Углерод: его свойства и соединения

Углерод (С) — элемент IVA группы. У углерода 4 валентных электрона. В возбужденном состоянии у углерода 4 неспаренных электрона на четырех орбиталях.

С учетом органических соединений, углерод в соединениях проявляет степени окисления от -4 до +4. В неорганических соединениях углерод проявляет степень окисления -4, +2 и +4.

Углерод подарил нам органические соединения. Поэтому органическую химию иногда называют химией углерода!

Количество органических соединений невозможно определить, именно органические вещества — основа всего живого.

Углерод простое вещество существует в различных аллотропных модификациях:

• ГРАФИТ

Графит представляет собой чёрное вещество атомного строения.

Каждый атом углерода ковалентно связан с двумя другими. Образующиеся слои связаны друг с другом слабыми межмолекулярными связями. Эта слабая связь легко рвется, поэтому графит используют для изготовления карандашей (при письме часть слоёв остается на бумаге).

• ГРАФЕН

Если оставить только один слой графита, то образуется другая модификация — графен.

За исследование графена не так давно (2010 г) была вручена Нобелевская премия 🏆

• АЛМАЗ

Это самая прочная (не путать со стабильностью) модификация! Представляет собой прозрачные кристаллы 💎 Алмаз имеет атомное строение.

• ФУЛЛЕРЕН

Это чёрное кристаллическое вещество молекулярного строения. В отличии от алмаза и графита фуллерен растворяется в органических растворителях.

В школе обычно изучают фуллерен С₆₀, но существуют и другие, только тсс 🤫

Получать углерод не нужно, он в больших количествах находится в природе, поэтому углерод добывают!

Различные модификации углерода обладают разной активностью, но обычно различия между ними в школьном курсе не делают..

1️⃣ + металлы

При нагревании реагирует с активными металлами и некоторыми металами средней активности. Обратите внимание, что карбиды различных металлов отличаются строением и свойствами 

2C + Ca → CaC₂ (t°C)

CaC₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + C₂H₂

3C + 4Al → Al₄C₃ (t°C)

Al₄C₃ + 12H₂O → 4Al(OH)₃ + 3CH₄ (t°C)

2️⃣ + неметаллы

Углерод взаимодействует с неметаллами (водород, кремний, сера, кислород, фтор):

С + 2H₂ → CH₄ (t°C)

C + Si → SiC (t°C)

C + 2S → CS₂ (t°C)

2C + O₂ (нед.) → 2CO (t°C)

C + O₂ (изб.) → CO₂ (t°C)

С + 2F₂ → CF₄ (t°C)

Углерод не реагирует с азотом, иодом ❌

 3️⃣ + конц. кислоты-окислители 

С + 2H₂SO₄ → CO₂ + 2SO₂ + 2H₂O

C + 4HNO₃ → CO₂ + 4NO₂ + 2H₂O

4️⃣ + оксиды металлов

3С + Fe₂O₃ → 3CO + 2Fe (t°C)

При взаимодействии углерода и оксидов активных металлов образуются карбиды:

3С + CaO → CaC₂ + CO (t°C)

5️⃣ + оксиды неметаллов

С + СO₂ → 2CO (t°C)

2C + SiO₂ → Si + 2CO (t°C)

3C + SiO₂ → SiC + 2CO (t°C)

C + H₂O → CO + H₂ (t°C) — паровая конверсия угля

ОКСИД УГЛЕРОДА(II)

CO — газ без цвета и запаха, легче воздуха. Угарный газ очень токсичен ⚠️

Молекула CO имеет тройную связь (то есть валентность углерода и кислорода равна III)

Этот оксид получают при горении угля в недостатке кислорода:

2C + O₂ (нед.) → 2СO (t°C)

CO — несолеобразующий оксид, хотя может реагировать с твердыми щелочами с образованием формиатов:

CO + KOH (тв.) → HCOOK (t°C)

Оксид углерода(II) используют для восстановления металлов из оксидов:

СuO + CO → Cu + CO₂ (t°C)

Fe₃O₄ + СО → 3FeO + СО₂ (t°C)

ОКСИД УГЛЕРОДА(IV)

CO₂ — газ без цвета и запаха.

Образуется в процессе дыхания 👃

В лаборатории углекислый газ можно получить действием сильных кислот на карбонаты:

CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂ + H₂O

А ещё CO2 образуется при горении органических веществ и угля:

C + O₂ (изб.) → СO₂ (t°C)

2СH₃CHO + 5O₂ → 4CO₂ + 4H₂O (t°C)

4СH₃NH₂ + 9O₂ → 4CO₂ + 2N₂ + 10H₂O (t°C)

CO₂ — кислотный оксид, ему соответствует слабая летучая угольная кислота H₂CO₃