Способы получения углерода химия

Углерод (C)

Углерод в виде древесного угля известен человеку с незапамятных времен, поэтому, о дате его открытия говорить не имеет смысла. Собственно свое название «углерод» получил в 1787 году, когда была опубликована книга «Метод химической номенклатуры», в которой вместо французского названия «чистый уголь» (charbone pur) появился термин «углерод» (carbone).

Углерод обладает уникальной способностью образовывать полимерные цепочки неограниченной длины, порождая тем самым огромный класс соединений, изучением которых занимается отдельный раздел химии — органическая химия. Органические соединения углерода лежат в основе земной жизни, поэтому, о важности углерода, как химического элемента, говорить не имеет смысла — он основа жизни на Земле.

Сейчас рассмотрим углерод с точки зрения неорганической химии.

Рис. Строение атома углерода.

Электронная конфигурация углерода — 1s 2 2s 2 2p 2 (см. Электронная структура атомов). На внешнем энергетическом уровне у углерода находятся 4 электрона: 2 спаренных на s-подуровне + 2 неспаренных на p-орбиталях. При переходе атома углерода в возбужденное состояние (требует энергетических затрат) один электрон с s-подуровня «покидает» свою пару и переходит на p-подуровень, где имеется одна свободная орбиталь. Т. о., в возбужденном состоянии электронная конфигурация атома углерода приобретает следующий вид: 1s 2 2s 1 2p 3 .

Рис. Переход атома углерода в возбужденное состояние.

Такая «рокировка» существенно расширяет валентные возможности атомов углерода, которые могут принимать степень окисления от +4 (в соединениях с активными неметаллами) до -4 (в соединениях с металлами).

В невозбужденном состоянии атом углерода в соединениях имеет валентность 2, например, CO(II), а в возбужденном — 4: CO₂(IV).

«Уникальность» атома углерода заключается в том, что на его внешнем энергетическом уровне находятся 4 электрона, поэтому, для завершения уровня (к чему, собственно, стремятся атомы любого химического элемента) он может с одинаковым «успехом», как отдавать, так и присоединять электроны с образованием ковалентных связей (см. Ковалентная связь).

Углерод, как простое вещество

Как простое вещество углерод может находиться в виде нескольких аллотропных модификаций:

Алмаз

Рис. Кристаллическая решетка алмаза.

Свойства алмаза:

• бесцветное кристаллическое вещество;
• самое твердое вещество в природе;
• обладает сильным преломляющим эффектом;
• плохо проводит тепло и электричество.

Рис. Тетраэдр алмаза.

Исключительная твердость алмаза объясняется строением его кристаллической решетки, которая имеет форму тетраэдра — в центре тетраэдра находится атом углерода, который связан равноценно прочными связями с четырьмя соседними атомами, образующими вершины тетраэдра (см. рисунок выше). Такая «конструкция» в свою очередь связана с соседними тетраэдрами.

Графит

Рис. Кристаллическая решетка графита.

Свойства графита:

• мягкое кристаллическое вещество серого цвета слоистой структуры;
• обладает металлическим блеском;
• хорошо проводит электричество.

В графите атомы углерода образуют правильные шестиугольники, лежащие в одной плоскости, организованные в бесконечные слои.

В графите химические связи между соседними атомами углерода образованы за счет трех валентных электронов каждого атома (изображены синим цветом на рисунке ниже), при этом четвертый электрон (изображен красным цветом) каждого атома углерода, расположенный на p-орбитали, лежащей перпендикулярно плоскости слоя графита, не участвует в образовании ковалентных связей в плоскости слоя. Его «предназначение» заключается в другом — взаимодействуя со своим «собратом», лежащим в соседнем слое, он обеспечивает связь между слоями графита, а высокая подвижность p-электронов обусловливает хорошую электропроводность графита.

Рис. Распределение орбиталей атома углерода в графите.

Фуллерен

Рис. Кристаллическая решетка фуллерена.

Свойства фуллерена:

• молекула фуллерена представляет собой совокупность атомов углерода, замкнутых в полые сферы типа футбольного мяча;
• это мелкокристаллическое вещество желто-оранжевого цвета;
• температура плавления = 500-600°C;
• полупроводник;
• входит в состав минерала шунгита.

Карбин

Свойства карбина:

• инертное вещество черного цвета;
• состоит из полимерных линейных молекул, в которых атомы связаны чередующимися одинарными и тройными связями;
• полупроводник.

Химические свойства углерода

При нормальных условиях углерод является инертным веществом, но при нагревании может реагировать с разнообразными простыми и сложными веществами.

Выше уже было сказано, что на внешнем энергетическом уровне углерода находится 4 электрона (ни туда, ни сюда), поэтому углерод может, как отдавать электроны, так и принимать их, проявляя в одних соединениях восстановительные свойства, а в других — окислительные.

Углерод является восстановителем в реакциях с кислородом и другими элементами, имеющими более высокую электроотрицательность (см. таблицу электроотрицательности элементов):

• при нагревании на воздухе горит (при избытке кислорода с образованием углекислого газа; при его недостатке — оксида углерода(II)):
  C + O₂ = CO₂;
  2C + O₂ = 2CO.
• реагирует при высоких температурах с парами серы, легко взаимодействует с хлором, фтором:
  C + 2S = CS₂
  C + 2Cl₂ = CCl₄
  2F₂ + C = CF₄
• при нагревании восстанавливает из оксидов многие металлы и неметаллы:
  C 0 + Cu +2 O = Cu 0 + C +2 O;
  C 0 +C +4 O₂ = 2C +2 O
• при температуре 1000°C реагирует с водой (процесс газификации), с образованием водяного газа:
  C + H₂O = CO + H₂;

Углерод проявляет окислительные свойства в реакциях с металлами и водородом:

• реагирует с металлами с образованием карбидов:
  Ca + 2C = CaC₂
• взаимодействуя с водородом, углерод образует метан:
  C + 2H₂ = CH₄

Углерод получают термическим разложением его соединений или пиролизом метана (при высокой температуре):
CH₄ = C + 2H₂.

Применение углерода

Соединения углерода нашли самое широкое применение в народном хозяйстве, перечислить все их не представляется возможным, укажем только некоторые:

• графит применяется для изготовления грифелей карандашей, электродов, плавильных тиглей, как замедлитель нейтронов в ядерных реакторах, как смазочный материал;
• алмазы применяются в ювелирном деле, в качестве режущего инструмента, в буровом оборудовании, как абразивный материал;
• в качестве восстановителя углерод используют для получения некоторых металлов и неметаллов (железа, кремния);
• углерод составляет основную массу активированного угля, который нашел широчайшее применение, как в быту (например, в качестве адсорбента для очистки воздуха и растворов), так и в медицине (таблетки активированного угля) и в промышленности (в качестве носителя для каталитических добавок, катализатора полимеризации и проч.).

Если вам понравился сайт, будем благодарны за его популяризацию 🙂 Расскажите о нас друзьям на форуме, в блоге, сообществе. Это наша кнопочка:

Код кнопки:
Политика конфиденциальности Об авторе

Источник

Углерод. Химия углерода и его соединений

Углерод

Положение в периодической системе химических элементов

Углерод расположен в главной подгруппе IV группы (или в 14 группе в современной форме ПСХЭ) и во втором периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронное строение углерода

Электронная конфигурация углерода в основном состоянии :

+6С 1s 2 2s 2 2p 2 1s 2s 2p

Электронная конфигурация углерода в возбужденном состоянии :

+6С * 1s 2 2s 1 2p 3 1s 2s 2p

Атом углерода содержит на внешнем энергетическом уровне 2 неспаренных электрона и 1 неподеленную электронную пару в основном энергетическом состоянии и 4 неспаренных электрона в возбужденном энергетическом состоянии.

