Углерод определение. Реферат: Углерод и его основные неорганические соединения

УГЛЕРОД , С, химический элемент IV группы периодической системы, атомный вес 12,00, порядковый номер 6. До последнего времени углерод считался не имеющим изотопов; лишь недавно удалось с помощью особо чувствительных методов обнаружить существование изотопа С 13 . Углерод - один из важнейших элементов по распространенности, по многочисленности и разнообразию его соединений, по биологическому значению (как органоген), по обширности технического использования самого углерода и его соединений (как сырья и как источника энергии для промышленных и бытовых нужд) и наконец по своей роли в развитии химической науки. Углерод в свободном состоянии обнаруживает ярко выраженное явление аллотропии, известное уже более полутора веков, но до сих пор не вполне изученное как по причине чрезвычайной трудности получения углерода в химически чистом виде, так и потому, что большинство констант аллотропных модификаций углерода сильно меняется в зависимости от морфологических особенностей их структуры, обусловленных способом и условиями получения.

Углерод образует две кристаллические формы - алмаз и графит и кроме того известен в аморфном состоянии в виде т. н. аморфного угля . Индивидуальность последнего в результате недавних исследований оспаривалась: уголь отождествляли с графитом, рассматривая тот и другой как морфологические разновидности одной формы - «черного углерода», а разницу в их свойствах объясняли физической структурой и степенью дисперсности вещества. Однако в самое последнее время получены факты, подтверждающие существование угля как особой аллотропной формы (см. ниже).

Природные источники и запасы углерода . По распространенности в природе углерод занимает среди элементов 10-е место, составляя 0,013% атмосферы, 0,0025% гидросферы и около 0,35% всей массы земной коры. Большая часть углерода находится в форме кислородных соединений: в атмосферном воздухе содержится ~800 млрд. тонн углерода в виде двуокиси СО 2 ; в воде океанов и морей - до 50000 млрд. тонн углерода в виде СО 2 , иона угольной кислоты и бикарбонатов; в горных породах - нерастворимые карбонаты (кальция, магния и других металлов), причем на долю одного СаСО 3 приходится ~160·10 6 млрд. тонн углерода. Эти колоссальные запасы не представляют, однако, энергетической ценности; гораздо более ценными являются горючие углеродистые материалы - ископаемые угли, торф, затем нефть, углеводородные газы и другие природные битумы. Запас этих веществ в земной коре также довольно значителен: общая масса углерода в ископаемых углях достигает ~6000 млрд. тонн, в нефти ~10 млрд. тонн и т. д. В свободном состоянии углерод встречается довольно редко (алмаз и часть вещества графитов). Ископаемые угли почти или вовсе не содержат свободного углерода: они состоят гл. обр. из высокомолекулярных (полициклических) и весьма устойчивых соединений углерода с другими элементами (Н, О, N, S) еще очень мало изученных. Углеродистые соединения живой природы (биосферы земного шара), синтезируемые в растительных и животных клетках, отличаются чрезвычайным разнообразием свойств и количеств состава; наиболее распространенные в растительном мире вещества - клетчатка и лигнин - играют роль и в качестве энергетических ресурсов. Углерод сохраняет постоянство распределения в природе благодаря непрерывному круговороту, цикл которого слагается из синтеза сложных органических веществ в растительных и животных клетках и из обратной дезагрегации этих веществ при их окислительном распаде (горение, гниение, дыхание), приводящем к образованию СО 2 , которая вновь используется растениями для синтеза. Общая схема этого круговорота м. б. представлена в следующем виде:

Получение углерода . Углеродистые соединения растительного и животного происхождения неустойчивы при высоких температурах и, будучи подвергнуты нагреванию не ниже 150-400°С без доступа воздуха, разлагаются, выделяя воду и летучие соединения углерода и оставляя твердый нелетучий остаток, богатый углеродом и обычно называемый углем . Этот пиролитический процесс носит название обугливания , или сухой перегонки , и широко применяется в технике. Высокотемпературный пиролиз ископаемых углей, нефти и торфа (при температуре 450-1150°С) приводит к выделению углерода в графитообразной форме (кокс, ретортный уголь). Чем выше температура обугливания исходных материалов, тем получаемый уголь или кокс ближе по составу к свободному углероду, а по свойствам - к графиту.

Аморфный же уголь, образующийся при температуре ниже 800°С, не м. б. рассматриваем как свободный углерод, ибо содержит значительные количества химически связанных других элементов, гл. обр. водорода и кислорода. Из технических продуктов к аморфному углю наиболее близки по свойствам активированный уголь и сажа. Наиболее чистый уголь м. б. получен обугливанием чистого сахара или пиперонала, специальной обработкой газовой сажи и т. п. Искусственный графит, полученный электротермическим путем, по составу представляет собою почти чистый углерод. Природный графит всегда бывает загрязнен минеральными примесями и кроме того содержит некоторое количество связанных водорода (Н) и кислорода (О); в относительно чистом состоянии он м. б. получен лишь после ряда специальных обработок: механического обогащения, промывки, обработки окислителями и прокаливания при высокой температуре до полного удаления летучих веществ. В технологии углерода никогда не имеют дела с совершенно чистым углеродом; это относится не только к натуральному углеродному сырью, но и к продуктам его обогащения, облагораживания и термического разложения (пиролиза). Ниже приведено содержание углерода в некоторых углеродистых материалах (в %):

Физические свойства углерода . Свободный углерод практически совершенно неплавок, нелетуч и при обыкновенной температуре нерастворим ни в одном из известных растворителей. Он растворяется только в некоторых расплавленных металлах, особенно при температуре, приближающихся к температуре кипения последних: в железе (до 5%), серебре (до 6%)| рутении (до 4%), кобальте, никеле , золоте и платине. При отсутствии кислорода углерод является наиболее жароупорным материалом; жидкое состояние для чистого углерода неизвестно, а превращение его в пар начинается лишь при температуре выше 3000°С. Поэтому определение свойств углерода производилось исключительно для твердого агрегатного состояния. Из модификаций углерода алмаз обладает наиболее постоянными физическими свойствами; свойства графита в различных его образцах (даже наиболее чистых) значительно варьируют; еще более непостоянны свойства аморфного угля. Важнейшие физические константы различных модификаций углерода сопоставлены в таблице.

Алмаз - типичный диэлектрик, в то время как графит и уголь обладают металлической электропроводностью. По абсолютной величине проводимость их меняется в очень широких пределах, но для углей она всегда ниже, чем для графитов; у графитов же приближается к проводимости настоящих металлов. Теплоемкость всех модификаций углерода при температуре >1000°С стремится к постоянному значению 0,47. При температуре ниже -180°С теплоемкость алмаза становится исчезающе малой и при -27°С она практически делается равной нулю.

Химические свойства углерода . При нагревании выше 1000°С как алмаз, так и уголь постепенно превращаются в графит, который поэтому следует рассматривать как наиболее устойчивую (в условиях высоких температур) монотропную форму углерода. Превращение аморфного угля в графит начинается по-видимому около 800°С и заканчивается при 1100°С (в этой последней точке уголь теряет свою адсорбционную активность и способность к реактивации, а электропроводность его резко возрастает, оставаясь в дальнейшем почти постоянной). Для свободного углерода характерна инертность при обычных температурах и значительная активность - при высоких. Наиболее активен в химическом отношении аморфный уголь, в то время как алмаз обладает наибольшей резистентностью. Так, например, фтор реагирует с углем при температуре 15°С, с графитом же лишь при 500°С, а с алмазом при 700°С. При нагревании на воздухе пористый уголь начинает окисляться ниже 100°С, графит около 650°С, алмаз же выше 800°С. При температуре 300°С и выше уголь соединяется с серой в сероуглерод CS 2 . При температуре выше 1800°С углерод (уголь) начинает взаимодействовать с азотом, образуя (в незначительных количествах) дициан C 2 N 2 . Взаимодействие углерода с водородом начинается при 1200°С, причем в интервале температур 1200-1500°С образуется только метан СН 4 ; выше 1500°С - смесь метана, этилена (С 2 Н 4) и ацетилена (С 2 Н 2); при температуре порядка 3000°С получается почти исключительно ацетилен. При температуре электрической дуги углерод вступает в прямое соединение с металлами, кремнием и бором, образуя соответствующие карбиды. Прямыми или косвенными путями м. б. получены соединения углерода со всеми известными элементами, кроме газов нулевой группы. Углерод - элемент неметаллического характера, проявляющий некоторые признаки амфотерности. Атом углерода имеет диаметр 1,50 Ᾰ (1Ᾰ = 10 -8 см) и содержит во внешней сфере 4 валентных электрона, которые с равной легкостью отдаются либо дополняются до 8; поэтому нормальная валентность углерода как кислородная, так и водородная равна четырем. В подавляющем большинстве своих соединений углерод четырехвалентен; лишь в незначительном числе известны соединения двухвалентного углерода (окись углерода и ее ацетали, изонитрилы, гремучая кислота и ее соли) и трехвалентного (т. н. «свободный радикал»).

С кислородом углерод образует два нормальных окисла: двуокись углерода СО 2 кислотного характера и нейтральную окись углерода СО. Кроме того существует ряд недокисей углерода , содержащих более 1 атома С, не имеющих технического значения; из них наиболее известна недокись состава С 3 О 2 (газ с температурой кипения +7°С и температурой плавления -111°С). Первым продуктом горения углерода и его соединений является СО 2 , образующаяся по уравнению:

С+О 2 = СО 2 +97600 cal.

Образование СО при неполном сгорании топлива есть результат вторичного восстановительного процесса; восстановителем в этом случае служит сам углерод, который при температуре выше 450°С реагирует с СО 2 по уравнению:

СО 2 +С = 2СО -38800 cal;

реакция эта обратима; выше 950°С превращение СО 2 в СО делается практически полным, что и осуществляется в газогенераторных печах. Энергичная восстановительная способность углерода при высоких температурах используется также при получении водяного газа (Н 2 О+С = СО+Н 2 -28380 cal) и в металлургических процессах - для получения свободного металла из его окисла. К действию некоторых окислителей аллотропные формы углерода относятся различно: например, смесь KCIO 3 + HNO 3 на алмаз совершенно не действует, аморфный уголь окисляется ею сполна в СО 2 , графит же дает соединения ароматического ряда - графитовые кислоты с эмпирической формулой (С 2 ОН)х и далее меллитовую кислоту С 6 (СООН) 6 . Соединения углерода с водородом – углеводороды - крайне многочисленны; от них генетически производится большинство остальных органических соединений, в которые кроме углерода входят чаще всего Н, О, N, S и галоиды.

Исключительное многообразие органических соединений, которых известно до 2 млн., обусловлено некоторыми особенностями углерода как элемента. 1) Для углерода характерна прочность химической связи с большинством остальных элементов как металлического, так и неметаллического характера, благодаря чему он образует достаточно устойчивые соединения и с теми и с другими. Вступая в сочетание с другими элементами, углерод весьма мало склонен к образованию ионов. Большая часть органических соединений - гомеополярного типа и в обычных условиях не диссоциирует; разрыв внутримолекулярных связей в них нередко требует затраты значительного количества энергии. При суждении о прочности связей следует однако различать; а) прочность связи абсолютную, измеряемую термохимическим путем, и б) способность связи разрываться под действием различных реагентов; эти две характеристики далеко не всегда совпадают. 2) Атомы углерода с исключительной легкостью связываются друг с другом (неполярно), образуя углеродные цепи , открытые или замкнутые. Длина таких цепей по-видимому не подвержена никаким ограничениям; так, известны вполне устойчивые молекулы с открытыми цепями из 64 атомов углерода. Удлинение и усложнение открытых цепей не отражается на прочности связи их звеньев между собою или с другими элементами. Среди замкнутых цепей наиболее легко образуются 6- и 5-членные кольца, хотя известны кольчатые цепи, содержащие от 3 до 18 углеродных атомов. Способность атомов углерода к взаимному соединению хорошо объясняет особые свойства графита и механизм процессов обугливания; она делает понятным и тот факт, что углерод неизвестен в форме двухатомных молекул С 2 , чего можно было бы ожидать по аналогии с другими легкими неметаллическими элементами (в парообразной форме углерод состоит из одноатомных молекул). 3) Благодаря неполярному характеру связей очень многие соединения углерода обладают химической инертностью не только внешней (медленность реагирования), но и внутренней (затрудненность внутримолекулярных перегруппировок). Наличие больших «пассивных сопротивлений» сильно затрудняет самопроизвольное превращение неустойчивых форм в устойчивые, часто сводя скорость такого превращения к нулю. Результатом этого является возможность реализации большого числа изомерных форм, практически одинаково устойчивых при обыкновенной температуре.

Аллотропия и атомная структура углерода . Рентгенографический анализ дал возможность с достоверностью установить атомную структуру алмаза и графита. Этот же метод исследования пролил свет и на вопрос о существовании третьей аллотропной модификации углерода, являющийся по сути дела вопросом об аморфности или кристалличности угля: если уголь - аморфное образование, то он не м. б. отождествлен ни с графитом, ни с алмазом, а должен рассматриваться как особая форма углерода, как индивидуальное простое вещество. В алмазе атомы углерода размещены т. о., что каждый атом лежит в центре тетраэдра, вершинами которого являются 4 смежных атома; каждый из последних в свою очередь является центром другого такого же тетраэдра; расстояния между смежными атомами равны 1,54 Ᾰ (ребро элементарного куба кристаллической решетки равно 3,55 Ᾰ). Такая структура является наиболее компактной; ей соответствуют высокая твердость, плотность и химическая инертность алмаза (равномерное распределение валентных сил). Взаимная связь атомов углерода в решетке алмаза такая же, как и в молекулах большинства органических соединений жирного ряда (тетраэдрическая модель углерода). В кристаллах графита атомы углерода расположены плотными слоями, отстоящими один от другого на 3,35-3,41 Ᾰ; направление этих слоев совпадает с плоскостями спайности и плоскостями скольжения при механических деформациях. В плоскости каждого слоя атомы образуют сетку с шестиугольными ячейками (роты); сторона такого шестиугольника равна 1,42-1,45 Ᾰ. В смежных слоях шестиугольники не лежат один под другим: совпадение их по вертикали повторяется лишь через 2 слоя в третьем. Три связи каждого атома углерода лежат в одной плоскости, образуя углы в 120°; 4-я связь направлена попеременно в ту или другую сторону от плоскости к атомам соседних слоев. Расстояния между атомами в слое строго постоянны, расстояние же между отдельными слоями м. б. изменено внешними воздействиями: так, при прессовании под давлением до 5000 atm оно уменьшается до 2,9 Ᾰ, а при набухании графита в концентрированной HNO 3 - увеличивается до 8 Ᾰ. В плоскости одного слоя атомы углерода связаны гомеополярно (как в углеводородных цепях), связи же между атомами смежных слоев имеют скорее металлический характер; это видно из того, что электропроводность кристаллов графита в направлении, перпендикулярном к слоям, в ~100 раз превышает проводимость по направлению слоя. Т. о. графит обладает свойствами металла в одном направлении и свойствами неметалла - в другом. Расположение атомов углерода в каждом слое решетки графита совершенно такое же, как в молекулах сложноядерных ароматических соединений. Такая конфигурация хорошо объясняет резкую анизотропность графита, исключительно развитую спайность, антифрикционные свойства и образование ароматических соединений при его окислении. Аморфная модификация черного углерода, по-видимому, существует как самостоятельная форма (О. Руфф). Для нее наиболее вероятным является пенообразное ячеистое строение, лишенное всякой правильности; стенки таких ячеек образованы слоями активных атомов углерода толщиною примерно в 3 атома. На практике активная субстанция угля залегает обычно под оболочкой из тесно расположенных неактивных атомов углерода, ориентированных графитообразно, и пронизана включениями очень мелких графитовых кристаллитов. Определенной точки превращения уголь→графит вероятно не имеется: между обеими модификациями осуществляется непрерывный переход, на протяжении которого происходит перестроение беспорядочно скученной массы С-атомов аморфного угля в правильную кристаллическую решетку графита. В силу своего беспорядочного расположения атомы углерода в аморфном угле проявляют максимум остаточного сродства, что (согласно представлениям Лангмюира о тождественности адсорбционных сил с силами валентными) соответствует столь характерной для угля высокой адсорбционной и каталитической активности. Атомы углерода, ориентированные в кристаллическую решетку, затрачивают на взаимное сцепление все свое сродство (в алмазе) или большую часть его (в графите); этому соответствует понижение химической активности и активности адсорбционной. У алмаза адсорбция возможна лишь на поверхности монокристалла, у графита же остаточная валентность может проявляться на обеих поверхностях каждой плоской решетки (в «щелях» между слоями атомов), что и подтверждается фактом способности графита к набуханию в жидкостях (HNO 3) и механизмом его окисления в графитовую кислоту.

Техническое значение углерода . Что касается б. или м. свободного углерода, получаемого при процессах обугливания и коксования, то его применение в технике основывается как на химических (инертность, восстановительная способность), так и на физических его свойствах (жаростойкость, электропроводность, адсорбционная способность). Так, кокс и древесный уголь, помимо частичной прямой утилизации их в качестве беспламенного топлива, используются для получения газообразного горючего (генераторных газов); в металлургии черных и цветных металлов - для восстановления металлических окислов (Fe, Сu, Zn, Ni, Сг, Мn, W, Mo, Sn, As, Sb, Bi); в химической технологии - как восстановитель при получении сульфидов (Na, Са, Ва) из сульфатов, безводных хлористых солей (Mg, Аl), из окисей металлов, при производстве растворимого стекла и фосфора - как сырье для получения карбида кальция, карборунда и других карбидов сероуглерода и т. д.; в строительном деле - как термоизолирующий материал. Ретортный уголь и кокс служат материалом для электродов электрических печей, электролитических ванн и гальванических элементов, для изготовления дуговых углей, реостатов, коллекторных щеток, плавильных тиглей и т. п., а также в качестве насадки в химической аппаратуре башенного типа. Древесный уголь кроме указанных выше применений идет для получения концентрированной окиси углерода, цианистых солей, для цементации стали, широко используется как адсорбент, как катализатор для некоторых синтетических реакций, наконец входит в состав дымного пороха и других взрывчатых и пиротехнических составов.

Аналитическое определение углерода . Качественно углерод определяется обугливанием пробы вещества без доступа воздуха (что пригодно далеко не для всех веществ) или, что гораздо надежнее, исчерпывающим окислением его, например, прокаливанием в смеси с окисью меди, причем образование СО 2 доказывается обычными реакциями. Для количественного определения углерода навеска вещества подвергается сожжению в атмосфере кислорода; образующаяся СО 2 улавливается раствором щелочи и определяется весовым или объемным путем по обычным методам количественного анализа. Этот способ годен для определения углерода не только в органических соединениях и технических углях, но также и в металлах.

Углерод (химический символ - C) - химический элемент 4-ой группы главной подгруппы 2-го периода периодической системы Менделеева, порядковый номер 6, атомная масса природной смеси изотопов 12,0107 г/моль.

При обычных температурах углерод химически инертен, при достаточно высоких соединяется со многими элементами, проявляет сильные восстановительные свойства. Химическая активность разных форм углерода убывает в ряду: аморфный углерод, графит, алмаз, на воздухе они воспламеняются при температурах соответственно выше 300-500 °C, 600-700 °C и 850-1000 °C.

Изотопы:
Природный углерод состоит из двух стабильных изотопов - 12С (98,892 %) и 13С (1,108 %) и одного радиоактивного изотопа 14С (β-излучатель, Т½= 5730 лет) , сосредоточенного в атмосфере и верхней части земной коры. Он постоянно образуется в нижних слоях стратосферы в результате воздействия нейтронов космического излучения на ядра азота по реакции: 14N (n, p) 14C, а также, с середины 1950-х годов, как техногенный продукт работы АЭС и в результате испытания водородных бомб.
На образовании и распаде 14С основан метод радиоуглеродного датирования, широко применяющийся в четвертичной геологии и археологии.

Аллотропия:
Электронные орбитали атома углерода могут иметь различную геометрию, в зависимости от степени гибридизации его электронных орбиталей. Существует три основных геометрии атома углерода.

Тетраэдрическая, образуется при смешении одного s- и трех p-электронов (sp3-гибридизация) . Атом углерода находится в центре тетраэдра, связан четырьмя эквивалентными σ-связями с атомами углерода или иными в вершинах тетраэдра. Такой геометрии атома углерода соответствуют аллотропные модификации углерода алмаз и лонсдейлит. Такой гибридизацией обладает углерод, например, в метане и других углеводородах.

Тригональная, образуется при смешении одной s- и двух p-электронных орбиталей (sp²-гибридизация) . Атом углерода имеет три равноценные σ-связи, расположенные в одной плоскости под углом 120° друг к другу. Не участвующая в гибридизации p-орбиталь, расположенная перпендикулярно плоскости σ-связей, используется для образования π-связи с другими атомами. Такая геометрия углерода характерна для графита, фенола и др.
- дигональная, образуется при смешении одного s- и одного p-электронов (sp-гибридизация) . При этом два электронных облака вытянуты вдоль одного направления и имеют вид несимметричных гантелей. Два других р-электрона дают π-связи. Углерод с такой геометрией атома образует особую аллотропную модификацию - карбин.

Степени окисления +4, −4, редко +2 (СО, карбиды металлов) , +3 (C2N2, галогенцианы) ; сродство к электрону 1,27 эВ; энергия ионизации при последовательном переходе от С0 к С4+ соответственно 11,2604, 24,383, 47,871 и 64,19 эВ.

Химические свойства углерода
Взаимодействие с фтором
Углерод обладает низкой реакционной способностью, из галогенов реагирует только с фтором:

С + 2F2 = CF4.

Взаимодействие с кислородом
При нагревании взаимодействует с кислородом:

2С + О2 = 2СО,

С + О2 = СО2,

образуя оксиды СО и СО2.

Взаимодействие с другими неметаллами
Реагирует с серой:

не взаимодействует с азотом и фосфором.

Реагирует с водородом в присутствии никелевого катализатора, образуя метан:

Взаимодействие с металлами
Способен взаимодействовать с металлами, образуя карбиды:
Ca + 2C = CaC2.

Взаимодействие с водой
При пропускании водяных паров через раскаленный уголь образуется оксид углерода (II) и водород:
C + H2O = CO + H2.

Восстановительные свойства
Углерод способен восстанавливать многие металлы из их оксидов:
2ZnO + C = 2Zn + CO2.

Концентрированные серная и азотная кислоты при нагревании окисляют углерод до оксида углерода (IV):

C + 2H2SO4 = CO2 + 2SO2 + 2H2O;
C + 4HNO3 = CO2 + 4NO2 + 2H2O.

1. Во всех органических соединениях атом углерода имеет валентность равную 4.

2. Углерод способен образовывать простые и очень сложные молекулы (высокомолекулярные соединения: белки, каучуки, пластмассы).

3. Атомы углерода соединяются не только с другими атомами, но и друг с другом, образуя различные углерод - углеродные цепи - прямые, разветвленные, замкнутые:

4. Для соединений углерода характерно явление изомерии, т.е. когда вещества имеют один и тот же качественный и количественный состав, но различное химическое строение, а следовательно, различные свойства. Например: эмпирической формуле С 2 Н 6 О соответствуют два различных строений веществ:

этиловый спирт, диметиловый эфир,

жидкость, t 0 кип. = +78 0 С газ, t 0 кип. = -23,7 0 С

Следовательно, этиловый спирт и диметиловый эфир – изомеры.

5. Водные растворы большинства органических веществ – неэлектролиты, молекулы их не распадаются на ионы.

Изомерия.

В 1823 г. было открыто явление изомерии – существование веществ с одинаковым составом молекул, но обладающих различными свойствами. В чем причина различия изомеров? Поскольку состав их одинаков, то причину можно искать только в разном порядке соединения атомов в молекуле.

Еще до создания теории химического строения А.М. Бутлеров предсказал, что для бутана С 4 Н 10 , имеющего линейное строение СН 3 – СН 2 – СН 2 – СН 3 t 0 (кип. -0,5 0 С) возможно существование другого вещества с той же молекулярной формулой, но с иной последовательностью соединения углеродных атомов в молекуле:

изобутан

t 0 кип. – 11,7 0 С

Итак, изомеры – это вещества, которые имеют одинаковую молекулярную формулу, но различное химическое строение, а следовательно и разные свойства. Существует два основных типа изомерии – структурная и пространственная.

Структурными называют изомеры, имеющие различный порядок соединения атомов в молекуле. Различают три вида ее:

Изомерия углеродного скелета:

С – С – С – С – С С – С – С – С

Изомерия кратной связи:

С = С – С – С С – С = С – С

- межклассовая изомерия:

пропионовая кислота

Пространственная изомерия. Пространственные изомеры имеют одинаковые заместители у каждого атома углерода. Но отличаются их взаимным расположением в пространстве. Различают два типа этой изомерии: геометрическую и оптическую. Геометрическая изомерия характерна для соединений, имеющих плоскостное строение молекул (алкенов, циклоалканов, алкадиенов и др.). Если одинаковые заместители у атомов углерода, например, при двойной связи находятся по одну сторону плоскости молекулы, то это будет цис-изомер, по разные стороны – транс-изомер:

Оптическая изомерия – характерна для соединений, имеющих асимметрический атом углерода, который связан с четырьмя различными заместителями. Оптические изомеры являются зеркальным изображением друг друга. Например:

Электронное строение атома.

Строение атома изучается в неорганической химии и физике. Известно, что атом определяет свойства химического элемента. Атом состоит из положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена вся его масса, и отрицательно заряженных электронов, окружающих ядро.

Так как в процессе химических реакций ядра реагирующих атомов не изменяются, то физические и химические свойства атомов зависят от строения электронных оболочек атомов. Электроны могут уходить от одних атомов к другим, могут объединяться и т.д. Поэтому мы подробно рассмотрим вопрос о распределении электронов в атоме на основе квантовой теории строения атомов. Согласно этой теории электрон одновременно обладает свойствами частицы (массой, зарядом) и волновой функцией. Для движущихся электронов невозможно определить точное местонахождение. Они находятся в пространстве вблизи атомного ядра. Можно определить вероятность нахождения электрона в различных частях пространства. Электрон как бы «размазан» в этом пространстве в виде некоторого облака (рисунок 1), плотность которого убывает.

Рисунок 1.

Область пространства, в которой вероятность нахождения электрона максимальна (≈ 95%) называется орбиталью .

Согласно квантовой механике состояние электрона в атоме определяется четырьмя квантовыми числами: главным (n), орбитальным (l) , магнитным (m) и спиновым (s).

Главное квантовое число n – характеризует энергию электрона, расстояние орбитали от ядра, т.е. энергетический уровень и принимает значения 1, 2, 3 и т.д. или K, L, M, N и т.д. Значение n = 1 соответствует наименьшей энергии. С увеличением n энергия электрона возрастает. Максимальное число электронов, находящихся на энергетическом уровне, определяется по формуле: N = 2n 2 , где n – номер уровня, следовательно, при:

n = 1 N = 2 n = 3 N = 18

n = 2 N = 8 n = 4 N = 32 и т.д.

В пределах энергетических уровней электроны располагаются по подуровням (или подоболочкам). Число их соответствует номеру энергетического уровня, но характеризуются они орбитальным квантовым числом l, которое определяет форму орбитали. Оно принимает значения от 0 до n-1. При

n = 1 l = 0 n = 2 l = 0, 1 n = 3 l = 0, 1, 2 n = 4 l = 0, 1, 2, 3

Максимальное число электронов на подуровне определяется по формуле: 2(2l + 1). Для подуровней принимают буквенные обозначения:

l = 1, 2, 3, 4

Следовательно, если n = 1, l = 0, подуровень s.

n = 2, l = 0, 1, подуровень s, p.

Максимальное количество электронов на подуровнях:

N s = 2 N d = 10

N p = 6 N f = 14 и т.д.

Больше этих количеств электронов на подуровнях быть не может. Форму электронного облака определяет значение l . При
l = 0 (s-орбиталь) электронное облако имеет сферическую форму и не имеет пространственную направленность.

Рисунок 2.

При l = 1 (p-орбиталь) электронное облако имеет форму гантели или форму «восьмерки»:

Рисунок 3.

Магнитное квантовое число m характеризует
расположение орбиталей в пространстве. Оно может принимать значения любых чисел от –l до +l, включая 0. Число возможных значений магнитного квантового числа при данном значении l равно (2l + 1). Например:

l = 0 (s-орбиталь) m = 0, т.е. s-орбиталь имеет только одно положение в пространстве.

l = 1 (p-орбиталь) m = -1, 0, +1 (3 значения).

l = 2 (d-орбиталь) m = -2, -1, 0, +1, +2 и т.д.

p и d-орбитали имеют соответственно 3 и 5 состояний.

Орбитали p вытянуты по координатным осям и их обозначают р x , p y , p z -орбитали.

Спиновое квантовое число s - характеризует вращение электрона вокруг собственной оси по часовой стрелке и против нее. Оно может иметь только два значения +1/2 и -1/2. Строение электронной оболочки атома изображается электронной формулой, которая показывает распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням. В этих формулах энергетические уровни обозначаются цифрами 1, 2, 3, 4…, подуровни – буквами s, p, d, f. Число электронов на подуровне записывается степенью. Например: максимальное число электронов на s 2 , p 6 , d 10 , f 14 .

Электронные формулы часто изображают графически, которые показывают распределение электронов не только по уровням и подуровням, но и по орбиталям, обозначаемым прямоугольником. Подуровни делятся на квантовые ячейки.

Свободная квантовая ячейка

Ячейка с неспаренным электроном

Ячейка со спаренными электронами

На s-подуровне одна квантовая ячейка.

На p-подуровне 3 квантовых ячейки.

На d-подуровне 5 квантовых ячеек.

На f-подуровне 7 квантовых ячеек.

Распределение электронов в атомах определяется принципом Паули и правилом Гунда . Согласно принципа Паули: в атоме не может быть электронов с одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел. В соответствии с принципом Паули в энергетической ячейке может быть один, максимально два электрона с противоположными спинами. Заполнение ячеек происходит по принципу Гунда, согласно которому электроны располагаются сначала по одному в каждой отдельной ячейке, затем, когда все ячейки данного подуровня окажутся занятыми, начинается спаривание электронов.

Последовательность заполнения атомных электронных орбиталей определена правилами В. Клечковскогов зависимости от суммы (n + l ):

вначале заполняются те подуровни, у которых эта сумма меньшая;

при одинаковых значениях суммы (n + l ) вначале идет заполнение подуровня с меньшим значением n .

Например:

а) рассмотрим заполнение подуровней 3d и 4s. Определим сумму (n + l ):

у 3d (n + l ) = 3 + 2 = 5, у 4s (n + l ) = 4 + 0 = 4, следовательно сначала заполняется 4s, а затем 3d подуровень.

б) у подуровней 3d, 4p, 5s сумма значений (n + l ) = 5. В соответствии с правилом Клечковского заполнение начинается с меньшим значением n, т.е. 3d → 4p → 5s. Заполнение электронами энергетических уровней и подуровней атомов происходит в следующей последовательности:валентность n = 2 n = 1

У Be спаренная пара электронов на 2s 2 подуровне. Для подведения энергии извне эту пару электронов можно разъединить и сделать атом валентным. При этом происходит переход электрона с одного подуровня на другой подуровень. Этот процесс называется возбуждением электрона. Графическая формула Be в возбужденном состоянии будет иметь вид:

и валентность равна 2.

УГЛЕРОД
С (carboneum) , неметаллический химический элемент IVA подгруппы (C, Si, Ge, Sn, Pb) периодической системы элементов. Встречается в природе в виде кристаллов алмаза (рис. 1), графита или фуллерена и других форм и входит в состав органических (уголь, нефть, организмы животных и растений и др.) и неорганических веществ (известняк, пищевая сода и др.). Углерод широко распространен, но содержание его в земной коре всего 0,19% (см. также АЛМАЗ ; ФУЛЛЕРЕНЫ).

Углерод широко используется в виде простых веществ. Кроме драгоценных алмазов, являющихся предметом ювелирных украшений, большое значение имеют промышленные алмазы - для изготовления шлифовального и режущего инструмента. Древесный уголь и другие аморфные формы углерода применяются для обесцвечивания, очистки, адсорбции газов, в областях техники, где требуются адсорбенты с развитой поверхностью. Карбиды, соединения углерода с металлами, а также с бором и кремнием (например, Al4C3, SiC, B4C) отличаются высокой твердостью и используются для изготовления абразивного и режущего инструмента. Углерод входит в состав сталей и сплавов в элементном состоянии и в виде карбидов. Насыщение поверхности стальных отливок углеродом при высокой температуре (цементация) значительно увеличивает поверхностную твердость и износостойкость.
См. также СПЛАВЫ . В природе существует множество различных форм графита; некоторые получены искусственно; имеются аморфные формы (например, кокс и древесный уголь). Сажа, костяной уголь, ламповая сажа, ацетиленовая сажа образуются при сжигании углеводородов при недостатке кислорода. Так называемый белый углерод получается сублимацией пиролитического графита при пониженном давлении - это мельчайшие прозрачные кристаллики графитовых листочков с заостренными кромками.
Историческая справка. Графит, алмаз и аморфный углерод известны с древности. Издавна известно, что графитом можно маркировать другой материал, и само название "графит", происходящее от греческого слова, означающего "писать", предложено А.Вернером в 1789. Однако история графита запутана, часто за него принимали вещества, обладающие сходными внешними физическими свойствами, например молибденит (сульфид молибдена), одно время считавшийся графитом. Среди других названий графита известны "черный свинец", "карбидное железо", "серебристый свинец". В 1779 К.Шееле установил, что графит можно окислить воздухом с образованием углекислого газа. Впервые алмазы нашли применение в Индии, а в Бразилии драгоценные камни приобрели коммерческое значение в 1725; месторождения в Южной Африке были открыты в 1867. В 20 в. основными производителями алмазов являются ЮАР, Заир, Ботсвана, Намибия, Ангола, Сьерра-Леоне, Танзания и Россия. Искусственные алмазы, технология которых была создана в 1970, производятся для промышленных целей.
Аллотропия. Если структурные единицы вещества (атомы для одноатомных элементов или молекулы для полиатомных элементов и соединений) способны соединяться друг с другом в более чем одной кристаллической форме, это явление называется аллотропией. У углерода три аллотропические модификации - алмаз, графит и фуллерен. В алмазе каждый атом углерода имеет 4 тетраэдрически расположенных соседа, образуя кубическую структуру (рис. 1,а). Такая структура отвечает максимальной ковалентности связи, и все 4 электрона каждого атома углерода образуют высокопрочные связи С-С, т.е. в структуре отсутствуют электроны проводимости. Поэтому алмаз отличается отсутствием проводимости, низкой теплопроводностью, высокой твердостью; он самый твердый из известных веществ (рис. 2). На разрыв связи С-С (длина связи 1,54 , отсюда ковалентный радиус 1,54/2 = 0,77) в тетраэдрической структуре требуются большие затраты энергии, поэтому алмаз, наряду с исключительной твердостью, характеризуется высокой температурой плавления (3550° C).

Мелкодисперсный углерод в избытке кислорода способен взрываться при нагревании или от искры. Кроме прямого окисления существуют более современные методы получения оксидов. Субоксид углерода C3O2 образуется при дегидратации малоновой кислоты над P4O10:

C3O2 имеет неприятный запах, легко гидролизуется, вновь образуя малоновую кислоту.
Монооксид углерода(II) СО образуется при окислении любой модификации углерода в условиях недостатка кислорода. Реакция экзотермична, выделяется 111,6 кДж/моль. Кокс при температуре белого каления реагирует с водой: C + H2O = CO + H2; образующаяся газовая смесь называется "водяной газ" и является газообразным топливом. СO образуется также при неполном сгорании нефтепродуктов, в заметных количествах содержится в автомобильных выхлопах, получается при термической диссоциации муравьиной кислоты:

Степень окисления углерода в СО равна +2, а поскольку углерод более устойчив в степени окисления +4, то СО легко окисляется кислородом до CO2: CO + O2 (r) CO2, эта реакция сильно экзотермична (283 кДж/моль). СО применяют в промышленности в смеси с H2 и другими горючими газами в качестве топлива или газообразного восстановителя. При нагревании до 500° C CO в заметной степени образует С и CO2, но при 1000° C равновесие устанавливается при малых концентрациях СO2. CO реагирует с хлором, образуя фосген - COCl2, аналогично протекают реакции с другими галогенами, в реакции с серой получается сульфид карбонила COS, с металлами (M) СO образует карбонилы различного состава M(CO)x, являющиеся комплексными соединениями. Карбонил железа образуется при взаимодействии гемоглобина крови с CO, препятствуя реакции гемоглобина с кислородом, так как карбонил железа - более прочное соединение. В результате блокируется функция гемоглобина как переносчика кислорода к клеткам, которые при этом погибают (и в первую очередь поражаются клетки мозга). (Отсюда еще одно название СО - "угарный газ"). Уже 1% (об.) СO в воздухе опасен для человека, если он находится в такой атмосфере более 10 мин. Некоторые физические свойства СО приведены в таблице. Диоксид углерода, или оксид углерода(IV) CO2 образуется при сгорании элементного углерода в избытке кислорода c выделением тепла (395 кДж/моль). CO2 (тривиальное название - "углекислый газ") образуется также при полном окислении СО, нефтепродуктов, бензина, масел и др. органических соединений. При растворении карбонатов в воде в результате гидролиза также выделяется СО2:

Такой реакцией часто пользуются в лабораторной практике для получения CO2. Этот газ можно получить и при прокаливании бикарбонатов металлов:

При газофазном взаимодействии перегретого пара с СО:

При сжигании углеводородов и их кислородпроизводных, например:

Аналогично окисляются пищевые продукты в живом организме с выделением тепловой и других видов энергии. При этом окисление протекает в мягких условиях через промежуточные стадии, но конечные продукты те же - СO2 и H2O, как, например, при разложении сахаров под действием ферментов, в частности при ферментации глюкозы:

Многотоннажное производство углекислого газа и оксидов металлов осуществляется в промышленности термическим разложением карбонатов:

CaO в больших количествах используется в технологии производства цемента. Термическая стабильность карбонатов и затраты теплоты на их разложение по этой схеме возрастают в ряду CaCO3 (см. также ПОЖАРНАЯ ПРОФИЛАКТИКА И ПРОТИВОПОЖАРНАЯ ЗАЩИТА). Электронное строение оксидов углерода. Электронное строение любого оксида углерода можно описать тремя равновероятными схемами с различным расположением электронных пар - тремя резонансными формами:

Все оксиды углерода имеют линейное строение.
Угольная кислота. При взаимодействии СO2 с водой образуется угольная кислота H2CO3. В насыщенном растворе CO2 (0,034 моль/л) только часть молекул образует H2CO3, а большая часть CO2 находится в гидратированном состоянии CO2*H2O.
Карбонаты. Карбонаты образуются при взаимодействии оксидов металлов с CO2, например, Na2O + CO2 -> NaHCO3 которые при нагревании разлагаются с выделением СО2: 2NaHCO3 -> Na2CO3 + H2O + CO2 Карбонат натрия, или соду, производят в содовой промышленности в больших количествах преимущественно методом Сольве:

Другим методом соду получают из CO2 и NaOH

Карбонат-ион CO32- имеет плоское строение с углом O-C-O, равным 120°, и длиной СО-связи 1,31
(см. также ЩЕЛОЧЕЙ ПРОИЗВОДСТВО).
Галогениды углерода. Углерод непосредственно реагирует с галогенами при нагревании, образуя тетрагалогениды, но скорость реакции и выход продукта невелики. Поэтому галогениды углерода получают другими методами, например, хлорированием дисульфида углерода получают CCl4: CS2 + 2Cl2 -> CCl4 + 2S Тетрахлорид CCl4 - негорючее вещество, используется в качестве растворителя в процессах сухой чистки, но не рекомендуется применять его как пламегаситель, так как при высокой температуре происходит образование ядовитого фосгена (газообразное отравляющее вещество). Сам ССl4 также ядовит и при вдыхании в заметных количествах может вызвать отравление печени. СCl4 образуется и по фотохимической реакции между метаном СH4 и Сl2; при этом возможно образование продуктов неполного хлорирования метана - CHCl3, CH2Cl2 и CH3Cl. Аналогично протекают реакции и с другими галогенами.
Реакции графита. Графит как модификация углерода, отличающаяся большими расстояниями между слоями гексагональных колец, вступает в необычные реакции, например, щелочные металлы, галогены и некоторые соли (FeCl3) проникают между слоями, образуя соединения типа KC8, KC16 (называемые соединениями внедрения, включения или клатратами). Сильные окислители типа KClO3 в кислой среде (серной или азотной кислоты) образуют вещества с большим объемом кристаллической решетки (до 6 между слоями), что объясняется внедрением кислородных атомов и образованием соединений, на поверхности которых в результате окисления образуются карбоксильные группы (-СООН) - соединения типа оксидированного графита или меллитовой (бензолгексакарбоновой) кислоты С6(COOH)6. В этих соединениях отношение С:O может изменяться от 6:1 до 6:2,5.
Карбиды. Углерод образует с металлами, бором и кремнием разнообразные соединения, называемые карбидами. Наиболее активные металлы (IA-IIIA подгрупп) образуют солеподобные карбиды, например Na2C2, CaC2, Mg4C3, Al4C3. В промышленности карбид кальция получают из кокса и известняка по следующим реакциям:

Карбиды неэлектропроводны, почти бесцветны, гидролизуются с образованием углеводородов, например CaC2 + 2H2O = C2H2 + Ca(OH)2 Образующийся по реакции ацетилен C2H2 служит исходным сырьем в производстве многих органических веществ. Этот процесс интересен, так как он представляет переход от сырья неорганической природы к синтезу органических соединений. Карбиды, образующие при гидролизе ацетилен, называются ацетиленидами. В карбидах кремния и бора (SiC и B4C) связь между атомами ковалентная. Переходные металлы (элементы B-подгрупп) при нагревании с углеродом тоже образуют карбиды переменного состава в трещинах на поверхности металла; связь в них близка к металлической. Некоторые карбиды такого типа, например WC, W2C, TiC и SiC, отличаются высокой твердостью и тугоплавкостью, обладают хорошей электропроводностью. Например, NbC, TaC и HfC - наиболее тугоплавкие вещества (т.пл. = 4000-4200° С), карбид диниобия Nb2C - сверхпроводник при 9,18 К, TiC и W2C по твердости близки алмазу, а твердость B4C (структурного аналога алмаза) составляет 9,5 по шкале Мооса (см. рис. 2). Инертные карбиды образуются, если радиус переходного металла Азотпроизводные углерода. К этой группе относится мочевина NH2CONH2 - азотное удобрение, применяемое в виде раствора. Мочевину получают из NH3 и CO2 при нагревании под давлением:

Дициан (CN)2 по многим свойствам подобен галогенам и его часто называют псевдогалоген. Дициан получают мягким окислением цианид-иона кислородом, пероксидом водорода или ионом Cu2+: 2CN- -> (CN)2 + 2e. Цианид-ион, являясь донором электронов, легко образует комплексные соединения с ионами переходных металлов. Подобно СО, цианид-ион является ядом, связывая жизненно важные соединения железа в живом организме. Цианидные комплексные ионы имеют общую формулу []-0,5x, где х - координационное число металла (комплексообразователя), эмпирически равно удвоенному значению степени окисления иона металла. Примерами таких комплексных ионов являются (строение некоторых ионов приведено ниже) тетрацианоникелат(II)-ион []2-, гексацианоферрат(III) []3-, дицианоаргентат []-:

Карбонилы. Монооксид углерода способен непосредственно реагировать со многими металлами или ионами металлов, образуя комплексные соединения, называемые карбонилами, например Ni(CO)4, Fe(CO)5, Fe2(CO)9, []3, Mo(CO)6, []2. Связь в этих соединениях аналогична связи в описанных выше цианокомплексах. Ni(CO)4 - летучее вещество, используется для отделения никеля от других металлов. Ухудшение структуры чугуна и стали в конструкциях часто связано с образованием карбонилов. Водород может входить в состав карбонилов, образуя карбонилгидриды, такие, как H2Fe(CO)4 и HCo(CO)4, проявляющие кислотные свойства и реагирующие со щелочью: H2Fe(CO)4 + NaOH -> NaHFe(CO)4 + H2O Известны также карбонилгалогениды, например Fe(CO)X2, Fe(CO)2X2, Co(CO)I2, Pt(CO)Cl2, где Х - любой галоген
(см. также МЕТАЛЛООРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ).
Углеводороды. Известно огромное количество соединений углерода с водородом
(см. ХИМИЯ ОРГАНИЧЕСКАЯ).
ЛИТЕРАТУРА
Сюняев З.И. Нефтяной углерод. М., 1980 Химия гиперкоординированного углерода. М., 1990

Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .

Смотреть что такое "УГЛЕРОД" в других словарях:

Таблица нуклидов Общие сведения Название, символ Углерод 14, 14C Альтернативные названия радиоуглерод, радиокарбон Нейтронов 8 Протонов 6 Свойства нуклида Атомная масса … Википедия

Таблица нуклидов Общие сведения Название, символ Углерод 12, 12C Нейтронов 6 Протонов 6 Свойства нуклида Атомная масса 12,0000000(0) … Википедия

Таблица нуклидов Общие сведения Название, символ Углерод 13, 13C Нейтронов 7 Протонов 6 Свойства нуклида Атомная масса 13,0033548378(10) … Википедия

- (лат. Carboneum) С, химический. элемент IV группы периодической системы Менделеева, атомный номер 6, атомная масса 12,011. Основные кристаллические модификации алмаз и графит. При обычных условиях углерод химически инертен; при высоких… … Большой Энциклопедический словарь