Elementin ominaisuus

6 C 1s 2 2s 2 2p 2

Isotoopit: 12 C (98,892 %); 13C (1,108 %); 14 C (radioaktiivinen)

Clark maankuoressa 0,48 painoprosenttia. Sijaintilomakkeet:

vapaassa muodossa (hiili, timantit);

karbonaattien koostumuksessa (CaCO 3, MgCO 3 jne.);

fossiilisten polttoaineiden (hiili, öljy, kaasu) koostumuksessa;

CO 2 -muodossa - ilmakehässä (0,03 tilavuusprosenttia);

valtamerissä - HCO 3 -anionien muodossa;

elävän aineen koostumuksessa (-18 % hiiltä).

Hiiliyhdisteiden kemia on pohjimmiltaan orgaanista kemiaa. Epäorgaanisen kemian aikana tutkitaan seuraavia C-pitoisia aineita: vapaa hiili, oksidit (CO ja CO 2), hiilihappo, karbonaatit ja bikarbonaatit.

Ilmainen hiili. Allotropia.

Vapaassa tilassa hiili muodostaa 3 allotrooppista modifikaatiota: timantti, grafiitti ja keinotekoisesti saatu karbiini. Nämä hiilen muunnelmat eroavat kidekemiallisesta rakenteesta ja fysikaalisista ominaisuuksista.

Timantti

Timanttikiteessä jokainen hiiliatomi on sidottu vahvoilla kovalenttisilla sidoksilla neljään muuhun saman etäisyyden päähän sen ympärillä.

Kaikki hiiliatomit ovat sp3-hybridisaatiotilassa. Timantin atomikidehilalla on tetraedrirakenne.

Timantti on väritön, läpinäkyvä, erittäin taittava aine. Sillä on suurin kovuus kaikista tunnetuista aineista. Timantti on hauras, tulenkestävä, johtaa huonosti lämpöä ja sähköä. Pienet etäisyydet vierekkäisten hiiliatomien välillä (0,154 nm) määräävät timantin melko suuren tiheyden (3,5 g/cm 3 ).

Grafiitti

Grafiitin kidehilassa jokainen hiiliatomi on sp 2 -hybridisaatiotilassa ja muodostaa kolme vahvaa kovalenttista sidosta samassa kerroksessa sijaitsevien hiiliatomien kanssa. Jokaisen atomin kolme elektronia, hiili, osallistuu näiden sidosten muodostumiseen, ja neljännet valenssielektroni muodostavat n-sidoksia ja ovat suhteellisen vapaita (liikkuvia). Ne määrittävät grafiitin sähkön ja lämmönjohtavuuden.

Samassa tasossa olevien vierekkäisten hiiliatomien välisen kovalenttisen sidoksen pituus on 0,152 nm ja C-atomien välinen etäisyys eri kerroksissa on 2,5 kertaa suurempi, joten niiden väliset sidokset ovat heikkoja.

Grafiitti on läpinäkymätön, pehmeä, kosketukselle rasvainen aine, jonka väri on harmaa-musta ja jolla on metallinhohto; johtaa hyvin lämpöä ja sähköä. Grafiitin tiheys on pienempi kuin timantilla, ja se halkeaa helposti ohuiksi hiutaleiksi.

Hienokiteisen grafiitin epäjärjestynyt rakenne on amorfisen hiilen eri muotojen rakenteen taustalla, joista tärkeimmät ovat koksi, ruskea- ja mustahiili, noki ja aktiivihiili.

Karbiini

Tämä hiilen allotrooppinen modifikaatio saadaan asetyleenin katalyyttisellä hapetuksella (dehydropolykondensaatiolla). Carbyne on ketjupolymeeri, jolla on kaksi muotoa:

C=C-C=C-... ja...=C=C=C=

Karbiinilla on puolijohdeominaisuuksia.

Hiilen kemialliset ominaisuudet

Tavallisessa lämpötilassa molemmat hiilen muunnelmat (timantti ja grafiitti) ovat kemiallisesti inerttejä. Grafiitin hienokiteiset muodot - koksi, noki, Aktiivihiili- reaktiivisempia, mutta pääsääntöisesti niiden alustavan kuumentamisen jälkeen korkeaan lämpötilaan.

C - aktiivinen pelkistävä aine:

1. Vuorovaikutus hapen kanssa

C + O 2 \u003d CO 2 + 393,5 kJ (yli O 2)

2C + O 2 \u003d 2CO + 221 kJ (O 2:n puutteella)

Hiilen poltto on yksi tärkeimmistä energianlähteistä.

2. Vuorovaikutus fluorin ja rikin kanssa.

C + 2F 2 = CF 4 hiilitetrafluoridi

C + 2S \u003d CS 2 hiilidisulfidi

3. Koksi on yksi tärkeimmistä teollisuudessa käytetyistä pelkistysaineista. Metallurgiassa sitä käytetään metallien valmistukseen oksideista, esimerkiksi:

ZS + Fe 2 O 3 \u003d 2Fe + ZSO

C + ZnO = Zn + CO

4. Kun hiili on vuorovaikutuksessa alkali- ja maa-alkalimetallien oksidien kanssa, pelkistetty metalli yhdistyy hiilen kanssa muodostaen karbidia. Esimerkiksi: 3C + CaO \u003d CaC 2 + CO kalsiumkarbidi

5. Koksia käytetään myös piin saamiseksi:

2C + SiO 2 \u003d Si + 2CO

6. Ylimääräisellä koksilla muodostuu piikarbidia (karborundi) SiC:tä.

"Vesikaasun" saaminen (kiinteän polttoaineen kaasutus)

Ohjaamalla vesihöyryä kuuman hiilen läpi saadaan CO:n ja H2:n palava seos, jota kutsutaan vesikaasuksi:

C + H 2 O \u003d CO + H 2

7. Reaktiot hapettavien happojen kanssa.

Aktiivihiili tai hiili palauttaa kuumennettaessa NO 3 - ja SO 4 2 - anionit väkevistä hapoista:

C + 4HNO 3 \u003d CO 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

C + 2H 2SO 4 \u003d CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O

8. Reaktiot sulien nitraattien kanssa alkalimetallit

KNO 3 - ja NaNO 3 -sulaissa murskattu kivihiili palaa intensiivisesti muodostaen sokaisevan liekin:

5C + 4KNO 3 \u003d 2K 2CO 3 + ZCO 2 + 2N 2

C - matala-aktiivinen hapetin:

1. Suolamaisten karbidien muodostuminen aktiiviset metallit.

Hiilen ei-metallisten ominaisuuksien merkittävä heikkeneminen ilmenee siinä, että sen tehtävät hapettavana aineena ilmenevät paljon vähemmän kuin pelkistävät toiminnot.

2. Vain reaktioissa aktiivisten metallien kanssa hiiliatomit siirtyvät negatiivisesti varautuneiksi ioneiksi C -4 ja (C \u003d C) 2- muodostaen suolan kaltaisia ​​karbideja:

ZS + 4Al \u003d Al 4 C 3 alumiinikarbidi

2C + Ca \u003d CaC 2 kalsiumkarbidi

3. Ionityyppiset karbidit ovat erittäin epästabiileja yhdisteitä, ne hajoavat helposti happojen ja veden vaikutuksesta, mikä osoittaa negatiivisesti varautuneiden hiilianionien epävakauden:

Al 4 C 3 + 12H 2 O \u003d ZSN 4 + 4Al (OH) 3

CaC 2 + 2H 2 O \u003d C 2 H 2 + Ca (OH) 2

4. Kovalenttisten yhdisteiden muodostuminen metallien kanssa

Hiilen ja siirtymämetallien seosten sulatuksissa karbideja muodostuu pääasiassa kovalenttisella sidoksella. Niiden molekyyleillä on vaihteleva koostumus, ja aineet ovat yleensä lähellä metalliseoksia. Tällaiset karbidit ovat erittäin kestäviä, ne ovat kemiallisesti inerttejä vettä, happoja, emäksiä ja monia muita reagensseja kohtaan.

5. Vuorovaikutus vedyn kanssa

Korkealla T:lla ja P:llä nikkelikatalyytin läsnä ollessa hiili yhdistyy vedyn kanssa:

C + 2HH 2 → CNN 4

Reaktio on hyvin palautuva, eikä sillä ole käytännön merkitystä.

Timantin rakenne (a) ja grafiitti (b)

Hiili(Latina carboneum) - C, Mendelejevin jaksollisen järjestelmän IV-ryhmän kemiallinen alkuaine, atominumero 6, atomimassa 12.011. Sitä esiintyy luonnossa timantin, grafiitin tai fullereenikiteinä ja muissa muodoissa ja se on osa orgaanista (hiili, öljy, eläin- ja kasviorganismit jne.) eikä eloperäinen aine(kalkkikivi, ruokasooda jne.). Hiili on laajalle levinnyt, mutta sen pitoisuus maankuoressa on vain 0,19 %.

Hiiltä käytetään laajalti yksinkertaisten aineiden muodossa. Arvokkaiden timanttien lisäksi, jotka ovat aiheena korut, hyvin tärkeä on teollisuustimantteja - hioma- ja leikkaustyökalujen valmistukseen. Hiiltä ja muita amorfisia hiilen muotoja käytetään värinpoistoon, puhdistukseen, kaasujen adsorptioon tekniikan aloilla, joissa tarvitaan kehittyneen pinnan omaavia adsorbentteja. Karbidit, hiilen yhdisteet metallien sekä boorin ja piin kanssa (esim. Al 4 C 3, SiC, B 4 C) ovat erittäin kovia ja niitä käytetään hioma- ja leikkaustyökalujen valmistukseen. Teräksissä ja seoksissa on hiiltä alkuainetilassa ja karbidien muodossa. Teräsvalujen pinnan kyllästyminen hiilellä korkea lämpötila(sementointi) lisää merkittävästi pinnan kovuutta ja kulutuskestävyyttä.

Historiallinen viittaus

Grafiitti, timantti ja amorfinen hiili ovat olleet tunnettuja antiikista lähtien. On jo pitkään tiedetty, että grafiitilla voidaan merkitä muita materiaaleja, ja itse nimi "grafiitti", joka tulee Kreikan sana, joka tarkoittaa "kirjoittaa", ehdotti A. Werner vuonna 1789. Grafiitin historia on kuitenkin sekava, usein aineet, joilla on samanlainen ulkoinen fyysiset ominaisuudet, kuten molybdeniitti (molybdeenisulfidi), jota pidettiin aikoinaan grafiittina. Muiden grafiitin nimien joukossa tunnetaan "musta lyijy", "rautakarbidi", "hopealyijy".

Vuonna 1779 K. Scheele havaitsi, että grafiitti voidaan hapettaa ilman kanssa hiilidioksidiksi. Ensimmäistä kertaa timantteja käytettiin Intiassa, ja Brasiliassa jalokivet saivat kaupallisen merkityksen vuonna 1725; talletukset sisään Etelä-Afrikka avattiin vuonna 1867.

1900-luvulla Tärkeimmät timantin tuottajat ovat Etelä-Afrikka, Zaire, Botswana, Namibia, Angola, Sierra Leone, Tansania ja Venäjä. Keinotekoisia timantteja, joiden tekniikka luotiin vuonna 1970, valmistetaan teollisiin tarkoituksiin.

Ominaisuudet

Neljä hiilen kiteistä muunnelmaa tunnetaan:

• grafiitti,
• timantti,
• karbiini,
• lonsdaleite.

Grafiitti- harmaa-musta, läpinäkymätön, rasvainen kosketukselle, hilseilevä, erittäin pehmeä massa, jossa on metallinen kiilto. Huoneenlämpötilassa ja normaalipaineessa (0,1 MN/m2 tai 1 kgf/cm2) grafiitti on termodynaamisesti stabiilia.

Timantti- erittäin kiinteä, kiteinen aine. Kiteillä on kuutiomainen kasvokeskeinen hila. Huoneenlämmössä ja normaalipaineessa timantti on metastabiili. Timantin huomattava muuttuminen grafiitiksi havaitaan yli 1400 °C:n lämpötiloissa tyhjiössä tai inertissä ilmakehässä. Ilmakehän paineessa ja noin 3700 °C:n lämpötilassa grafiitti sublimoituu.

Nestemäistä hiiltä voidaan saada yli 10,5 MN/m2 (105 kgf/cm2) paineissa ja yli 3700°C lämpötiloissa. Kiinteälle hiilelle (koksi, noki, puuhiili) on myös ominaista tila, jossa on epäjärjestynyt rakenne - niin kutsuttu "amorfinen" hiili, joka ei ole itsenäinen muunnos; sen rakenne perustuu hienorakeisen grafiitin rakenteeseen. Joidenkin "amorfisen" hiilen lajikkeiden kuumentaminen yli 1500-1600 °C ilman ilmaa aiheuttaa niiden muuttumisen grafiitiksi.

"Amorfisen" hiilen fysikaaliset ominaisuudet riippuvat erittäin voimakkaasti hiukkasten dispersiosta ja epäpuhtauksien läsnäolosta. "Amorfisen" hiilen tiheys, lämpökapasiteetti, lämmönjohtavuus ja sähkönjohtavuus ovat aina korkeampia kuin grafiitin.

Karbiini saatu keinotekoisesti. Se on hienojakoinen musta jauhe (tiheys 1,9-2 g / cm 3). Rakennettu pitkistä atomiketjuista Kanssa asetettu rinnakkain toistensa kanssa.

Lonsdaleite löydetty meteoriiteista ja saatu keinotekoisesti; sen rakennetta ja ominaisuuksia ei ole lopullisesti selvitetty.

Hiilen ominaisuudet
atominumero		6
Atomimassa		12,011
Isotoopit:	vakaa	12, 13
	epävakaa	8, 9, 10, 11, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22
Sulamislämpötila		3550 °C
Kiehumislämpötila		4200 °C
Tiheys		1,9-2,3 g / cm3 (grafiitti) 3,5-3,53 g / cm 3 (timantti)
Kovuus (Mohs)		1-2
Sisältö maankuoressa (massa)		0,19%
Hapetustilat		-4; +2; +4

Seokset

Teräs

Koksia käytetään metallurgiassa pelkistimenä. Puuhiili - takomoissa ruudin saamiseksi (75% KNO 3 + 13% C + 12% S), kaasujen imemiseen (adsorptio) sekä jokapäiväisessä elämässä. Nokea käytetään kumin täyteaineena, mustien maalien valmistukseen - painomusteen ja musteen sekä kuivissa galvaanisissa kennoissa. Lasimaista hiiltä käytetään erittäin aggressiivisiin ympäristöihin tarkoitettujen laitteiden valmistuksessa sekä ilmailussa ja astronautiikassa.

Aktiivihiili imee haitallisia aineita kaasuista ja nesteistä: ne täyttävät kaasunaamarit, puhdistusjärjestelmät, sitä käytetään lääketieteessä myrkytykseen.

Hiili on kaikkien orgaanisten aineiden perusta. Jokainen elävä organismi koostuu suurelta osin hiilestä. Hiili on elämän perusta. Elävien organismien hiilen lähde on yleensä ilmakehästä tai vedestä peräisin oleva CO 2. Fotosynteesin seurauksena se pääsee biologiseen ruokaketjut, jossa elävät olennot syövät toisiaan tai toistensa jäännöksiä ja ottavat siten hiiltä oman kehonsa rakentamiseksi. biologinen kierto Hiili joko hapettuu ja vapautuu uudelleen ilmakehään tai hautautuu hiileksi tai öljyksi.

Radioaktiivisen isotoopin 14 C käyttö vaikutti molekyylibiologian menestykseen tutkittaessa proteiinien biosynteesin ja siirtymisen mekanismeja perinnöllistä tietoa. 14 C:n ominaisaktiivisuuden määrittäminen hiilipitoisista orgaanisista jäännöksistä mahdollistaa niiden iän arvioimisen, jota käytetään paleontologiassa ja arkeologiassa.

Lähteet

Kemialliset alkuaineet ja materiaalit
Kemialliset alkuaineet	Typpi. Argon. Vety. Helium. rautaa. Kalsium. Happi. Pii. Magnesium. Mangaani.

Orgaanista elämää maapallolla edustavat hiiliyhdisteet. Elementti on osa pääkomponentteja solujen rakenteet: proteiinit, hiilihydraatit ja rasvat, ja se muodostaa myös perinnöllisyysaineen - deoksiribonukleiinihapon - perustan. Epäorgaanisessa luonnossa hiili on yksi yleisimmistä muodostuvista alkuaineista maankuoren ja planeetan ilmakehään. Orgaaninen kemia kemian tieteen osana on täysin omistettu kemiallisen alkuaineen hiilen ja sen yhdisteiden ominaisuuksille. Artikkelissamme tarkastellaan hiilen fysikaalis-kemiallisia ominaisuuksia ja sen ominaisuuksien ominaisuuksia.

Elementin paikka Mendelejevin jaksollisessa järjestelmässä

Hiilen alaryhmä on ryhmän IV pääalaryhmä, johon kuuluvat hiilen lisäksi myös pii, germanium, tina ja lyijy. Kaikilla luetelluilla elementeillä on sama ulkoisen energiatason rakenne, jolla sijaitsee neljä elektronia. Tämä määrittää niiden kemiallisten ominaisuuksien samankaltaisuuden. Normaalitilassa alaryhmän alkuaineet ovat kaksiarvoisia, ja kun niiden atomit siirtyvät virittyneeseen tilaan, niiden valenssi on yhtä suuri kuin 4. Fysikaaliset ja Kemialliset ominaisuudet hiili riippuu sen atomin elektronikuorten tilasta. Siten reaktiossa hapen kanssa alkuaine, jonka hiukkaset ovat virittymättömässä tilassa, muodostaa välinpitämättömän oksidin CO. Viritetyssä tilassa olevat hiiliatomit hapettuvat hiilidioksidiksi, jolla on happamia ominaisuuksia.

Hiilen muodot luonnossa

Timantti, grafiitti ja karbiini ovat kolme allotrooppista muunnelmaa hiilestä yksinkertaisena aineena. Kirkkaita kristalleja korkea tutkinto valonsäteiden taittuminen, jotka ovat luonnon kovimpia yhdisteitä - nämä ovat timantteja. Ne johtavat huonosti lämpöä ja ovat dielektrisiä. Kidehila on atomimainen, erittäin vahva. Siinä jokaista elementin atomia ympäröi neljä muuta hiukkasta, jotka muodostavat säännöllisen tetraedrin.

Täysin erilaiset hiiltä muodostavan grafiitin fysikaalis-kemialliset ominaisuudet. Se on kosketukselle rasvaista kiteistä ainesta, jonka väri on tummanharmaa. Sillä on kerrosrakenne, atomikerrosten väliset etäisyydet ovat melko suuret, kun taas niiden vetovoimat ovat heikkoja. Siksi grafiittisauvaa painettaessa aine kerrostuu ohuiksi hiutaleiksi. Ne jättävät paperiin tumman jäljen. Grafiitti on lämpöä johtavaa ja sähkönjohtavuudeltaan hieman metallia huonompi.

Kyky johtaa sähkövirtaa selittyy aineen kiteen rakenteella. Siinä hiilihiukkaset sidotaan kolmeen muuhun vahvojen kovalenttisten sidosten avulla. kemialliset sidokset. Jokaisen atomin neljäs valenssielektroni pysyy vapaana ja pystyy liikkumaan aineen paksuudessa. Suunnattu liike negatiivisesti varautuneiden hiukkasten ja aiheuttaa ulkonäköä sähkövirta. Grafiitin käyttöalueet ovat monipuoliset. Siten sitä käytetään elektrodien valmistukseen sähkötekniikassa ja elektrolyysiprosessissa, jolla saadaan esimerkiksi puhtaita alkalimetalleja. Grafiitti on löytänyt sovelluksen ydinreaktoreissa säätelemään niissä tapahtuvien ketjureaktioiden nopeutta neutronien hidastajana. On tunnettua käyttää ainetta liuskekiven tankoina tai voiteluaineina mekanismien hankausosissa.

Mikä on karbiini?

Musta kiteinen jauhe, jolla on lasimainen kiilto, on karbiinia. Se syntetisoitiin 1900-luvun puolivälissä Venäjällä. Aine ylittää kovuudessa grafiitin, on kemiallisesti passiivinen, sillä on puolijohteen ominaisuudet ja se on hiilen stabiilin muunnos. Liitos on vahvempi kuin grafiitti. On myös sellaisia ​​hiilen muotoja, joiden kemialliset ominaisuudet eroavat toisistaan. Näitä ovat noki, puuhiili ja koksi.

Erilaisia ​​ominaisuuksia hiilen allotrooppiset modifikaatiot selittyvät niiden kidehilojen rakenteella. Se on tulenkestävä aine, väritön ja hajuton. AT orgaaniset liuottimet liukenematon, mutta pystyy muodostamaan kiinteitä liuoksia - seoksia, esimerkiksi raudan kanssa.

Hiilen kemialliset ominaisuudet

Riippuen aineesta, jonka kanssa hiili reagoi, sillä voi olla kaksi ominaisuutta: sekä pelkistävä aine että hapettava aine. Esimerkiksi sulattamalla koksia metallien kanssa saadaan niiden yhdisteitä - karbideja. Reaktiossa vedyn kanssa muodostuu hiilivetyjä. Nämä ovat orgaanisia yhdisteitä, esimerkiksi metaani, eteeni, asetyleeni, joissa, kuten metallien tapauksessa, hiilen hapetusaste on -4. Elpyminen kemialliset reaktiot hiili, jonka ominaisuuksia tutkimme, ilmenee sen vuorovaikutuksessa hapen, halogeenien, veden ja emäksisten oksidien kanssa.

Hiilen oksidit

Polttamalla hiiltä ilmassa, jossa on alhainen happipitoisuus, hiilimonoksidi- kaksiarvoisen hiilen oksidi. Se on väritön, hajuton ja erittäin myrkyllinen. Yhdistettynä veren hemoglobiiniin hengityksen aikana, hiilimonoksidi jakautuu kaikkialle ihmiskehon aiheuttaen myrkytyksen ja sitten tukehtumiskuoleman. Luokituksessa aine korvaa välinpitämättömät oksidit, ei reagoi veden kanssa, eikä emäs tai happo vastaa sitä. Hiilen, jonka valenssi on 4, kemialliset ominaisuudet eroavat aiemmin käsitellyistä ominaisuuksista.

Hiilidioksidi

Väritön kaasumainen aine muuttuu 15 °C:n lämpötilassa ja yhden ilmakehän paineessa kiinteään faasiin. Sitä kutsutaan kuivajääksi. CO 2 -molekyylit ovat ei-polaarisia, vaikka kovalenttinen sidos hapen ja hiiliatomien välillä on polaarinen. Yhdiste kuuluu happamiin oksideihin. Vuorovaikutuksessa veden kanssa se muodostaa hiilihappoa. Hiilidioksidin ja yksinkertaisten aineiden väliset reaktiot tunnetaan: metallit ja ei-metallit, esimerkiksi magnesiumin, kalsiumin tai koksin kanssa. Niissä se toimii hapettavana aineena.

Laadullinen reaktio hiilidioksidille

Sen varmistamiseksi, että tutkittava kaasu todella on hiilimonoksidia CO 2, suoritetaan seuraava koe epäorgaanisessa kemiassa: aine johdetaan läpinäkyvän kalkkivesiliuoksen läpi. Liuoksen sameuden havainnointi valkoisen kalsiumkarbonaattisakan saostumisen vuoksi vahvistaa hiilidioksidimolekyylien läsnäolon reagenssiseoksessa. Kun kaasua kuljetetaan edelleen kalsiumhydroksidiliuoksen läpi, CaCO 3 -sakka liukenee, koska se muuttuu kalsiumbikarbonaatiksi, vesiliukoiseksi suolaksi.

Hiilen rooli masuuniprosessissa

Hiilen kemiallisia ominaisuuksia käytetään teollisuustuotanto rauta malmeistaan: magneettinen, punainen tai ruskea rautamalmi. Tärkeimmät niistä ovat hiilen ja oksidien - hiilimonoksidin ja hiilidioksidin - pelkistävät ominaisuudet. Masuunissa tapahtuvat prosessit voidaan esittää seuraavana reaktiosarjana:

• Ensin koksi palaa ilmavirrassa, joka on lämmitetty 1 850 °C:seen, jolloin muodostuu hiilidioksidia: C + O 2 = CO 2.
• Kulkiessaan kuuman hiilen läpi se pelkistyy hiilimonoksidiksi: CO 2 + C = 2CO.
• Hiilimonoksidi reagoi rautamalmin kanssa, jolloin syntyy rautaoksidia: 3Fe 2 O 3 + CO \u003d 2Fe 3 O 4 + CO 2, Fe 3 O 4 + CO \u003d 3FeO + CO 2.
• Raudan tuotantoreaktiolla on seuraava muoto: FeO + CO \u003d Fe + CO 2

Sula rauta liuottaa hiilimonoksidin ja hiilimonoksidin seoksen itsessään, jolloin muodostuu aine - sementiitti.

Masuunissa sulatettu valurauta sisältää raudan lisäksi jopa 4,5 % hiiltä ja muita epäpuhtauksia: mangaania, fosforia, rikkiä. Teräs, joka eroaa valuraudasta useilla tavoilla, kuten valssaus- ja taontakyvyllään, sisältää vain 0,3-1,7 % hiiltä. Terästuotteita löytyi laaja sovellus lähes kaikilla teollisuudenaloilla: koneenrakennus, metallurgia, lääketiede.

Artikkelissamme selvisimme, missä hiilen ja sen yhdisteiden kemiallisia ominaisuuksia käytetään eri aloilla ihmisen toiminta.

Tässä kirjassa sana "hiili" esiintyy melko usein: tarinoissa vihreästä lehdestä ja raudasta, muoveista ja kiteistä ja monissa muissa tarinoissa. Hiili - "laakerihiili" - yksi upeimmista kemiallisia alkuaineita. Sen historia on elämän syntymisen ja kehityksen historiaa maan päällä, koska se on osa kaikkea maapallon elämää.

Miltä hiili näyttää?

Tehdään joitain kokeita. Ota sokeri ja lämmitä ilman ilmaa. Se sulaa ensin, muuttuu ruskeaksi ja muuttuu sitten mustaksi ja muuttuu hiileksi vapauttaen vettä. Jos nyt lämmitämme tämän hiilen läsnäollessa, se palaa ilman jäännöksiä ja muuttuu . Joten sokeri koostui hiilestä ja vedestä (sokeria muuten kutsutaan hiilihydraatiksi) ja "sokerihiilestä" - tämä ilmeisesti on puhdasta hiiltä koska hiilidioksidi on hiilen ja hapen yhdistelmä. Hiili on siis mustaa, pehmeää jauhetta.

Otetaan harmaa pehmeä grafiittikivi, jonka tunnet hyvin kynien ansiosta. Jos sitä kuumennetaan hapessa, se palaa myös ilman jäännöstä, vaikkakin hieman hitaammin kuin kivihiili, ja hiilidioksidi jää laitteeseen, jossa se paloi. Joten grafiitti on myös puhdasta hiiltä? Tietenkin, mutta siinä ei vielä kaikki.

Jos timanttia kuumennetaan samassa laitteessa hapessa, läpinäkyvä kuohuva helmi, vaikein kaikista mineraaleista, se palaa myös hiilidioksidiksi. Jos kuumennat timanttia ilman happea, se muuttuu grafiitiksi, ja erittäin nopeasti korkeat paineet ja lämpötiloissa, on mahdollista saada timanttia grafiitista.

Joten hiili, grafiitti ja timantti ovat useita muotoja yhden ja saman alkuaineen - hiilen - olemassaolo.

Vielä yllättävämpää on hiilen kyky "osallistua" valtavaan määrään erilaisia ​​yhdisteitä (siksi sana "hiili" esiintyy niin usein tässä kirjassa).

Periodisen järjestelmän 104 elementtiä muodostavat yli neljäkymmentä tuhatta tutkittua yhdistettä. Ja yli miljoona yhdistettä tunnetaan jo, jonka perustana on hiili!

Syy tähän monimuotoisuuteen on se, että hiiliatomit voivat yhdistyä keskenään ja muiden atomien kanssa. vahva sidos, muodostaen kompleksin ketjujen, renkaiden ja muiden muotojen muodossa. Mikään taulukon elementti hiili lukuun ottamatta ei pysty tähän.

Hiiliatomeista voidaan rakentaa ääretön määrä hahmoja, ja siksi ääretön määrä mahdollisia yhdisteitä. Tämä voi olla erittäin yksinkertaiset aineet Esimerkiksi valaistuskaasu metaani, jonka molekyylissä neljä atomia on sitoutunut yhteen hiiliatomiin ja niin monimutkainen, että niiden molekyylien rakennetta ei ole vielä selvitetty. Tällaisia ​​aineita ovat mm

Hiili (C) on tyypillinen ei-metallinen; sisään jaksollinen järjestelmä on IV ryhmän, pääalaryhmän, 2. jaksossa. Järjestysluku 6, Ar = 12,011 amu, ydinvaraus +6.

Fyysiset ominaisuudet: hiili muodostaa monia allotrooppisia modifikaatioita: timantti- yksi kovimmista aineista grafiitti, kivihiili, noki.

Hiiliatomissa on 6 elektronia: 1s 2 2s 2 2p 2 . Kaksi viimeistä elektronia sijaitsevat erillisissä p-orbitaaleissa ja ovat parittomia. Periaatteessa tämä pari voisi miehittää yhden kiertoradan, mutta tässä tapauksessa elektronien välinen hylkiminen kasvaa voimakkaasti. Tästä syystä toinen niistä ottaa 2p x ja toinen joko 2p y , tai 2p z-orbitaalit.

Ulkokerroksen s- ja p-alatasojen energioiden ero on pieni, joten atomi siirtyy melko helposti virittyneeseen tilaan, jossa toinen 2s-orbitaalin kahdesta elektronista siirtyy vapaaseen 2r. Syntyy valenssitila, jolla on konfiguraatio 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 . Juuri tämä hiiliatomin tila on ominaista timanttihilalle - tetraedriselle tilajärjestely hybridiradat, sama pituus ja sidosenergia.

Tämä ilmiö tunnetaan nimellä sp 3 -hybridisaatio, ja tuloksena olevat funktiot ovat sp 3 -hybridi . Neljän sp3-sidoksen muodostuminen antaa hiiliatomille stabiilimman tilan kuin kolme rr- ja yksi s-s-sidos. Sp3-hybridisaation lisäksi sp2- ja sp-hybridisaatiota havaitaan myös hiiliatomissa . Ensimmäisessä tapauksessa kyseessä on keskinäinen päällekkäisyys s- ja kaksi p-orbitaalia. Muodostuu kolme ekvivalenttia sp 2 -hybridiorbitaalia, jotka sijaitsevat samassa tasossa 120 ° kulmassa toisiinsa nähden. Kolmas kiertorata p on muuttumaton ja suunnattu kohtisuoraan tasoon nähden sp2.

Sp-hybridisaatiossa s- ja p-orbitaalit menevät päällekkäin. Muodostuneiden kahden ekvivalentin hybridiorbitaalin välille syntyy 180° kulma, kun taas kummankin atomin kaksi p-orbitaalia pysyvät muuttumattomina.

Hiilen allotropia. timantti ja grafiitti

Grafiittikiteessä hiiliatomit sijaitsevat yhdensuuntaisissa tasoissa, miehittäen niissä säännöllisten kuusikulmioiden kärjet. Kukin hiiliatomeista on liittynyt kolmeen vierekkäiseen sp2-hybridisidokseen. Yhdensuuntaisten tasojen välinen kytkentä tapahtuu van der Waalsin voimien vaikutuksesta. Jokaisen atomin vapaat p-orbitaalit on suunnattu kohtisuoraan kovalenttisten sidosten tasoihin nähden. Niiden päällekkäisyys selittää ylimääräisen π-sidoksen hiiliatomien välillä. Joten alkaen valenssitila, jossa hiiliatomit ovat aineessa, tämän aineen ominaisuudet riippuvat.

Hiilen kemialliset ominaisuudet

Tyypillisimmät hapetustilat: +4, +2.

klo matalat lämpötilat hiili on inerttiä, mutta kuumennettaessa sen aktiivisuus lisääntyy.

Hiili pelkistimenä:

- hapella
C 0 + O 2 - t ° \u003d CO 2 hiilidioksidi
hapen puutteella - epätäydellinen palaminen:
2C 0 + O 2 - t° = 2C +2 O hiilimonoksidi

- fluorilla
C + 2F 2 = CF 4

- höyryllä
C 0 + H 2 O - 1200 ° \u003d C + 2 O + H 2 vesikaasu

- metallioksidien kanssa. Tällä tavalla metalli sulatetaan malmista.
C 0 + 2CuO - t ° \u003d 2Cu + C +4 O 2

- happojen kanssa - hapettimia:
C 0 + 2H 2SO 4 (konsentr.) \u003d C +4 O 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
С 0 + 4HNO 3 (konsentr.) = С +4 O 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

- muodostaa rikin kanssa hiilidisulfidia:
C + 2S 2 \u003d CS 2.

Hiili hapettavana aineena:

- muodostaa karbideja joidenkin metallien kanssa

4Al + 3C 0 \u003d Al 4 C 3

Ca + 2C 0 \u003d CaC 2 -4

- vedyllä - metaanilla (sekä valtavalla määrällä orgaanisia yhdisteitä)

C 0 + 2H 2 \u003d CH 4

- piin kanssa muodostaa karborundia (2000 °C:ssa sähköuunissa):

Hiilen löytäminen luonnosta

Vapaa hiili esiintyy timanttina ja grafiittina. Yhdisteiden muodossa hiiltä löytyy mineraaleista: liitu, marmori, kalkkikivi - CaCO 3, dolomiitti - MgCO 3 * CaCO 3; bikarbonaatit - Mg (HCO 3) 2 ja Ca (HCO 3) 2, CO 2 on osa ilmaa; hiili on pääasia olennainen osa luonnolliset orgaaniset yhdisteet - kaasu, öljy, kivihiili, turve, ovat osa orgaanisia aineita, proteiineja, rasvoja, hiilihydraatteja, aminohappoja, jotka ovat osa eläviä organismeja.

Epäorgaaniset hiiliyhdisteet

Ei C4+-ioneja eikä C4- - minkään normaalin alapuolella kemiallisia prosesseja ei muodostu: hiiliyhdisteissä on kovalenttisia sidoksia, joilla on eri polaarisuus.

Hiilimonoksidi (II) NIIN

Hiilimonoksidi; väritön, hajuton, niukkaliukoinen veteen, liukenee orgaanisiin liuottimiin, myrkyllinen, kp = -192°C; t neliötä = -205 °C.

Kuitti
1) Teollisuudessa (kaasugeneraattoreissa):
C + O 2 = CO 2

2) Laboratoriossa - muurahaishapon tai oksaalihapon lämpöhajoaminen H 2 SO 4:n (konsentraatio) läsnä ollessa:
HCOOH = H2O + CO

H 2 C 2 O 4 \u003d CO + CO 2 + H 2 O

Kemialliset ominaisuudet

klo normaaleissa olosuhteissa CO on inertti; kuumennettaessa - pelkistävä aine; ei-suolaa muodostava oksidi.

1) hapella

2C +2 O + O 2 \u003d 2C +4 O 2

2) metallioksideilla

C +2 O + CuO \u003d Cu + C +4 O 2

3) kloorilla (valossa)

CO + Cl 2 - hn \u003d COCl 2 (fosgeeni)

4) reagoi alkalisulatteiden kanssa (paineessa)

CO + NaOH = HCOONa (natriumformiaatti)

5) muodostaa karbonyylejä siirtymämetallien kanssa

Ni + 4CO - t° = Ni(CO) 4

Fe + 5CO - t° = Fe(CO) 5

Hiilimonoksidi (IV) CO2

Hiilidioksidi, väritön, hajuton, liukenee veteen - 0,9 V CO 2 liukenee 1 V:aan H 2 O (at normaaleissa olosuhteissa); raskaampaa kuin ilma; t°pl. = -78,5°C (kiinteää C02:ta kutsutaan "kuivajääksi"); ei tue palamista.

Kuitti

1. Hiilihapon suolojen (karbonaattien) lämpöhajoaminen. Kalkkikiven poltto:

CaCO 3 - t ° \u003d CaO + CO 2

1. Vahvojen happojen vaikutus karbonaatteihin ja bikarbonaatteihin:

CaCO 3 + 2HCl \u003d CaCl 2 + H 2 O + CO 2

NaHCO 3 + HCl \u003d NaCl + H 2 O + CO 2

KemiallinenominaisuuksiaCO2
Happooksidi: reagoi emäksisten oksidien ja emästen kanssa muodostaen hiilihapposuoloja

Na 2 O + CO 2 \u003d Na 2 CO 3

2NaOH + CO 2 \u003d Na 2CO 3 + H 2 O

NaOH + CO 2 \u003d NaHC03

klo kohonnut lämpötila saattaa osoittaa hapettavia ominaisuuksia

C +4 O 2 + 2Mg - t ° \u003d 2Mg +2O + C 0

Laadullinen reaktio

Kalkkiveden sameus:

Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ¯( valkoinen sakka) + H2O

Se häviää, kun CO 2 johdetaan kalkkiveden läpi pitkän aikaa, koska. liukenematon kalsiumkarbonaatti muuttuu liukoiseksi bikarbonaatiksi:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 \u003d Ca (HCO 3) 2

hiilihappo ja sensuola

H2CO3 - Heikko happo, esiintyy vain vesiliuoksessa:

CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3

Kaksoispohja:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - Happamat suolat - bikarbonaatit, bikarbonaatit
HCO 3 - ↔ H + + CO 3 2- Keskimääräiset suolat - karbonaatit

Kaikki happojen ominaisuudet ovat ominaisia.

Karbonaatit ja bikarbonaatit voidaan muuntaa toisikseen:

2NaHCO 3 - t ° \u003d Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2

Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 \u003d 2NaHCO 3

Metallikarbonaatit (paitsi alkalimetallit) dekarboksyloituvat kuumennettaessa muodostaen oksidin:

CuCO 3 - t ° \u003d CuO + CO 2

Laadullinen reaktio- "kiehuminen" vahvan hapon vaikutuksesta:

Na 2 CO 3 + 2HCl \u003d 2NaCl + H 2 O + CO 2

CO 3 2- + 2H + = H 2 O + CO 2

Karbidit

kalsiumkarbidi:

CaO + 3 C = CaC 2 + CO

CaC 2 + 2 H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + C 2 H 2.

Asetyleeniä vapautuu, kun sinkki-, kadmium-, lantaani- ja ceriumkarbidit reagoivat veden kanssa:

2 LaC 2 + 6 H 2 O \u003d 2La (OH) 3 + 2 C 2 H 2 + H 2.

Be 2 C ja Al 4 C 3 hajoavat veden vaikutuksesta muodostaen metaania:

Al 4 C 3 + 12 H 2 O \u003d 4 Al (OH) 3 \u003d 3 CH 4.

Tekniikassa käytetään titaanikarbideja TiC, volframi W 2 C (kovametalliseokset), pii SiC (karborundi - hioma-aineena ja lämmittimien materiaalina).

syanidit

saatu kuumentamalla soodaa ammoniakin ja hiilimonoksidin ilmakehässä:

Na 2 CO 3 + 2 NH 3 + 3 CO \u003d 2 NaCN + 2 H 2 O + H 2 + 2 CO 2

Syaanivetyhappo HCN on tärkeä kemianteollisuuden tuote, jota käytetään laajasti orgaanisessa synteesissä. Sen maailmanlaajuinen tuotanto saavuttaa 200 tuhatta tonnia vuodessa. Syanidin anionin elektroninen rakenne on samanlainen kuin hiilimonoksidi (II), tällaisia ​​hiukkasia kutsutaan isoelektronisiksi:

C = O:[:C = N:]-

Syanidit (0,1-0,2 % vesiliuosta) käytetään kullankaivoksessa:

2 Au + 4 KCN + H 2O + 0,5 O 2 \u003d 2 K + 2 KOH.

Kun syanidiliuoksia keitetään rikin kanssa tai kun kiintoaineita sulatetaan, tiosyanaatit:
KCN + S = KSCN.

Kun matala-aktiivisten metallien syanideja kuumennetaan, saadaan syanidia: Hg (CN) 2 \u003d Hg + (CN) 2. syanidiliuokset hapettuvat syanaatit:

2KCN + O2 = 2KOCN.

Syaanihappoa on kahdessa muodossa:

H-N=C=O; H-O-C = N:

Vuonna 1828 Friedrich Wöhler (1800-1882) sai ureaa ammoniumsyanaatista: NH 4 OCN \u003d CO (NH 2) 2 haihduttamalla vesiliuosta.

Tätä tapahtumaa pidetään yleensä synteettisen kemian voittona "vitalistisesta teoriasta".

Siinä on syaanihapon isomeeri - fulmiinihappo

H-O-N=C.
Sen suoloja (elohopeafulminaatti Hg(ONC) 2) käytetään iskusytyttimissä.

Synteesi urea(karbamidi):

CO 2 + 2 NH 3 \u003d CO (NH 2) 2 + H 2 O. 130 0 C:ssa ja 100 atm:ssä.

Urea on hiilihapon amidi, ja siellä on myös sen "typpianalogi" - guanidiini.

Karbonaatit

Tärkeimmät hiilen epäorgaaniset yhdisteet ovat hiilihapon suolat (karbonaatit). H 2CO 3 on heikko happo (K 1 \u003d 1,3 10 -4; K 2 \u003d 5 10 -11). Karbonaattipuskuri tukee hiilidioksiditasapaino ilmakehässä. Valtamerillä on valtava puskurikapasiteetti, koska ne ovat avoin järjestelmä. Pääpuskurireaktio on tasapaino hiilihapon dissosioitumisen aikana:

H 2CO 3 ↔ H + + HCO 3 -.

Happamuuden vähentyessä hiilidioksidin ylimääräinen imeytyminen ilmakehästä tapahtuu hapon muodostuessa:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3.

Happamuuden lisääntyessä karbonaattikivet (kuoret, liitu ja kalkkikivikertymät meressä) liukenevat; tämä kompensoi hiilikarbonaatti-ionien menetystä:

H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 -

CaCO 3 (tv.) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-

Kiinteät karbonaatit muuttuvat liukoisiksi hiilivedyiksi. Tämä ylimääräisen hiilidioksidin kemiallinen liukenemisprosessi vastustaa "kasvihuoneilmiötä" - ilmaston lämpeneminen johtuu siitä, että hiilidioksidi absorboi maapallon lämpösäteilyä. Noin kolmasosa maailman soodan (natriumkarbonaatti Na 2 CO 3) tuotannosta käytetään lasin valmistukseen.