Степени окисления атома углерода — от -4 до +4. Характерные степени окисления -4, 0, +2, +4.

Физические свойства

Углерод в природе существует в виде нескольких аллотропных модификаций: алмаз, графит, карбин, фуллерен.

Алмаз — это модификация углерода с атомной кристаллической решеткой. Алмаз — самое твердое минеральное кристаллическое вещество, прозрачное, плохо проводит электрический ток и тепло. Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии sp 3 -гибридизации.

Графит — это аллотропная модификация, в которой атомы углерода находятся в состоянии sp 2 -гибридизации. При этом атомы связаны в плоские слои, состоящие из шестиугольников, как пчелиные соты. Слои удерживаются между собой слабыми связями. Это наиболее устойчивая при нормальных условиях аллотропная модификация углерода.

Графит — мягкое вещество серо-стального цвета, с металлическим блеском. Хорошо проводит электрический ток. Жирный на ощупь.

Карбин — вещество, в составе которого атомы углерода находятся в sp-гибридизации. Состоит из цепочек и циклов, в которых атомы углерода соединены двойными и тройными связями. Карбин — мелкокристаллический порошок серого цвета.

[=C=C=C=C=C=C=]_n или [–C≡C–C≡C–C≡C–]_n

Фуллерен — это искусственно полученная модифицикация углерода. Молекулы фуллерена — выпуклые многогранники С₆₀, С₇₀ и др. Многогранники образованы пяти- и шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода.

Фуллерены — черные вещества с металлическим блеском, обладающие свойствами полупроводников.

В природе углерод встречается как в виде простых веществ (алмаз, графит), так и в виде сложных соединений (органические вещества — нефть, природные газ, каменный уголь, карбонаты).

Качественные реакции

Качественная реакция на карбонат-ионы CO₃ 2- — взаимодействие солей-карбонатов с сильными кислотами . Более сильные кислоты вытесняют угольную кислоту из солей. При этом выделяется бесцветный газ, не поддерживающий горение – углекислый газ.

Например , карбонат кальция растворяется в соляной кислоте:

Видеоопыт взаимодействия карбоната кальция с соляной кислотой можно посмотреть здесь.

Качественная реакция на углекислый газ CO₂ – помутнение известковой воды при пропускании через нее углекислого газа:

При дальнейшем пропускании углекислого газа осадок растворяется, т.к. карбонат кальция под действием избытка углекислого газа переходит в растворимый гидрокарбонат кальция:

Видеоопыт взаимодействия гидроксида кальция с углекислым газом (качественная реакция на углекислый газ) можно посмотреть здесь.

Углекислый газ СО₂ не поддерживает горение . Угарный газ CO горит голубым пламенем.

Соединения углерода

Основные степени окисления углерода — +4, +2, 0, -1 и -4.

Наиболее типичные соединения углерода:

Степень окисления	Типичные соединения
+4	оксид углерода (IV) CO2 гидрокарбонаты MeHCO3
+2	оксид углерода (II) СО муравьиная кислота HCOOH
-4	метан CH4 карбиды металлов (карбид алюминия Al4C3) бинарные соединения с неметаллами (карбид кремния SiC)

Химические свойства

При нормальных условиях углерод существует, как правило, в виде атомных кристаллов (алмаз, графит), поэтому химическая активность углерода — невысокая.

1. Углерод проявляет свойства окислителя (с элементами, которые расположены ниже и левее в Периодической системе) и свойства восстановителя (с элементами, расположенными выше и правее). Поэтому углерод реагирует и с металлами , и с неметаллами .

1.1. Из галогенов углерод при комнатной температуре реагирует с фтором с образованием фторида углерода:

1.2. При сильном нагревании углерод реагирует с серой и кремнием с образованием бинарного соединения сероуглерода и карбида кремния соответственно:

C + 2S → CS₂

C + Si → SiC

1.3. Углерод не взаимодействует с фосфором .

При взаимодействии углерода с водородом образуется метан. Реакция идет в присутствии катализатора (никель) и при нагревании:

1.4. С азотом углерод реагирует при действии электрического разряда, образуя дициан:

2С + N₂ → N≡C–C≡N

1.5. В реакциях с активными металлами углерод проявляет свойства окислителя. При этом образуются карбиды:

2C + Ca → CaC₂

1.6. При нагревании с избытком воздуха графит горит , образуя оксид углерода (IV):

при недостатке кислорода образуется угарный газ СО:

2C + O₂ → 2CO

Алмаз горит при высоких температурах:

Горение алмаза в жидком кислороде:

Графит также горит:

Графит также горит, например, в жидком кислороде:

Графитовые стержни под напряжением:

2. Углерод взаимодействует со сложными веществами:

2.1. Раскаленный уголь взаимодействует с водяным паром с образованием угарного газа и водорода:

C 0 + H₂ + O → C +2 O + H₂ 0

2.2. Углерод восстанавливает многие металлы из основных и амфотерных оксидов . При этом образуются металл и угарный газ. Получение металлов из оксидов с помощью углерода и его соединений называют пирометаллургией.

Например , углерод взаимодействует с оксидом цинка с образованием металлического цинка и угарного газа:

ZnO + C → Zn + CO

Также углерод восстанавливает железо из железной окалины:

4С + Fe₃O₄ → 3Fe + 4CO

При взаимодействии с оксидами активных металлов углерод образует карбиды.

Например , углерод взаимодействует с оксидом кальция с образованием карбида кальция и угарного газа. Таким образом, углерод диспропорционирует в данной реакции:

3С + СаО → СаС₂ + СО

2.3. Концентрированная серная кислота окисляет углерод при нагревании. При этом образуются оксид серы (IV), оксид углерода (IV) и вода:

2.4. Концентрированная азотная кислотой окисляет углерод также при нагревании. При этом образуются оксид азота (IV), оксид углерода (IV) и вода:

2.5. Углерод проявляет свойства восстановителя и при сплавлении с некоторыми солями , в которых содержатся неметаллы с высокой степенью окисления.

Например , углерод восстанавливает сульфат натрия до сульфида натрия:

Карбиды

Карбиды – это соединения элементов с углеродом . Карбиды разделяют на ковалентные и ионные в зависимости от типа химической связи между атомами.

Это соединения с металлами, при гидролизе которых образуется пропин

Например : Mg₂C₃

Пропиниды разлагаются водой или кислотами с образованием пропина и гидроксида или соли

Например:

Все карбиды проявляют свойства восстановителей и могут быть окислены сильными окислителями .

Например , карбид кремния окисляется концентрированной азотной кислотой при нагревании до углекислого газа, оксида кремния (IV) и оксида азота (II):

Оксид углерода (II)

Строение молекулы и физические свойства

Оксид углерода (II) («угарный газ») – это газ без цвета и запаха. Сильный яд. Небольшая концентрация угарного газа в воздухе может вызвать сонливость и головокружение. Большие концентрации угарного газа вызывают удушье.

Строение молекулы оксида углерода (II) – линейное. Между атомами углерода и кислорода образуется тройная связь, за счет дополнительной донорно-акцепторной связи:

Способы получения

В лаборатории угарный газ можно получить действием концентрированной серной кислоты на муравьиную или щавелевую кислоты:

НСООН → CO + H₂O

В промышленности угарный газ получают в газогенераторах при пропускании воздуха через раскаленный уголь:

CO₂ + C → 2CO

Еще один важный промышленный способ получения угарного газа — паровая конверсия метана. При взаимодействии перегретого водяного пара с метаном образуется угарный газ и водород:

Также возможна паровая конверсия угля:

C 0 + H₂ + O → C +2 O + H₂ 0

Угарный газ в промышленности также можно получать неполным окислением метана:

Химические свойства

Оксид углерода (II) – несолеобразующий оксид . За счет углерода со степенью окисления +2 проявляет восстановительные свойства.

1. Угарный газ горит в атмосфере кислорода . Пламя окрашено в синий цвет:

2. Оксид углерода (II) окисляется хлором в присутствии катализатора или под действием света с образованием фосгена. Фосген – ядовитый газ.

3. Угарный газ взаимодействует с водородом при повышенном давлении . Смесь угарного газа и водорода называется синтез-газ. В зависимости от условий из синтез-газа можно получить метанол, метан, или другие углеводороды.

Например , под давлением больше 20 атмосфер, при температуре 350°C и под действием катализатора угарный газ реагирует с водородом с образованием метанола:

4. Под давлением оксид углерода (II) реагирует с щелочами. При этом образуется формиат – соль муравьиной кислоты.

Например , угарный газ реагирует с гидроксидом натрия с образованием формиата натрия:

CO + NaOH → HCOONa

5. Оксид углерода (II) восстанавливает металлы из оксидов .

Например , оксид углерода (II) реагирует с оксидом железа (III) с образованием железа и углекислого газа:

Оксиды меди (II) и никеля (II) также восстанавливаются угарным газом:

СО + CuO → Cu + CO₂

СО + NiO → Ni + CO₂

6. Угарный газ окисляется и другими сильными окислителями до углекислого газа или карбонатов.

Например , пероксидом натрия:

Оксид углерода (IV)

Строение молекулы и физические свойства

Оксид углерода (IV) (углекислый газ) — газ без цвета и запаха. Тяжелее воздуха. Замороженный углекислый газ называют также «сухой лед». Сухой лед легко подвергается сублимации — переходит из твердого состояния в газообразное.

Смешивая сухой лед и различные вещества, можно получить интересные эффекты. Например, сухой лед в пиве:

Углекислый газ не горит, поэтому его применяют при пожаротушении.

Молекула углекислого газа линейная , атом углерода находится в состоянии sp-гибридизации, образует две двойных связи с атомами кислорода:

Обратите внимание! Молекула углекислого газа не полярна. Каждая химическая связь С=О по отдельности полярна, а вся молекула не будет полярна. Объяснить это очень легко. Обозначим направление смещения электронной плотности в полярных связях стрелочками (векторами):

Теперь давайте сложим эти векторы. Сделать это очень легко. Представьте, что атом углерода — это покупатель в магазине. А атомы кислорода — это консультанты, которые тянут его в разные стороны. В данном опыте консультанты одинаковые, и тянут покупателя в разные стороны с одинаковыми силами. Несложно увидеть, что покупатель двигаться не будет ни влево, ни вправо. Следовательно, сумма этих векторов равна нулю. Следовательно, полярность молекулы углекислого газа равна нулю.

Способы получения

В лаборатории углекислый газ можно получить разными способами:

1. Углекислый газ образуется при действии сильных кислот на карбонаты и гидрокарбонаты металлов. При этом взаимодействуют с кислотами и нерастворимые карбонаты, и растворимые.

Например , карбонат кальция растворяется в соляной кислоте:

Видеоопыт взаимодействия карбоната кальция с соляной кислотой можно посмотреть здесь.

Еще один пример : гидрокарбонат натрия реагирует с бромоводородной кислотой:

2. Растворимые карбонаты реагируют с растворимыми солями алюминия, железа (III) и хрома (III) . Карбонаты трехвалентных металлов необратимо гидролизуются в водном растворе.

Например: хлорид алюминия реагирует с карбонатом калия. При этом выпадает осадок гидроксида алюминия, выделяется углекислый газ и образуется хлорид калия:

3. Углекислый газ также образуется при термическом разложении нерастворимых карбонатов и при разложении растворимых гидрокарбонатов.

Например , карбонат кальция разлагается при нагревании на оксид кальция и углекислый газ:

Химические свойства

Углекислый газ — типичный кислотный оксид . За счет углерода со степенью окисления +4 проявляет слабые окислительные свойства .

1. Как кислотный оксид, углекислый газ взаимодействует с водой . Реакция очень сильно обратима, поэтому мы считаем, что в реакциях угольная кислота распадается почти полностью при образовании.

2. Как кислотный оксид, углекислый газ взаимодействует с основными оксидами и основаниями . При этом углекислый газ реагирует только с сильными основаниями (щелочами) и их оксидами . При взаимодействии углекислого газа с щелочами возможно образование как кислых, так и средних солей.

Например , гидроксид калия взаимодействует с углекислым газом. В избытке углекислого газа образуется кислая соль, гидрокарбонат калия:

При избытке щелочи образуется средняя соль, карбонат калия:

Помутнение известковой воды — качественная реакция на углекислый газ:

Видеоопыт взаимодействия гидроксида кальция (известковая вода) с углекислым газом можно посмотреть здесь.

3. Углекислый газ взаимодействует с карбонатами . При пропускании СО₂ через раствор карбонатов образуются гидрокарбонаты.

Например , карбонат натрия взаимодействует с углекислым газом. В избытке углекислого газа образуется кислая соль, гидрокарбонат натрия:

4. Как слабый окислитель, углекислый газ взаимодействует с некоторыми восстановителями .

Например , углекислый газ взаимодействует с углеродом с образованием угарного газа:

CO₂ + C → 2CO

Магний горит в атмосфере углекислого газа:

Видеоопыт взаимодействия магния с углекислым газом можно посмотреть здесь.

Поэтому углекислый газ нельзя применять для пожаротушения горящего магния.

Углекислый газ взаимодействует с пероксидом натрия. При этом пероксид натрия диспропорционирует:

Карбонаты и гидрокарбонаты

При нагревании карбонаты (все, кроме карбонатов щелочных металлов и аммония) разлагаются до оксида металла и оксида углерода (IV).

Карбонат аммония при нагревании разлагается на аммиак, воду и углекислый газ:

Гидрокарбонаты при нагревании переходят в карбонаты:

Качественной реакцией на ионы СО₃ 2─ и НСО₃ − является их взаимодействие с более сильными кислотами , последние вытесняют угольную кислоту из солей, а та разлагается с выделением СО₂.

Например , карбонат натрия взаимодействует с соляной кислотой:

Гидрокарбонат натрия также взаимодействует с соляной кислотой:

NaHCO₃ + HCl → NaCl + CO₂ ↑ + H₂O

Гидролиз карбонатов и гидрокарбонатов

Растворимые карбонаты и гидрокарбонаты гидролизуются по аниону. Гидролиз протекает ступенчато и обратимо, т.е. чуть-чуть:

Однако карбонаты и гидрокарбонаты алюминия, хрома (III) и железа (III) гидролизуются необратимо, полностью, т.е. в водном растворе не существуют, а разлагаются водой:

Более подробно про гидролиз можно прочитать в соответствующей статье.

Источник

Ковалентные карбиды	Ионные карбиды
	Метаниды	Ацетилениды	Пропиниды
Это соединения углерода с неметаллами Например : SiC, B4C	Это соединения с металлами, в которых с.о. углерода равна -4 Например : Al4C3, Be2C	Это соединения с металлами, в которых с.о. углерода равна -1 Например : Na2C2, CaC2
Частицы связаны ковалентными связями и образуют атомные кристаллы. Поэтому ковалентные карбиды химически стойкие. Окисляются только сильными окислителями	Метаниды разлагаются водой или кислотами с образованием метана и гидроксида или соли: Например : Al4C3 + 12H2O → 4Al(OH)3 + 3CH4	Ацетилениды разлагаются водой или кислотами с образованием ацетилена и гидроксида или соли: Например: СаС2+ 2Н2O → Са(OH)2 + С2Н2