватистую HClO, хлористую HClO2, хлорноватую HClO3 и хлорную HClO4, например:

В промышленности бром получают при вытеснении хлором из бромидов, а в лабораторной практике — окислением бромидов:

Простое вещество бром является сильным окислителем, легко вступает в реакции со многими простыми веществами, образуя бромиды; вытесняет йод из йодидов.

Простое вещество йод, I2, представляет собой чёрные с металлическим блеском кристаллы, которые возгоняются, т. е. переходят в пар, минуя жидкое состояние. Йод мало растворим в воде, но довольно хорошо растворяется в некоторых органических растворителях (спирт, бензол и т. д.).

Йод является довольно сильным окислителем, способным к окислению ряда металлов и некоторых неметаллов.

Химические свойства

При обычных температурах углерод химически инертен, при достаточно высоких температурах соединяется со многими элементами, проявляет сильные восстановительные свойства. Химическая активность разных форм углерода убывает в ряду: аморфный углерод, графит, алмаз, на воздухе они воспламеняются при температурах соответственно выше 300—501 °C, 600—700 °C и 800—1000 °C.

Степень окисления бывает от −4 до +4. Сродство к электрону 1,27 ; энергия ионизации при последовательном переходе от С0 к С4+ соответственно 11,2604, 24,383, 47,871 и 64,19 эВ.

Неорганические соединения

Углерод реагирует со многими элементами. Соединения с неметаллами имеют свои собственные названия — метан, тетрафторметан.

Продуктами горения углерода являются CO и CO2 (монооксид углерода и диоксид углерода соответственно). Известен также неустойчивый недооксид углерода С3О2 (температура плавления −111 °C, температура кипения 7 °C) и некоторые другие оксиды (например, C12O9, C5O2, C12O12). Графит и аморфный углерод начинают реагировать с водородом при температуре 1200 °C, с фтором при 900 °C.

Углекислый газ реагирует с водой, образуя слабую угольную кислоту — H2CO3, которая образует соли — карбонаты. На Земле наиболее широко распространены карбонаты кальция (минеральные формы — мел, мрамор, кальцит, известняк и др.) и магния (минеральная форма доломит).

Графит с галогенами, щелочными металлами и др. веществами образует соединения включения. При пропускании электрического разряда между угольными электродами в атмосфере азота образуется циан. При высоких температурах взаимодействием углерода со смесью Н2 и N2 получают синильную кислоту:

Также такой же реакцией получают циан

При реакции углерода с серой получается сероуглерод CS2, известны также CS и C3S2. Получен селенид углерода CSe2. С большинством металлов углерод образует карбиды, например:

4 A l + 3 C → t A l 4 C 3 {\displaystyle {\mathsf {4Al+3C\ {\xrightarrow {t}}\ Al_{4}C_{3}}}} C a + 2 C → t C a C 2 {\displaystyle {\mathsf {Ca+2C\ {\xrightarrow {t}}\ CaC_{2}}}}

Важна в промышленности реакция углерода с водяным паром:

При нагревании углерод восстанавливает оксиды металлов до металлов. Данное свойство широко используется в металлургической промышленности.

Органические соединения

Способность углерода образовывать полимерные цепочки порождает огромный класс соединений на основе углерода, которых значительно больше, чем неорганических, и изучением которых занимается органическая химия. Среди них наиболее обширные группы: углеводороды, белки, жиры, углеводы и др.

Соединения углерода составляют основу земной жизни, а их свойства во многом определяют спектр условий, в которых подобные формы жизни могут существовать. По числу атомов в живых клетках доля углерода около 25 %, по массовой доле — около 18 %.

[править] Физические свойства

Углерод существует во многих аллотропных модификациях с очень разнообразными физическими свойствами. Разнообразие модификаций обусловлено способностью углерода образовывать химические связи разного типа. Различные аллотропные формы углерода имеют разные физические свойства. Алмаз является широкозонным полупроводником, практически изолятором. Соответственно, он имеет низкую теплопроводность. Благодаря широкой запрещенной зоне, алмаз не поглощает видимый свет, незначительное поглощение обусловлено наличием примесей. В отличие от алмаза, графит является неплохим проводником электрического тока и тепла. Для него также характерен металлический блеск. При нормальных условиях термодинамически устойчив только графит, а алмаз и другие формы метастабильны. При атмосферном давлении и температуре выше 1200 K алмаз начинает переходить в графит, выше 2100 K превращение происходит за секунды. При нормальном давлении углерод сублимируется при 3780 K. Жидкий углерод существует только при определенном внешнем давлении. Тройная точка: графит-жидкость-пар Т = 4130 K, г. = 10,7 МПа. Прямой переход графита в алмаз происходит при 3000 K и давлении 11-12 ГПа.

При давлении свыше 60 Г Па предполагают образование весьма плотной модификации C III (плотность на 15-20 % выше плотности алмаза), имеющей металлическую проводимость. При высоких давлениях и относительно низких температурах (около 1200 K) с высокоориентированных графита образуется гексагональная модификация углерода с кристаллической решеткой типа вюртцита — лонсдейлит (а = 0,252 нм, с = 0,412 нм, пространственная группа Р63/mmc), плотность 3,51 г / см, то есть такая же, как и у алмаза.

