Строение атома углерода
Углерод способен образовывать несколько аллотропных модификаций. Это алмаз (наиболее инертная аллотропная модификация), графит, фуллерен и карбин.
Древесный уголь и сажа представляют собой аморфный углерод. Углерод в таком состоянии не имеет упорядоченной структуры и фактически состоит из мельчайших фрагментов слоев графита. Аморфный углерод, обработанный горячим водяным паром, называют активированным углем. 1 грамм активированного угля из-за наличия в нем множества пор имеет общую поверхность более трехсот квадратных метров! Благодаря своей способности поглощать различные вещества активированный уголь находит широкое применение как наполнитель фильтров, а также как энтеросорбент при различных видах отравлений.
С химической точки зрения аморфный углерод является наиболее активной его формой, графит проявляет среднюю активность, а алмаз является крайне инертным веществом. По этой причине, рассматриваемые ниже химические свойства углерода следует прежде всего относить к аморфному углероду.
Восстановительные свойства углерода
Как восстановитель углерод реагирует с такими неметаллами как, например, кислород, галогены, сера.
В зависимости от избытка или недостатка кислорода при горении угля возможно образование угарного газа CO или углекислого газа CO 2:
При взаимодействии углерода со фтором образуется тетрафторид углерода:
При нагревании углерода с серой образуется сероуглерод CS 2:
Углерод способен восстанавливать металлы после алюминия в ряду активности из их оксидов. Например:
Также углерод реагирует и с оксидами активных металлов, однако в этом случае наблюдается, как правило, не восстановление металла, а образование его карбида:
Взаимодействие углерода с оксидами неметаллов
Углерод вступает в реакцию сопропорционирования с углекислым газом CO 2:
Одним из наиболее важных с промышленной точки зрения процессов является так называемая паровая конверсия угля . Процесс проводят, пропуская водяной пар через раскаленный уголь. При этом протекает следующая реакция:
При высокой температуре углерод способен восстанавливать даже такое инертное соединение как диоксид кремния. При этом в зависимости от условия возможно образование кремния или карбида кремния (карборунда ):
Также углерод как восстановитель реагирует с кислотами окислителями, в частности, концентрированными серной и азотной кислотами:
Окислительные свойства углерода
Химический элемент углерод не отличается высокой электроотрицательностью, поэтому образуемые им простые вещества редко проявляют окислительные свойства по отношению к другим неметаллам.
Примером таких реакций является взаимодействие аморфного углерода с водородом при нагревании в присутствии катализатора:
а также с кремнием при температуре 1200-1300 о С:
Окислительные свойства углерод проявляет по отношению к металлам. Углерод способен реагировать с активными металлами и некоторыми металлами средней активности. Реакции протекают при нагревании:
| Карбиды активных металлов гидролизуются водой:
а также растворами кислот-неокислителей: При этом образуются углеводороды, содержащие углерод в той же степени окисления, что и в исходном карбиде. |
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 о С:
С бромом – 620-700 о С:
С йодом – 750-810 о С:
Реакция кремния с кислородом протекает, однако требует очень сильного нагревания (1200-1300 о С) ввиду того, что прочная оксидная пленка затрудняет взаимодействие:
При температуре 1200-1500 о С 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:
Взаимодействие кремния со сложными веществами
С водой кремний не реагирует даже при кипячении, однако аморфный кремний взаимодействует с перегретым водяным паром при температуре около 400-500 о С. 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.
Углерод (от латинского: carbo «уголь») представляет собой химический элемент с символом С и атомным номером 6. Для образования ковалентных химических связей, доступны четыре электрона. Вещество является неметаллическим и четырехвалентным. Три изотопа углерода встречаются естественным образом, 12С и 13С стабильны, а 14С – радиоактивный изотоп, затухающий с периодом полураспада около 5730 лет . Углерод – один из немногих элементов, известных с древности. Углерод – это 15-й наиболее распространенный элемент в земной коре, и четвертый наиболее распространенный элемент во Вселенной по массе после водорода, гелия и кислорода. Обилие углерода, уникальное разнообразие его органических соединений и его необычная способность образовывать полимеры при температурах, обычно встречающихся на Земле, позволяют этому элементу служить общим элементом для всех известных форм жизни. Это второй наиболее распространенный элемент в человеческом теле по массе (около 18,5%) после кислорода. Атомы углерода могут связываться по-разному, называясь при этом аллотропами углерода. Наиболее известными аллотропами являются графит, алмаз и аморфный углерод. Физические свойства углерода широко варьируются в зависимости от аллотропной формы. Например, графит непрозрачен и черный, а алмаз – очень прозрачный. Графит достаточно мягкий, чтобы образовывать полосу на бумаге (отсюда и его название, от греческого глагола «γράφειν», что означает «писать»), в то время как алмаз является самым твердым известным в природе материалом. Графит является хорошим электрическим проводником, а алмаз имеет низкую электропроводность. В обычных условиях, алмаз, углеродные нанотрубки и графен имеют самую высокую теплопроводность среди всех известных материалов. Все углеродные аллотропы являются твердыми веществами в нормальных условиях, причем графит является наиболее термодинамически стабильной формой. Они химически устойчивы и требуют высокой температуры, чтобы реагировать даже с кислородом. Наиболее распространенное состояние окисления углерода в неорганических соединениях составляет +4, и +2 – в карбоксильных комплексах монооксида углерода и переходного металла. Крупнейшими источниками неорганического углерода являются известняки, доломиты и двуокись углерода, но значительные количества происходят из органических отложений угля, торфа, нефти и метанатных клатратов. Углерод образует огромное количество соединений, больше, чем любой другой элемент, с почти десятимиллионным количеством соединений, описанных до настоящего времени, и, тем не менее, это число является лишь частью числа теоретически возможных соединений в стандартных условиях. По этой причине, углерод часто упоминается как «царь элементов» .
Характеристики
Аллотропы углерода включают графит, одно из самых мягких из известных веществ, и алмаз, самое твердое природное вещество. Углерод легко связывается с другими малыми атомами, включая другие атомы углерода, и способен образовывать многочисленные устойчивые ковалентные связи с подходящими многовалентными атомами. Известно, что углерод образует почти десять миллионов различных соединений, подавляющее большинство всех химических соединений. Углерод также имеет самую высокую точку сублимации среди всех элементов. При атмосферном давлении, он не имеет температуры плавления, так как его тройная точка составляет 10,8 ± 0,2 МПа и 4600 ± 300 К (~ 4330 ° С или 7 820 ° F), поэтому он возгоняется при температуре около 3900 К. Графит гораздо более реактивный, чем алмаз, в стандартных условиях, несмотря на то, что он более термодинамически стабилен, поскольку его делокализованная система pi гораздо более уязвима для атаки. Например, графит может быть окислен горячей концентрированной азотной кислотой в стандартных условиях до меллитовой кислоты C6 (CO2H) 6, которая сохраняет гексагональные единицы графита при разрушении большей структуры.
Углерод возгоняется в углеродистой дуге, температура которой составляет около 5800 К (5 530 ° С, 9 980 ° F). Таким образом, независимо от его аллотропной формы, углерод остается твердым при более высоких температурах, чем самые высокие температуры плавления, такие как вольфрам или рений. Хотя термодинамически углерод склонен к окислению, он более устойчив к окислению, чем такие элементы, как железо и медь, которые являются более слабыми восстановителями при комнатной температуре.
Углерод – шестой элемент с электронной конфигурацией основного состояния 1s22s22p2, из которых четыре внешних электрона являются валентными электронами. Его первые четыре энергии ионизации 1086,5, 2352,6, 4620,5 и 6222,7 кДж / моль, намного выше, чем у более тяжелых элементов группы 14. Электроотрицательность углерода составляет 2,5, что значительно выше, чем у более тяжелых элементов 14 группы (1,8-1,9), но близка к большинству соседних неметаллов, а также к некоторым переходным металлам второго и третьего ряда. Ковалентные радиусы углерода обычно принимаются как 77,2 пм (C-C), 66,7 пм (C = C) и 60,3 пм (C≡C), хотя они могут варьироваться в зависимости от координационного числа и от того, с чем связан углерод. В общем случае, ковалентный радиус уменьшается при уменьшении координационного числа и увеличении порядка связей.
Углеродные соединения составляют основу всех известных форм жизни на Земле, а углерод-азотный цикл обеспечивает некоторую энергию, выделяемую Солнцем и другими звездами. Хотя углерод образует необычайное разнообразие соединений, большинство форм углерода сравнительно не реагируют в нормальных условиях. При стандартных температурах и давлении, углерод выдерживает все, кроме самых сильных окислителей. Он не реагирует с серной кислотой, соляной кислотой, хлором или щелочами. При повышенных температурах, углерод реагирует с кислородом с образованием оксидов углерода и убирает кислород из оксидов металлов, оставляя элементный металл. Эта экзотермическая реакция используется в черной металлургии для плавки железа и контроля содержания углерода в стали:
Fe3О4 + 4 C (s) → 3 Fe (s) + 4 CO (g)
с серой с образованием дисульфида углерода и с паром в реакции уголь-газ:
C (s) + H2O (g) → CO (g) + H2 (g)
Углерод сочетается с некоторыми металлами при высоких температурах с образованием металлических карбидов, таких как цементит из карбида железа в стали и карбид вольфрама, широко используемый в качестве абразива и для изготовления жестких наконечников для режущих инструментов. Система аллотропов углерода охватывает ряд экстремумов:
Некоторые виды графита используются для теплоизоляции (например, противопожарные преграды и теплозащитные экраны), но некоторые другие формы являются хорошими тепловыми проводниками. Алмаз – самый известный природный теплопроводник. Графит непрозрачен. Алмаз очень прозрачный. Графит кристаллизуется в гексагональной системе . Алмаз кристаллизуется в кубической системе. Аморфный углерод полностью изотропный. Углеродные нанотрубки являются одними из самых известных анизотропных материалов.
Аллотропы углерода
Атомный углерод является очень недолговечным видом, и поэтому углерод стабилизируется в различных многоатомных структурах с различными молекулярными конфигурациями, называемыми аллотропами. Три относительно известных аллотропа углерода – аморфный углерод, графит и алмаз. Ранее считавшиеся экзотическими, фуллерены в настоящее время обычно синтезируются и используются в исследованиях; они включают бакиболы, углеродные нанотрубки, углеродные наноточки и нановолокна. Также было обнаружено несколько других экзотических аллотропов, таких как лонсалетит, стеклоуглерод, углеродный нанофаум и линейный ацетиленовый углерод (карбин). По состоянию на 2009 год, графен считается наиболее сильным материалом среди всех, когда-либо протестированных. Процесс отделения его от графита потребует некоторого дальнейшего технологического развития, прежде чем он станет экономичным для промышленных процессов. В случае успеха, графен можно будет использовать при строительстве космических лифтов. Он также может быть использован для безопасного хранения водорода для использования в двигателях на основе водорода в автомобилях. Аморфная форма представляет собой набор атомов углерода в некристаллическом, нерегулярном, стекловидном состоянии, а не содержащихся в кристаллической макроструктуре. Она присутствует в виде порошка и является основным компонентом таких веществ, как древесный уголь, ламповая копоть (сажа) и активированный уголь. При нормальных давлениях, углерод имеет форму графита, в котором каждый атом тригонально связан тремя другими атомами в плоскости, состоящей из сплавленных гексагональных колец, как и в ароматических углеводородах . Полученная сеть является двухмерной, и полученные плоские листы складываются и свободно связываются через слабые силы Ван-дер-Ваальса. Это дает графиту его мягкость и свойства расщепления (листы легко проскальзывают друг за другом). Из-за делокализации одного из внешних электронов каждого атома с образованием π-облака, графит проводит электричество, но только в плоскости каждого ковалентно связанного листа. Это приводит к более низкой удельной электропроводности для углерода, чем для большинства металлов. Делокализация также объясняет энергетическую стабильность графита над алмазом при комнатной температуре. При очень высоких давлениях, углерод образует более компактный аллотроп, алмаз, имеющий почти вдвое большую плотность, чем графит. Здесь каждый атом тетраэдрически соединен с четырьмя другими, образуя трехмерную сеть сморщенных шестичленных колец атомов. Алмаз имеет ту же кубическую структуру, что кремний и германий, и из-за прочности углерод-углеродных связей он является самым твердым природным веществом, что измеряется по сопротивлению царапинам. Вопреки распространенному мнению, что «алмазы вечны», они термодинамически нестабильны в нормальных условиях и превращаются в графит. Из-за высокого энергетического барьера активации, переход в форму графита настолько медленный при нормальной температуре, что он незаметен. При некоторых условиях, углерод кристаллизуется как лонсалейт, гексагональная кристаллическая решетка со всеми ковалентно связанными атомами и свойствами, аналогичными свойствам алмаза. Фуллерены представляют собой синтетическое кристаллическое образование с графитоподобной структурой, но вместо шестиугольников фуллерены состоят из пятиугольников (или даже семиугольников) атомов углерода. Отсутствующие (или дополнительные) атомы деформируют листы в сферы, эллипсы или цилиндры. Свойства фуллеренов (разделенных на бакиболы, бакитубы и нанобады) еще не полностью проанализированы и представляют собой интенсивную область исследований наноматериалов. Названия «фуллерен» и «бакибол» связаны с именем Ричарда Бакминстера Фуллера, популяризатора геодезических куполов, которые напоминают структуру фуллеренов. Бакиболы представляют собой довольно крупные молекулы, образованные полностью из углеродных связей тригонально, образуя сфероиды (наиболее известным и простейшим является баксинистерфеллерен C60 с формой футбольного мяча). Углеродные нанотрубки структурно подобны бакиболам, за исключением того, что каждый атом связан тригонально в изогнутом листе, который образует полый цилиндр. Нанобады впервые были представлены в 2007 году и представляют собой гибридные материалы (бакиболы ковалентно связаны с внешней стенкой нанотрубки), которые сочетают свойства обоих в одной структуре. Из других обнаруженных аллотропов, углеродная нанопена является ферромагнитным аллотропом, обнаруженным в 1997 году. Она состоит из кластерной сборки атомов углерода с низкой плотностью, натянутых вместе в рыхлую трехмерную сеть, в которой атомы тригонально связаны в шести- и семичленных кольцах. Она относится к числу самых легких твердых веществ с плотностью около 2 кг / м3. Аналогичным образом, стеклообразный углерод содержит высокую долю закрытой пористости, но, в отличие от обычного графита, графитовые слои не сложены в виде страниц в книге, но имеют более случайное расположение. Линейный ацетиленовый углерод имеет химическую структуру - (C::: C) n-. Углерод в этой модификации является линейным с орбитальной гибридизацией sp и является полимером с чередующимися одиночными и тройными связями. Этот карбин представляет значительный интерес для нанотехнологий, поскольку его модуль Юнга в сорок раз больше, чем у самого твердого материала – алмаза. В 2015 году команда из Университета Северной Каролины объявила о разработке еще одного аллотропа, который они назвали Q-углерод, созданный высокоэнергетическим лазерным импульсом низкой длительности на аморфной углеродной пыли. Сообщается, что Q-углерод проявляет ферромагнетизм, флуоресценцию и имеет твердость, превосходящую алмазы.
Распространенность
Углерод является четвертым по распространенности химическим элементом во Вселенной по массе после водорода, гелия и кислорода. Углерод изобилует в Солнце, звездах, кометах и атмосферах большинства планет. Некоторые метеориты содержат микроскопические алмазы, которые были сформированы, когда солнечная система все еще была протопланетным диском. Микроскопические алмазы также могут образовываться при интенсивном давлении и высокой температуре в местах воздействия метеорита. В 2014 году, НАСА объявила об обновленной базе данных для отслеживания полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) во Вселенной. Более 20% углерода во Вселенной могут быть связаны с ПАУ, комплексными соединениями углерода и водорода без кислорода . Эти соединения фигурируют в мировой гипотезе ПАУ, где они, предположительно, играют роль в абиогенезе и формировании жизни. Похоже, что ПАУ были сформированы «через пару миллиардов лет» после Большого взрыва, широко распространены во вселенной и связаны с новыми звездами и экзопланетами. По оценкам, твердая оболочка земли, в целом, содержит 730 чнм углерода, при этом 2000 чнм содержатся в сердцевине и 120 чнм – в комбинированной мантии и коре. Поскольку масса земли составляет 5,9 72 × 1024 кг, это будет означать 4360 миллионов гигатонн углерода. Это намного больше, чем количество углерода в океанах или атмосфере (ниже). В сочетании с кислородом в углекислом газе, углерод находится в атмосфере Земли (приблизительно 810 гигатонн углерода) и растворяется во всех водоемах (приблизительно 36000 гигатонн углерода). В биосфере присутствует около 1900 гигатонн углерода. Углеводороды (такие как уголь, нефть и природный газ) также содержат углерод. Угольные «резервы» (а не «ресурсы») составляют около 900 гигатонн с, возможно, 18 000 Гт ресурсов. Запасы нефти составляют около 150 гигатонн. Доказанные источники природного газа составляют около 175 1012 кубических метров (содержащих около 105 гигатонн углерода), однако в исследованиях оценивается еще 900 1012 кубических метров «нетрадиционных» месторождений, таких как сланцевый газ, что составляет около 540 гигатонн углерода. Углерод также был обнаружен в гидратах метана в полярных регионах и под морями. По разным оценкам, количество этого углерода составляет 500, 2500 Гт, или 3000 Гт . В прошлом, количество углеводородов было больше. Согласно одному источнику, в период с 1751 по 2008 годы около 347 гигатонн углерода было выброшено в атмосферу в виде углекислого газа в атмосферу от сжигания ископаемого топлива. Другой источник добавляет количество, добавленное в атмосферу в период с 1750 года до 879 Гт, а общее количество в атмосфере, море и земле (например, торфяные болота) составляет почти 2000 Гт . Углерод является составной частью (12% по массе) очень больших масс карбонатных пород (известняк, доломит, мрамор и т. д.). Уголь содержит очень большое количество углерода (антрацит содержит 92-98% углерода) и является крупнейшим коммерческим источником минерального углерода, на который приходится 4000 гигатонн или 80% ископаемого топлива. Что касается индивидуальных аллотропов углерода, графит содержится в больших количествах в Соединенных Штатах (в основном, в Нью-Йорке и Техасе), в России, Мексике, Гренландии и Индии. Природные алмазы встречаются в горном кимберлите, содержащемся в древних вулканических «шеях» или «трубах». Большинство алмазных месторождений находится в Африке, особенно в Южной Африке, Намибии, Ботсване, Республике Конго и Сьерра-Леоне. Алмазные месторождения также обнаружены в Арканзасе, Канаде, Российской Арктике, Бразилии, а также в Северной и Западной Австралии. Теперь бриллианты также извлекают со дна океана у мыса Доброй Надежды. Алмазы встречаются естественным образом, но сейчас производится около 30% всех промышленных алмазов, используемых в США. Углерод-14 образуется в верхних слоях тропосферы и стратосферы на высотах 9-15 км в реакции, которая осаждается космическими лучами. Производятся тепловые нейтроны, которые сталкиваются с ядрами азота-14, образуя углерод-14 и протон. Таким образом, 1,2 × 1010% атмосферного углекислого газа содержит углерод-14. Астероиды, богатые углеродом, относительно преобладают во внешних частях пояса астероидов в нашей солнечной системе. Эти астероиды еще не были напрямую исследованы учеными. Астероиды могут использоваться в гипотетической угледобыче на основе космического пространства, что может быть возможно в будущем, но в настоящее время технологически невозможно.
Изотопы углерода
Изотопы углерода представляют собой атомные ядра, которые содержат шесть протонов плюс ряд нейтронов (от 2 до 16). У углерода есть два устойчивых, встречающихся в природе, изотопа. Изотоп углерод-12 (12С) образует 98,93% углерода на Земле, а углерод-13 (13С) образует оставшиеся 1,07%. Концентрация 12С еще больше увеличивается в биологических материалах, потому что биохимические реакции дискриминируют 13С. В 1961 году, Международный союз чистой и прикладной химии (ИЮПАК) принял изотопный углерод-12 в качестве основы для атомных весов. Идентификация углерода в экспериментах с ядерным магнитным резонансом (ЯМР) проводится с изотопом 13С. Углерод-14 (14С) представляет собой природный радиоизотоп, созданный в верхней атмосфере (нижняя стратосфера и верхняя тропосфера) путем взаимодействия азота с космическими лучами. Он находится в следовых количествах на Земле в количестве до 1 части на триллион (0,0000000001%), в основном, в атмосфере и поверхностных отложениях, в частности, торфе и других органических материалах. Этот изотоп распадается в ходе β-эмиссии 0,158 МэВ. Из-за относительно короткого периода полураспада, 5730 лет, 14С практически отсутствует в древних скалах. В атмосфере и в живых организмах, количество 14С почти постоянное, но снижается в организмах после смерти. Этот принцип используется в радиоуглеродном датировании, изобретенном в 1949 году, которое широко использовалось для определения возраста углеродистых материалов с возрастом до 40000 лет . Существует 15 известных изотопов углерода и наименьший срок жизни из них имеет 8C, который распадается за счет эмиссии протонов и альфа-распада и имеет период полураспада 1,98739 × 10-21 с. Экзотический 19C демонстрирует ядерный ореол, что означает, что его радиус значительно больше, чем можно было бы ожидать, если бы ядро было сферой постоянной плотности.
Образование в звездах
Формирование атомного ядра углерода требует почти одновременного тройного столкновения альфа-частиц (ядер гелия) внутри ядра гигантской или сверхгигантской звезды, что известно как тройной альфа-процесс, поскольку продукты дальнейших реакций ядерного синтеза гелия с водородом или другим ядром гелия производят литий-5 и бериллий-8 соответственно, оба из которых очень неустойчивы и почти мгновенно затухают обратно в более мелкие ядра . Это происходит в условиях температур более 100 мегакальвин и концентрации гелия, что недопустимо в условиях быстрого расширения и охлаждения ранней Вселенной, и поэтому во время Большого взрыва не было создано значительных количеств углерода. Согласно современной теории физической космологии, углерод образуется внутри звезд в горизонтальной ветви путем столкновения и трансформации трех ядер гелия. Когда эти звезды умирают как сверхновая, углерод рассеивается в космос в виде пыли. Эта пыль становится составным материалом для образования звездных систем второго или третьего поколения с аккрецированными планетами. Солнечная система – одна из таких звездных систем с обилием углерода, позволяющая существование жизни, как мы ее знаем. Цикл CNO является дополнительным механизмом слияния, который управляет звездами, где углерод работает как катализатор. Ротационные переходы различных изотопических форм монооксида углерода (например, 12CO, 13CO и 18CO) обнаруживаются в субмиллиметровом диапазоне длин волн и используются при изучении новообразующихся звезд в молекулярных облаках .
Углеродный цикл
В земных условиях, конверсия одного элемента в другой – явление очень редкое. Поэтому количество углерода на Земле эффективно постоянное. Таким образом, в процессах, которые используют углерод, он должен получаться откуда-то и утилизироваться в другом месте. Пути углерода в окружающей среде образуют углеродный цикл. Например, фотосинтетические установки извлекают углекислый газ из атмосферы (или морской воды) и строят его в биомассу, как в цикле Кальвина, процессе фиксации углерода. Некоторая часть этой биомассы съедается животными, в то время как некоторая часть углерода выдыхается животными в виде двуокиси углерода. Цикл углерода значительно сложнее, чем этот короткий цикл; например, некоторое количество двуокиси углерода растворяется в океанах; если бактерии не поглощают его, мертвое растительное или животное вещество может стать нефтью или углем, которое выделяет углерод при сжигании.
Соединения углерода
Углерод может образовывать очень длинные цепи взаимосвязанных углерод-углеродных связей, свойство, которое называется образованием цепочек. Углерод-углеродные связи устойчивы. Благодаря катанации (образованию цепочек), углерод образует бесчисленное количество соединений. Оценка уникальных соединений показывает, что большее количество из них содержат углерод. Аналогичное утверждение может быть сделано для водорода, потому что большинство органических соединений также содержат водород. Простейшая форма органической молекулы представляет собой углеводород – большое семейство органических молекул, которые состоят из атомов водорода, связанных с цепочкой атомов углерода. Длина цепи, боковые цепи и функциональные группы влияют на свойства органических молекул. Углерод встречается во всех формах известной органической жизни и является основой органической химии. При объединении с водородом, углерод образует различные углеводороды, которые важны для промышленности как хладагенты, смазочные материалы, растворители, как химическое сырье для производства пластмасс и нефтепродуктов, а также как ископаемое топливо. В сочетании с кислородом и водородом, углерод может образовывать множество групп важных биологических соединений, включая сахара, лигнаны, хитины, спирты, жиры и ароматические сложные эфиры, каротиноиды и терпены. С азотом, углерод образует алкалоиды, а с добавлением серы также образует антибиотики, аминокислоты и резиновые изделия. С добавлением фосфора к этим другим элементам, он образует ДНК и РНК, носители химического кода жизни и аденозинтрифосфат (АТФ), самую важную молекулу переноса энергии во всех живых клетках.
Неорганические соединения
Обычно углеродсодержащие соединения, которые связаны с минералами или которые не содержат водорода или фтора, обрабатываются отдельно от классических органических соединений; это определение не является строгим. Среди них простые оксиды углерода. Наиболее известным оксидом является двуокись углерода (CO2). Когда-то это вещество было главной составляющей палеоатмосферы, но сегодня является второстепенным компонентом атмосферы Земли . При растворении в воде, это вещество образует углекислоту (H2CO3), но, как и большинство соединений с несколькими односвязными кислородами на одном углероде, оно неустойчиво. Однако, через это промежуточное вещество образуются резонансные стабилизированные карбонатные ионы. Некоторыми важными минералами являются карбонаты, особенно кальциты. Углерод дисульфид (CS2) аналогичен. Другим распространенным оксидом является окись углерода (СО). Она образуется при неполном сгорании и является бесцветным газом без запаха. Каждая молекула содержит тройную связь и является довольно полярной, что приводит к тому, что она постоянно связывается с молекулами гемоглобина, вытесняя кислород, который имеет более низкую аффинность связывания. Цианид (CN-) имеет сходную структуру, но ведет себя подобно ионам галогенида (псевдогалоген). Например, он может образовывать молекулу нитрида цианогена (CN) 2), аналогичную диатомовым галогенидам. Другими необычными оксидами являются субоксид углерода (C3O2), неустойчивый монооксид углерода (C2O), триоксид углерода (CO3), циклопентанпептон (C5O5), циклогексангексон (C6O6) и меллитовый ангидрид (C12O9). С реактивными металлами, такими как вольфрам, углерод образует либо карбиды (C4-), либо ацетилиды (C2-2) с образованием сплавов с высокими температурами плавления. Эти анионы также связаны с метаном и ацетиленом, оба из которых являются очень слабыми кислотами. При электроотрицательности 2,5, углерод предпочитает образовывать ковалентные связи. Несколько карбидов представляют собой ковалентные решетки, такие как карборунд (SiC), который напоминает алмаз. Тем не менее, даже самые полярные и солеобразные карбиды не являются полностью ионными соединениями .
Металлоорганические соединения
Органометаллические соединения, по определению, содержат, по меньшей мере, одну связь углерод-металл. Существует широкий спектр таких соединений; основные классы включают простые соединения алкил-металл (например, тетраэтилэлид), η2-алкеновые соединения (например, соль Zeise) и η3-аллильные соединения (например, димер хлорида аллилпалладия); металлоцены, содержащие циклопентадиенильные лиганды (например, ферроцен); и карбеновые комплексы переходных металлов. Существует много карбонилов металлов (например, тетракарбонилникель); некоторые работники считают, что лиганд монооксида углерода является чисто неорганическим, а не металлоорганическим, соединением. В то время как считается, что углерод исключительно образует четыре связи, сообщается об интересном соединении, содержащем октаэдрический гексакоординированный атом углерода. Катион этого соединения представляет собой 2+. Это явление объясняется аурофильностью золотых лигандов. В 2016 году было подтверждено, что гексаметилбензол содержит атом углерода с шестью связями, а с не обычными четырьмя.
История и этимология
Английское название углерода (carbon) происходит от латинского carbo, обозначающего «уголь» и «древесный уголь» , отсюда же и французское слово charbon, что означает «древесный уголь». На немецком, голландском и датском языках названия углерода – Kohlenstoff, koolstof и kulstof соответственно, все в буквальном смысле означают угольную субстанцию. Углерод был обнаружен в доисторических временах и был известен в формах сажи и древесного угля в самых ранних человеческих цивилизациях. Алмазы были известны, вероятно, уже в 2500 г. до н.э. в Китае, а углерод в виде древесного угля был изготовлен в римские времена путем той же химии, что и сегодня, путем нагрева древесины в пирамиде, покрытой глиной, чтобы исключить воздух. В 1722 году Рене Антуан Ферхо де Реамур продемонстрировал, что железо превращается в сталь через поглощение какого-либо вещества, которое теперь известно как углерод. В 1772 году Антуан Лавуазье показал, что алмазы являются формой углерода; когда он сжигал образцы древесного угля и алмаза и обнаружил, что ни один из них не производил никакой воды, и что оба вещества выпускали равное количество углекислого газа на грамм. В 1779 году Карл Вильгельм Шееле показал, что графит, который считался формой свинца, вместо этого был идентичен древесному углю, но с небольшой примесью железа и что он давал «воздушную кислоту» (что является диоксидом углерода) при окислении азотной кислотой. В 1786 году французские ученые Клод Луи Бертолле, Гаспард Мондж и К. А. Вандермонд подтвердили, что графит, в основном, был углеродом, при окислении его в кислороде почти так же, как Лавуазье делал с алмазом. Некоторое количество железа снова оставалось, что, по мнению французских ученых, было необходимо для структуры графита. В своей публикации они предложили название carbone (латинское слово carbonum) для элемента в графите, который выделялся как газ при сжигании графита. Затем Антуан Лавуазье перечислил углерод как элемент в своем учебнике 1789 года. Новый аллотроп углерода, фуллерен, который был обнаружен в 1985 году, включает наноструктурные формы, такие как баккиболы и нанотрубки. Их первооткрыватели – Роберт Керл, Гарольд Крото и Ричард Смолли – получили Нобелевскую премию по химии в 1996 году. Возникший в результате возобновленный интерес к новым формам приводит к открытию дополнительных экзотических аллотропов, включая стеклообразный углерод, и осознанию того, что «аморфный углерод» не является строго аморфным.
Производство
Графит
Коммерчески жизнеспособные природные отложения графита встречаются во многих частях мира, но наиболее экономически важные источники находятся в Китае, Индии, Бразилии и Северной Корее. Графитовые отложения имеют метаморфическое происхождение, обнаруженное в сочетании с кварцем, слюдой и полевыми шпатами в сланцах, гнейсах и метаморфизованных песчаниках и известняках в виде линз или жил, иногда толщиной в несколько метров или более. Запасы графита в Борроудейл, Камберленд, Англия, были вначале достаточного размера и чистоты, поэтому до 19-го века карандаши делались просто путем распиливания блоков из натурального графита на полоски перед обклеиванием полос в древесине. Сегодня меньшие отложения графита получают путем измельчения родительской породы и плавания более легкого графита на воде. Существует три типа натурального графита – аморфный, чешуйчатый или кристаллический. Аморфный графит имеет самое низкое качество и является наиболее распространенным. В отличие от науки, в промышленности «аморфный» относится к очень маленькому размеру кристалла, а не к полному отсутствию кристаллической структуры. Слово «аморфный» используется для обозначения продуктов с низким количеством графита и является самым дешевым графитом. Крупные месторождения аморфного графита находятся в Китае, Европе, Мексике и США. Плоский графит реже встречается и имеет более высокое качество, чем аморфный; он выглядит как отдельные пластины, которые кристаллизуются в метаморфических породах. Цена гранулированного графита может в четыре раза превышать цену аморфного. Чешуйчатый графит хорошего качества может быть переработан в расширяемый графит для многих применений, таких как антипирены. Первичные месторождения графита находятся в Австрии, Бразилии, Канаде, Китае, Германии и на Мадагаскаре. Жидкий или кусковой графит – самый редкий, самый ценный и высококачественный тип природного графита. Он находится в жилах вдоль интрузивных контактов в твердых кусках, и коммерчески добывается только в Шри-Ланке. Согласно USGS, мировое производство природного графита в 2010 году составило 1,1 миллиона тонн, при этом в Китае было добыто 800 000 тонн, в Индии – 130 000 т, в Бразилии – 76 000 т, в Северной Корее – 30 000 т и в Канаде – 25 000 т. Никакого природного графита не было добыто в Соединенных Штатах, но в 2009 году было добыто 118 000 т синтетического графита с оценочной стоимостью 998 млн. долл. США.
Алмаз
Поставки алмазов контролируются ограниченным числом бизнесов, а также высоко концентрируются в небольшом количестве мест по всему миру. Только очень небольшая доля алмазной руды состоит из реальных алмазов. Руда измельчается, во время чего необходимо принять меры для предотвращения разрушения крупных алмазов в этом процессе, а затем частицы сортируются по плотности. Сегодня алмазы добывают во фракции богатой алмазами с помощью рентгеновской флуоресценции, после чего последние шаги сортировки выполняются вручную. До распространения использования рентгеновских лучей, разделение проводилось с помощью смазочных лент; известно, что алмазы были обнаружены только в аллювиальных отложениях на юге Индии. Известно, что алмазы более склонны прилипать к массе, чем другие минералы в руде. Индия была лидером в производстве алмазов с момента их открытия примерно в IX веке до нашей эры до середины 18 века нашей эры, но коммерческий потенциал этих источников был исчерпан к концу 18 века, и к тому времени Индия была затомлена Бразилией, где первые алмазы были найдены в 1725 году. Алмазное производство первичных месторождений (кимберлитов и лампроитов) началось только в 1870-х годах, после открытия алмазных месторождений в Южной Африке. Производство алмазов увеличивалось с течением времени, и с этой даты было накоплено всего 4,5 млрд каратов. Около 20% от этого количества было добыто только за последние 5 лет, и в течение последних десяти лет начали производство 9 новых месторождений, и еще 4 ждут скорого открытия. Большинство из этих месторождений находятся в Канаде, Зимбабве, Анголе и одно – в России. В Соединенных Штатах, алмазы были обнаружены в Арканзасе, Колорадо и Монтане. В 2004 году поразительное открытие микроскопического алмаза в Соединенных Штатах привело к выпуску в январе 2008 года массового отбора проб кимберлитовых труб в отдаленной части Монтаны. Сегодня большинство коммерчески жизнеспособных алмазных месторождений находятся в России, Ботсване, Австралии и Демократической Республике Конго. В 2005 году, Россия произвела почти одну пятую мирового запаса алмазов, по сообщению Британской Геологической Службы. В Австралии самая богатая диамантированная труба достигла пиковых уровней производства в 42 метрических тонны (41 тонна, 46 коротких тонн) в год в 1990-х годах. Существуют также коммерческие месторождения, активные добычи которых осуществляются на Северо-Западных территориях Канады, Сибири (в основном, на территории Якутии, например, в Трубе «Мир» и в Удачной трубе), в Бразилии, а также в Северной и Западной Австралии.
Применения
Углерод необходим для всех известных живых систем. Без него невозможно существование жизни, такой, как мы ее знаем. Основное экономическое использование углерода, кроме продуктов питания и древесины, относится к углеводородам, в первую очередь, к ископаемому топливу метановому газу и сырой нефти. Сырая нефть перерабатывается нефтеперерабатывающими заводами для производства бензина, керосина и других продуктов. Целлюлоза представляет собой природный углеродсодержащий полимер, производимый растениями в виде дерева, хлопка, льна и конопли. Целлюлоза используется, в основном, для поддержания структуры растений. Коммерчески ценные углеродные полимеры животного происхождения включают шерсть, кашемир и шелк. Пластмассы изготавливают из синтетических углеродных полимеров, часто с атомами кислорода и азота, включенными через регулярные интервалы в основную полимерную цепь. Сырье для многих из этих синтетических веществ поступает из сырой нефти. Использование углерода и его соединений чрезвычайно разнообразно. Углерод может образовывать сплавы с железом, наиболее распространенным из которых является углеродистая сталь. Графит сочетается с глинами, образуя «свинец», используемый в карандашах, используемых для письма и рисования. Он также используется в качестве смазки и пигмента в качестве формовочного материала при производстве стекла, в электродах для сухих батарей и гальванизации и гальванопластики, в щетках для электродвигателей и в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах. Уголь используется как материал для изготовления произведений искусства, в качестве гриля для барбекю, для выплавки железа и имеет множество других применений. Древесина, уголь и нефть используются в качестве топлива для производства энергии и для отопления. Алмазы высокого качества используются в производстве ювелирных изделий, а промышленные алмазы используются для сверления, резки и полировки инструментов для обработки металлов и камня. Пластмассы изготавливаются из ископаемых углеводородов, а углеродное волокно, изготовленное путем пиролиза синтетических полиэфирных волокон, используется для армирования пластмасс с образованием передовых, легких композиционных материалов. Углеродное волокно изготавливается путем пиролиза экструдированных и растянутых нитей полиакрилонитрила (PAN) и других органических веществ. Кристаллическая структура и механические свойства волокна зависят от типа исходного материала и последующей обработки. Углеродные волокна, изготовленные из PAN, имеют структуру, напоминающую узкие нити графита, но термическая обработка может переупорядочить структуру в непрерывный лист. В результате, волокна имеют более высокую удельную прочность на растяжение, чем сталь. Углеродная сажа используется в качестве черного пигмента в печатных красках, масляной краске и акварелях художников, углеродной бумаге, автомобильной отделке, чернилах и лазерных принтерах. Углеродная сажа также используется в качестве наполнителя в резиновых изделиях, таких как шины и в пластмассовых соединениях. Активированный уголь используется в качестве абсорбента и адсорбента в фильтровальных материалах в таких разнообразных применениях, как противогазы, очистка воды и кухонные вытяжки, а также в медицине для поглощения токсинов, ядов или газов из пищеварительной системы. Углерод используется при химическом восстановлении при высоких температурах. Кокс используется для восстановления железной руды в железе (плавка). Затвердевание стали достигается за счет нагрева готовых стальных компонентов в углеродном порошке. Карбиды кремния, вольфрама, бора и титана входят в число самых твердых материалов и используются в качестве абразивов для резки и шлифования. Углеродные соединения составляют большую часть материалов, используемых в одежде, таких как натуральный и синтетический текстиль и кожа, а также почти все внутренние поверхности в среде, отличной от стекла, камня и металла.
Бриллианты
Алмазная промышленность подразделяется на две категории, одна из которых – алмазы высокого качества (драгоценные камни), а другая – алмазы промышленного класса. Хотя существует большая торговля обоими типами алмазов, оба рынка действуют совершенно по-разному. В отличие от драгоценных металлов, таких как золото или платина, бриллианты драгоценных камней не торгуются как товар: в продаже алмазов имеется существенная надбавка, и рынок перепродажи алмазов не очень активен. Промышленные алмазы ценятся, в основном, за их твердость и теплопроводность, при этом геммологические качества ясности и цвета, в основном, неактуальны. Около 80% добытых алмазов (равно примерно 100 млн каратов или 20 тонн в год) непригодны для использования, и используются в промышленности (алмазный лом). Синтетические алмазы, изобретенные в 1950-х годах, почти сразу нашли промышленные применения; Ежегодно производится 3 млрд каратов (600 тонн) синтетических алмазов. Доминирующим промышленным использованием алмаза является резка, сверление, шлифовка и полировка. Большинство этих применений не требуют больших алмазов; на самом деле, большинство алмазов драгоценного качества, за исключением алмазов небольшого размера, могут использоваться в промышленности. Алмазы вставляются в наконечники сверл или пильные диски или измельчаются в порошок для использования в шлифовании и полировке. Специализированные применения включают использование в лабораториях в качестве хранилища для экспериментов высокого давления, высокопроизводительных подшипников и ограниченное использование в специализированных окнах. Благодаря достижениям в области производства синтетических алмазов, новые применения становятся практически осуществимыми. Большое внимание уделяется возможному использованию алмаза в качестве полупроводника, подходящего для микрочипов, и из-за его исключительной теплопроводности в качестве радиатора в электронике.
Углерод — это, пожалуй, основной и самый удивительный химический элемент на Земле, ведь с его помощью формируется колоссальное количество разнообразных соединений, как неорганических, так и органических. Углерод является основой всех живых существ, можно сказать, что углерод, наравне с водой и кислородом, — основа жизни на нашей планете! Углерод имеет разнообразие форм, которые не похожи ни по своим физико-химическим свойствам, ни по внешнему виду. Но всё это углерод!
История открытия углерода
Углерод был известен человечеству ещё с глубокой древности. Графит и уголь использовались ещё древними греками, а алмазы нашли применение в Индии. Правда, за графит частенько принимали похожие по внешнему виду соединения. Тем не менее, графит имел широкое применение в древности, в частности для письма. Даже его название происходит от греческого слова «графо» — «пишу». Графит сейчас используется в карандашах. Алмазами начали впервые торговать в Бразилии в первой половине 18 века, с этого времени открыто множество месторождений, а в 1970 году была разработана технология получения алмазов искусственным путём. Такие искусственные алмазы применяются в промышленности, натуральные же, в свою очередь, в ювелирном деле.
Углерод в природе
Наиболее значимое количество углерода собрано в атмосфере и гидросфере в виде углекислого газа. В атмосфере углерода содержится около 0,046%, а еще больше — в растворенном виде в Мировом Океане.
Кроме того, как мы видели выше, углерод является основой живых организмов. Например, в теле человека массой 70 кг содержится около 13 кг углерода! Это только в одном человеке! А углерод содержится также во всех растениях и животных. Вот и считайте…
Круговорот углерода в природе
Аллотропные модификации углерода
Углерод — уникальный химический элемент, который образует так называемые аллотропные модификации , или, проще говоря, различные формы. Эти модификации подразделяются кристаллические, аморфные и в виде кластеров.
Кристаллические модификации имеют правильную кристаллическую решётку. К этой группе относятся: алмаз , фуллерит, графит, лонсдейлит, углеродные волокна и трубки. Подавляющее большинство кристаллических модификаций углерода на первых местах в рейтинге «Самые твёрдые материалы в мире » .
Аллотропные формы углерода: a) лонсдейлит; б) алмаз;в) графит; г) аморфный углерод; д) C60 (фуллерен); е) графен;
ж) однослойная нанотрубка
Аморфные формы образованы углеродом с небольшими примесями других химических элементов. Основные представители этой группы: уголь (каменный, древесный, активированный), сажа, антрацит.
Самыми сложными и высокотехнологичными являются соединения углерода в виде кластеров. Кластеры — это особая структура, при которой атомы углерода расположены таким образом, что образуют полую форму, которая заполнена изнутри атомами других элементов, например, воды. В этой группе не так уж и много представителей, в неё входят углеродные наноконусы, астралены и диуглерод.
Графит — «тёмная сторона» алмазаПрименение углерода
Углерод и его соединения имеют огромное значение в жизнедеятельности человека. Из углерода образованы главные виды топлива на Земле — природный газ и нефть. Соединения углерода широко применяются в химической и металлургической промышленности, в строительстве, в машиностроении и медицине. Аллотропные модификации в виде алмазов используют в ювелирном деле, фуллерит и лонсдейлит в ракетостроении. Из соединений углерода изготавливаются различные смазки для механизмов, техническое оборудование и многое другое. Промышленность в настоящее время не может обойтись без углерода, он используется везде!
Представление о том, что химические связи могут быть результатом владения парой электронов двумя атомами, было выдвинуто Льюисом (1916) и развито Гейтлером и Лондоном (1927). В дальнейшем Лайнус Полинг ввел чрезвычайно важные понятия направленной валентности и гибридизации орбитали.
Согласно понятию направленной валентности , связь атомов осуществляется в том направлении, при котором обеспечивается максимальное перекрывание орбиталей. Чем лучше перекрывание, тем прочнее должна быть связь, и только при максимальном перекрывании достигается минимум энергии системы.
Атом углерода в основном состоянии имеет электронное строение 1s22s22p2. Посмотрим внимательно на распределение электронов по орбиталям в атоме углерода:
Два неспаренных электрона могут образовывать только две химические связи с другими атомами, то есть в соответствии с этой схемой атом углерода должен быть двух валентным. Но в органической химии атом углерода всегда имеет валентность, равную четырем .
Для образования четырех ковалентных связей атом углерода должен иметь четыре неспаренных электрона.
Как же объяснить четырехвалентность углерода?
Атом может изменять свое валентное состояние, когда, спареные электроны распариваются и переходят на другие атомные орбитали. В нашем случае один электрон с s-орбитали переходит на свободную р-орбиталь.
Рассмотрим образование связей в молекуле простейшего водородного соединения углерода – в молекуле метана (СН4). Каждый атом водорода имеет по одному неспаренному электрону на s-орбитали первого электронного слоя (1s1). У атома углерода, находящегося в возбужденном состоянии, есть четыре неспаренных электрона: один на s - и три на р-орбиталях второго слоя. Можно было бы ожидать, что вследствие различных форм s - и р-орбиталей связи между атомом углерода и атомами водорода будут неравноценными. Исследования же показывают, что связи в молекуле метана равноценны.
Строение некоторых молекул с точки зрения перекрывания атомных орбиталей «чистого типа», то есть s, p, d объяснить не возможно. Поэтому американский ученый Лайнус Полинг разработал теорию гибридизации атомных орбиталей. Он предположил, что орбитали внешнего электронного слоя атомов могут как бы смешиваться – гибридизоваться.При этом получаются гибридные атомные орбитали , электроны
на которых обладают усредненной энергией.
Итак, в гибридизации участвует 1-s электрон и 3 р-электрона, поэтому такой тип гибридизации называется sp 3 -гибридизация . Такое состояние орбиталей атома углерода называют первым валентным состояние. Так как в гибридизации участвует четыре электрона, то и образется четыре одинаковых гибридных орбитали. При образовании гибридных орбиталей они расходятся на возможно большее расстояние друг от друга. Угол между ними оказывается равным 109028/, то есть все гибридные орбитали атома углерода в состоянии sp3-гибридизации направлены к вершинам тетраэдра – правильной треугольной пирамиды.
Химическая связь – это перекрывание атомных орбиталей . Так как углерод четырехвалентный, то и химических связей будет четыре. У атома водорода один неспаренный электрон находится на s-орбитали и имеет форму шара. Поэтому, молекула метана СН4 имеет следующее пространственное строение.
Молекула этана СН3 – СН3, соответственно будет иметь следующее пространственное строение:
https://pandia.ru/text/80/289/images/image016_17.jpg" align="left" width="147 height=110" height="110">В гибридизации могут принимать участие не все р-орбитали атома углерода. Так, из одной s - и двух р-орбиталей образуется три sp2-гибридные орбитали, угол между которыми равен 1200(плоский равносторонний треугольник). Оставшаяся без изменения одна р-орбиталь распологается перпендикулярно плоскости, в которой лежат гибридные орбитали. Именно негибридные р-электроны будут участвовать в отразовании π-связи, которая образуется при боковом перекрывании р-облаков и располагается над и под плоскостью связывающие ядра.
С sp2-гибридизацией мы встречаемся в соединениях с двойной связью, атомы образующие двойную связь и будет находиться в sp2-гибридизации.
Рассмотрим пространственное строение молекулы этена СН2 = СН2, в которой атомы углерода находятся в состоянии sp2-гибридизации. Волнистой линией на рисунке показано перекрывание негибридных р-орбиталей (π-связь).
Третье валентное состояние атома углерода, sp – гибридизация .
При смешивании одной s - и одной р-орбиталей атома углерода осуществляется sp-гибридизация. При sp-гибридизации атомных орбиталей две р-орбитали остаются негибридными. sp-Гибридные орбитали ориентированы под углом 1800 друг к другу (линейная конфигурация).
Две не участвующие в гибридизации р-орбитали располагаются взаимно перпендикулярно и участвуют в образовании двух π-связей. С sp-гибридизацией мы встречаемся в соединениях с тройной связью, атомы углерода образующие тройную связь и будет находиться в sp-гибридизации.
Итак , атомы углерода участвующие в образовании простых, одинарных σ-связей находятся в состоянии sp3-гибридизации, атомы углерода участвующие в образовании двойных связей находятся в состоянии sp2-гибридизации, атомы углерода участвующие в образовании тройных связей находятся в состоянии sp-гибридизации. Любая кратная связь всегда будет иметь одну σ-связь, все остальные будут π-связями. Например, в молекуле СН2 = СН2, между атомами углерода, одна связь σ-, другая π-связь. В молекуле СН≡СН между атомами углерода, одна связь σ-, и две π-связи.
Проверьте себя, как Вы поняли тему, для этого выполните тестовое задание:
1. Сколько π-связей содержит молекула бутена -1 (СН3 – СН2 – СН = СН2):
а) 2, б) 4, в) 1, в) 12.
2.Сколько атомов углерода в молекуле пентина-2 (СН3 – С ≡ С – СН2 – СН3) находится в состоянии sp3 гибридизации:
а) все 5 атомов углерода, б) 2, в) 1, г) 3.
3.Какова ожидаемая равновесная конфигурация молекулы СН2 = СН2:
а) линейная, б) угловая, в) плоский равносторонний треугольник, г) тетраэдр.
4. Выберите соединения, для которых характерна ковалентная полярная связь:
а) Cl2; б) С - Н;
5.Определите тип гибридизации атомных орбиталей по следующим данным:
Правильные ответы теста:
1. (в); 2. (г); 3. (в); 4. (в); 5. sp2.
Углерод (С) – типичный неметалл; в периодической системе находится в 2-м периоде IV группе, главной подгруппе. Порядковый номер 6, Ar = 12,011 а.е.м., заряд ядра +6.Физические свойства: углерод образует множество аллотропных модификаций: алмаз – одно из самых твердых веществ, графит, уголь, сажа .
Атом углерода имеет 6 электронов: 1s 2 2s 2 2p 2 . Последние два электрона располагаются на отдельных р-орбиталях и являются неспаренными. В принципе, эта пара могла бы занимать одну орбиталь, но в таком случае сильно возрастает межэлектронное отталкивание. По этой причине один из них занимает 2р х, а другой, либо 2р у , либо 2р z -орбитали.
Различие энергии s- и р-подуровней внешнего слоя невелико, поэтому атом довольно легко переходит в возбужденное состояние, при котором один из двух электронов с 2s-орбитали переходит на свободную 2р. Возникает валентное состояние, имеющее конфигурацию 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 . Именно такое состояние атома углерода характерно для решетки алмаза — тетраэдрическое пространственное расположение гибридных орбиталей, одинаковая длина и энергия связей.
Это явление, как известно, называют sp 3 -гибридизацией, а возникающие функции – sp 3 -гибридными. Образование четырех sp 3 -cвязeй обеспечивает атому углерода более устойчивое состояние, чем три р-р- и одна s-s-связи. Помимо sp 3 -гибридизации у атома углерода наблюдается также sp 2 — и sp-гибридизация. В первом случае возникает взаимное наложение s- и двух р-орбиталей. Образуются три равнозначные sp 2 — гибридных орбитали, расположенные в одной плоскости под углом 120° друг к другу. Третья орбиталь р неизменна и направлена перпендикулярно плоскости sp 2 .
При sp-гибридизации происходит наложение орбиталей s и р. Между двумя образующимися равноценными гибридными орбиталями возникает угол 180°, при этом две р-орбитали у каждого из атомов остаются неизменными.
Аллотрорпия углерода. Алмаз и графит
В кристалле графита атомы углерода расположены в параллельных плоскостях, занимая в них вершины правильных шестиугольников. Каждый из атомов углерода связан с тремя соседними sp 2 -гибридными связями. Между параллельными плоскостями связь осуществляется за счет ван-дер-ваальсовых сил. Свободные р-орбитали каждого из атомов направлены перпендикулярно плоскостям ковалентных связей. Их перекрыванием объясняется дополнительная π-связь между атомами углерода. Таким образом, от валентного состояния, в котором находятся атомы углерода в веществе, зависят свойства этого вещества .
Химические свойства углерода
Наиболее характерные степени окисления: +4, +2.
При низких температурах углерод инертен, но при нагревании его активность возрастает.
Углерод как восстановитель:
— с кислородом
C 0 + O 2 – t° = CO 2 углекислый газ
при недостатке кислорода — неполное сгорание:
2C 0 + O 2 – t° = 2C +2 O угарный газ
— со фтором
С + 2F 2 = CF 4
— с водяным паром
C 0 + H 2 O – 1200° = С +2 O + H 2 водяной газ
— с оксидами металлов. Таким образом выплавляют металл из руды.
C 0 + 2CuO – t° = 2Cu + C +4 O 2
— с кислотами – окислителями:
C 0 + 2H 2 SO 4 (конц.) = С +4 O 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
С 0 + 4HNO 3 (конц.) = С +4 O 2 + 4NO 2 + 2H 2 O
— с серой образует сероуглерод:
С + 2S 2 = СS 2 .
Углерод как окислитель:
— с некоторыми металлами образует карбиды
4Al + 3C 0 = Al 4 C 3
Ca + 2C 0 = CaC 2 -4
— с водородом — метан (а также огромное количество органических соединений)
C 0 + 2H 2 = CH 4
— с кремнием, образует карборунд (при 2000 °C в электропечи):
Нахождение углерода в природе
Ссвободный углерод встречается в виде алмаза и графита. В виде соединений углерод находится в составе минералов: мела, мрамора, известняка – СаСО 3 , доломита – MgCO 3 *CaCO 3 ; гидрокарбонатов – Mg(НCO 3) 2 и Са(НCO 3) 2 , СО 2 входит в состав воздуха; углерод является главной составной частью природных органических соединений – газа, нефти, каменного угля, торфа, входит в состав органических веществ, белков, жиров, углеводов, аминокислот, входящих в состав живых организмов.
Неорганические соединения углерода
Ни ионы С 4+ , ни С 4- ‑ ни при каких обычных химических процессах не образуются: в соединениях углерода имеются ковалентные связи различной полярности.
Оксид углерода (II) СО
Угарный газ; бесцветный, без запаха, малорастворим в воде, растворим в органических растворителях, ядовит, t°кип = -192°C; t пл. = -205°C.
Получение
1) В промышленности (в газогенераторах):
C + O 2 = CO 2
2) В лаборатории — термическим разложением муравьиной или щавелевой кислоты в присутствии H 2 SO 4 (конц.):
HCOOH = H 2 O + CO
H 2 C 2 O 4 = CO + CO 2 + H 2 O
Химические свойства
При обычных условиях CO инертен; при нагревании – восстановитель; несолеобразующий оксид.
1) с кислородом
2C +2 O + O 2 = 2C +4 O 2
2) с оксидами металлов
C +2 O + CuO = Сu + C +4 O 2
3) с хлором (на свету)
CO + Cl 2 – hn = COCl 2 (фосген)
4) реагирует с расплавами щелочей (под давлением)
CO + NaOH = HCOONa (формиат натрия)
5) с переходными металлами образует карбонилы
Ni + 4CO – t° = Ni(CO) 4
Fe + 5CO – t° = Fe(CO) 5
Оксид углерода (IV) СO
2
Углекислый газ, бесцветный, без запаха, растворимость в воде — в 1V H 2 O растворяется 0,9V CO 2 (при нормальных условиях); тяжелее воздуха; t°пл.= -78,5°C (твёрдый CO 2 называется «сухой лёд»); не поддерживает горение.
Получение
- Термическим разложением солей угольной кислоты (карбонатов). Обжиг известняка:
CaCO 3 – t° = CaO + CO 2
- Действием сильных кислот на карбонаты и гидрокарбонаты:
CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2
NaHCO 3 + HCl = NaCl + H 2 O + CO 2
Химические
свойства
СO
2
Кислотный оксид: реагирует с основными оксидами и основаниями, образуя соли угольной кислоты
Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3
2NaOH + CO 2 = Na 2 CO 3 + H 2 O
NaOH + CO 2 = NaHCO 3
При повышенной температуре может проявлять окислительные свойства
С +4 O 2 + 2Mg – t° = 2Mg +2 O + C 0
Качественная реакция
Помутнение известковой воды:
Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ¯(белый осадок) + H 2 O
Оно исчезает при длительном пропускании CO 2 через известковую воду, т.к. нерастворимый карбонат кальция переходит в растворимый гидрокарбонат:
CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Сa(HCO 3) 2
Угольная кислота и её соли
H 2 CO 3 — Кислота слабая, существует только в водном растворе:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3
Двухосновная:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 — Кислые соли — бикарбонаты, гидрокарбонаты
HCO 3 — ↔ H + + CO 3 2- Cредние соли — карбонаты
Характерны все свойства кислот.
Карбонаты и гидрокарбонаты могут превращаться друг в друга:
2NaHCO 3 – t° = Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2
Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 = 2NaHCO 3
Карбонаты металлов (кроме щелочных металлов) при нагревании декарбоксилируются с образованием оксида:
CuCO 3 – t° = CuO + CO 2
Качественная реакция — «вскипание» при действии сильной кислоты:
Na 2 CO 3 + 2HCl = 2NaCl + H 2 O + CO 2
CO 3 2- + 2H + = H 2 O + CO 2
Карбиды
Карбид кальция:
CaO + 3 C = CaC 2 + CO
CaC 2 + 2 H 2 O = Ca(OH) 2 + C 2 H 2 .
Ацетилен выделяется при реакции с водой карбидов цинка, кадмия, лантана и церия:
2 LaC 2 + 6 H 2 O = 2La(OH) 3 + 2 C 2 H 2 + H 2 .
Be 2 C и Al 4 C 3 разлагаются водой с образованием метана:
Al 4 C 3 + 12 H 2 O = 4 Al(OH) 3 = 3 CH 4 .
В технике применяют карбиды титана TiC, вольфрама W 2 C (твердые сплавы), кремния SiC (карборунд – в качестве абразива и материала для нагревателей).
Цианиды
получают при нагревании соды в атмосфере аммиака и угарного газа:
Na 2 CO 3 + 2 NH 3 + 3 CO = 2 NaCN + 2 H 2 O + H 2 + 2 CO 2
Синильная кислота HCN – важный продукт химической промышленности, широко применяется в органическом синтезе. Ее мировое производство достигает 200 тыс. т в год. Электронное строение цианид-аниона аналогично оксиду углерода (II), такие частицы называют изоэлектронными:
C= O: [:C= N:] –
Цианиды (0,1-0,2%-ный водный раствор) применяют при добыче золота:
2 Au + 4 KCN + H 2 O + 0,5 O 2 = 2 K + 2 KOH.
При кипячении растворов цианидов с серой или сплавлении твердых веществ образуются роданиды
:
KCN + S = KSCN.
При нагревании цианидов малоактивных металлов получается дициан: Hg(CN) 2 = Hg + (CN) 2 . Растворы цианидов окисляются до цианатов :
2 KCN + O 2 = 2 KOCN.
Циановая кислота существует в двух формах:
H-N=C=O; H-O-C= N:
В 1828 г. Фридрих Вёлер (1800-1882) получил из цианата аммония мочевину: NH 4 OCN = CO(NH 2) 2 при упаривании водного раствора.
Это событие обычно рассматривается как победа синтетической химии над «виталистической теорией».
Существует изомер циановой кислоты – гремучая кислота
H-O-N=C.
Ее соли (гремучая ртуть Hg(ONC) 2) используются в ударных воспламенителях.
Синтез мочевины (карбамида):
CO 2 + 2 NH 3 = CO(NH 2) 2 + H 2 O. При 130 0 С и 100 атм.
Мочевина является амидом угольной кислоты, существует и ее «азотный аналог» – гуанидин.
Карбонаты
Важнейшие неорганические соединения углерода – соли угольной кислоты (карбонаты). H 2 CO 3 – слабая кислота (К 1 =1,3·10 -4 ; К 2 =5·10 -11). Карбонатный буфер поддерживает углекислотное равновесие в атмосфере. Мировой океан обладает огромной буферной емкостью, потому что он является открытой системой. Основная буферная реакция – равновесие при диссоциации угольной кислоты:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 — .
При понижении кислотности происходит дополнительное поглощение углекислого газа из атмосферы с образованием кислоты:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3 .
При повышении кислотности происходит растворение карбонатных пород (раковины, меловые и известняковые отложения в океане); этим компенсируется убыль гидрокарбонатных ионов:
H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 —
CaCO 3 (тв.) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-
Твердые карбонаты переходят в растворимые гидрокарбонаты. Именно этот процесс химического растворения избыточного углекислого газа противодействует «парниковому эффекту» – глобальному потеплению из-за поглощения углекислым газом теплового излучения Земли. Примерно треть мирового производства соды (карбонат натрия Na 2 CO 3) используется в производстве стекла.