Углерод и его соединения

Углерод и его соединения Краткая характеристика. Особенности строения атомов углерода. Физические свойства. Химические свойства углерода и его соединений. 1.Оксид углерода. 2.Угольная кислота. Применение углерода и его соединений. Краткая характеристика. Углерод – основа органических, биоорганических соединений и многих полимеров.

Большинство соединений углерода относятся к органическим веществам, но в этой работе мы уделим внимание, так называемым, неорганическим соединениям углерода. К ним относятся – простые вещества (природные графит, алмаз и синтетически полученный карбин), оксиды углерода, угольная кислота и ряд солей, образованных уксусной кислотой. Относительная атомная масса углерода – 12,01, плотность (графита)-

2,27 г/см3 , температура плавления tпл = 3370 °C (сгорает), температура кипения tкип = 4200 °C. 2. Особенности строения атомов углерода. Разнообразие и многочисленность соединений углерода объясняется строением его атома. В атоме углерода на его внешних четырех атомных орбиталях имеется четыре электрона. И все четыре атомные орбитали принимают участие в образовании химических связей. В частности графит и алмаз – аллотропные модификации с атомными кристаллическими решетками, которые

различны по своей структуре. Отсюда различия физических и химических свойств. В алмазе каждый атом углерода связан с четырьмя другими атомами. В пространстве эти атомы располагаются в центре и углах тетраэдров, соединенных своими вершинами. Это очень симметричная и прочная решетка. Известно, что алмаз – самое твердое вещество в природе. В графите соединены между собой три атома, лежащие в одной плоскости.

Следовательно, образование этих связей происходит с участием трех атомных орбиталей с тремя электронами. Каждый атом соединен с тремя другими, лежащими в той же плоскости. На образование этих связей затрачивается по три АО с тремя электронами. Четвертая орбиталь с одним электроном располагается перпендикулярно плоскости. Эти оставшиеся атомные орбитали всей сетки перекрываются между собой, образуя зону молекулярных орбиталей.

Эта зона занята наполовину, что обеспечивает графиту, в отличие от алмаза, хорошую металлическую электропроводность. 3. Физические свойства. Здесь в первую очередь, конечно, следует отметить высокую прочность простых соединений углерода. Энергия связи между атомами углерода в простых и сложных веществах, в том числе и в алмазе, и в графите очень велика. О твердости алмаза уже говорили. Прочна связь между атомами и в графитовой сетке. Например, прочность графита на разрыв волокна значительно

превышает прочность железа и технической стали. Тугоплавкость – еще одно уникальное свойство графита, т.к. температура плавления графита tпл выше 3500° С. В природе графит – самое тугоплавкое простое вещество. Большая электрическая проводимость графита объясняется отсутствием на его поверхности каких-либо продуктов взаимодействия с окружающей средой, таких как оксиды на металлах.

Кроме того графит обладает способностью оказывать смазывающее действие на трущиеся поверхности. Объясняется это тем, что в кристалле графита атомы углерода прочно связаны между собой в плоских сетках, а связь между сетками слабая и имеет межмолекулярную природу (как в веществах с молекулярными решетками). Вследствие чего уже небольшие механические усилия вызывают смещение сеток относительно друг друга. Это обусловливает действие графита, как смазки. 4.

Химические свойства углерода и его соединений. Одно из главных химических свойств углерода – это сильные восстановительные свойства. Только при сравнительно низких температурах, углерод химически инертен. Рассмотрим подробнее химические свойства углерода: - горение в кислороде С+О2=СО2+Q; - взаимодействие с оксидом углерода С+СО2=2СО; - восстановление металлов из оксидов 3С+Fe2O3=3CO2+4Fe. 1.Оксид углерода. Оксид углерода является продуктом полного сгорания углерода и содержащих его веществ.

В соединениях с кислородом углерод, в зависимости от условий, проявляет валентности +2 и +4. При температуре обычного пламени при горении углеродосодержащих веществ (дрова, уголь, природный газ метан, спирт и др.) протекает реакция: С + О2 = СО2 Если же создать условия для повышения температуры , к примеру, уменьшить теплоотвод (внутри толстого слоя горящего угля, в том числе в доменной печи), то протекают реакции:

С +О2 = 2СО СО2 + С = 2СО Так же образуется в случаях: - окисления биохимических процессов, дыхания, гниения, - сгорания метана CH4+O2=CO2+2H2O - взаимодействия кислот с карбонатами CaCO3+2HCI=CaCI2+CO2+H2O - термического разложения карбонатов и гидрокарбонатов: CaCO3=CaO+CO2NaHCO3=Na2CO3+CO2+H2O Оксид углерода – тяжелее воздуха, это газ без запаха, цвета и вкуса. 1.При растворении взаимодействует с водой, образуя уксусную кислоту:

СО2+Н2О=Н2СО2.Реагирует с основными оксидами: CO2+CaO=CaCO3. Реагирует с основаниями: CO2+Ca(OH)2=CaCO3+H2O 2.Угольная кислота. Слабая двухосновная кислота, которая образуется при растворении оксида углерода СО2 в воде. Угольная кислота дает два ряда солей: - водорастворимые гидрокарбонаты (NaHCO 3 – питьевая сода, Na 2 CO 3 – сода, K 2 CO 3 – поташ), - нерастворимые (MgCO 3 ,

CaCO 3 ). Реакции образования гидрокарбонатов и карбонатов: CO2+NaOH=NaHCO3 CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O Соли угольной кислоты подвергаются гидролизу. Угольная кислота вытесняется из солей более сильными кислотами: CaCO3+2HCI=CaCI2+CO2+H2O 5.Применение углерода и его соединений. В промышленности углерод (графит) часто используется в качестве смазки.

Кроме того на основе графита изготавливают так называемые композиционные материалы, в частности углепластики, в которых волокна графита находятся на матрице из эпоксидной смолы. Коррозионная стойкость графита используется в судостроении. Эти композиционные материалы широко применяются в авиационной и космической технике. Ведь помимо прочности они легкие. Достаточно сравнить плотность графита, р=2,3 г/см3 ,с плотностью

“легкого” алюминия, р=2,7г/см3, и тем более железа, р=7,9г/см3, чтобы убедиться в ценности этого свойства. И, конечно, всем известно, что алмазы используются в ювелирной промышленности для изготовления всевозможных украшений, а так же широко применяются в различных отраслях промышленности, где используется их свойство высокой прочности.