Структура

Электронные орбитали атома углерода могут иметь различную геометрию, в зависимости от степени гибридизации его электронных орбиталей. Существует три основных геометрии атома углерода:

  • Тетраэдрическая, образуется при смешивании одного s- и трех p-электронов. Атом углерода находится в центре тетраэдра, связан четырьмя эквивалентными σ-связями с атомами углерода или другими в вершинах тетраэдра. Такой геометрии атома соответствуют аллотропные модификации углерода алмаз и лонсдейлит. Такой гибридизацией обладает углерод, например, в метане и других углеводородах.
  • Тригональная, образуется при смешивании одного s- и двух p-электронов. Атом углерода имеет три равноценные σ-связи, расположенные в одной плоскости под углом 120 ° друг к другу. Не участвуя в гибридизации p-орбиталь, расположенная перпендикулярно плоскости σ-связей, используется для образования π-связей с другими атомами. Такая геометрия углерода характерна для графита, фенола и др.
  • Дигональная, образуется при смешивании одного s- и одного p-электронов. При этом два электронные облака вытянуты вдоль одного направления и имеют вид несимметричных гантелей. Два других р-электрона дают π-связи. Углерод с такой геометрией атома образует особую аллотропную модификацию — карбин.

В 2010 году сотрудники университета Ноттингема Стивен Лидл и коллеги получили соединение, в котором четыре связи атома углерода находятся в одной плоскости. Ранее возможность «плоского углерода» была предусмотрена Паулем фон Шлейером для вещества H2CLi2, но она не была синтезирована.

Химические свойства[править | править код]

При обычных температурах углерод химически инертен, при достаточно высоких соединяется со многими элементами, проявляет сильные восстановительные свойства. Химическая активность разных форм углерода убывает в ряду: аморфный углерод, графит, алмаз, на воздухе они воспламеняются при температурах соответственно выше 300—500 °C, 600—700 °C и 850—1000 °C.

Степени окисления +4, −4, редко +2 (СО, карбиды металлов), +3 (C2N2, галогенцианы); сродство к электрону 1,27 эВ; энергия ионизации при последовательном переходе от С к С4+ соответственно 11,2604, 24,383, 47,871 и 64,19 эВ.

Неорганические соединенияправить | править код

Углерод реагирует со многими элементами с образованием карбидов.

Продукты горения — оксид углерода CO и диоксид углерода СО2. Известен также неустойчивый оксид С3О2 (температура плавления −111 °C, температура кипения 7 °C) и некоторые другие оксиды. Графит и аморфный углерод начинают реагировать с Н2 при 1200 °C, с F2 — соответственно 900 °C.

CO2 с водой образует слабую угольную кислоту — H2CO3, которая образует соли — Карбонаты. На Земле наиболее широко распространены карбонаты кальция (мел, мрамор, кальцит, известняк и др. минералы) и магния (доломит).

Графит с галогенами, щелочными металлами и др. веществами образует соединения включения. При пропускании электрического разряда между угольными электродами в среде N2 образуется циан, при высоких температурах взаимодействием углерода со смесью Н2 и N2 получают синильную кислоту. С серой углерод дает сероуглерод CS2, известны также CS и C3S2. С большинством металлов, бором и кремнием углерод образует карбиды. Важна в промышленности реакция углерода с водяным паром: С + Н2О = СО + Н2 (см. Газификация твердых топлив). При нагревании углерод восстанавливает оксиды металлов до металлов, что широко используется в металлургии.

Органические соединенияправить | править код

Благодаря способности углерода образовывать полимерные цепочки, существует огромный класс соединений на основе углерода, которых значительно больше, чем неорганических, и изучением которых занимается органическая химия. Среди них наиболее обширные группы: углеводороды, белки, жиры и др.

Свойства атома углерода:

200 Свойства атома  
201 Атомная масса (молярная масса)* 12,0096-12,0116 а.е.м. (г/моль)
202 Электронная конфигурация 1s2 2s2 2p2
203 Электронная оболочка

K2 L4 M0 N0 O0 P0 Q0 R0

204 Радиус атома (вычисленный) 67 пм
205 Эмпирический радиус атома 70 пм
206 Ковалентный радиус* 76 пм
207 Радиус иона (кристаллический) C4+

29 (4) пм,

30 (6) пм

(в скобках указано координационное число – характеристика, которая определяет число ближайших частиц (ионов или атомов) в молекуле или кристалле)

208 Радиус Ван-дер-Ваальса 170 пм
209 Электроны, Протоны, Нейтроны 6 электронов, 6 протонов, 6 нейтронов
210 Семейство (блок) элемент p-семейства
211 Период в периодической таблице 2
212 Группа в периодической таблице 14-ая группа (по старой классификации – главная подгруппа 4-ой группы)
213 Эмиссионный спектр излучения

Фосфор

Химический элемент фосфор расположен в 3-м периоде, V группе, главной подгруппе периодической системы Д.И. Менделеева. Его электронная формула 1s22s22p63s23p3.

Простое вещество фосфор существует в виде нескольких аллотропных модификаций (аллотропия состава). Белый фосфор Р4, при комнатной температуре мягкий, плавится, кипит без разложения. Красный фосфор Pn, состоит из полимерных молекул разной длины. При нагревании возгоняется. Чёрный фосфор состоит из непрерывных цепей Pn, имеет слоистую структуру, по внешнему виду похож на графит. Наиболее реакционноспособным является белый фосфор.

В промышленности фосфор получают прокаливанием фосфата кальция с углём и песком при 1500 °C:

В приведённые ниже реакции вступают любые модификации фосфора, если нет особых оговорок:

Фосфор образует летучее водородное соединение — фосфин, PH3. Это газообразное соединение с крайне неприятным резким запахом. Его соли в отличие от солей аммиака существуют только при низких температурах. Фосфин легко вступает в окислительно-восстановительные реакции:

Фосфор образует два кислотных оксида: P2O3 и P2O5. Последнему соответствует фосфорная (ортофосфорная) кислота H3PO4. Это трёхосновная кислота средней силы, которая образует три ряда солей: средние (фосфаты) и кислые (гидро- и дигидрофосфаты). Ниже приведены уравнения химических реакций, характерные для данных соединений: