Углерод и его соединения

  1. Краткая характеристика.
  2. Особенности строения атомов углерода.
  3. Физические свойства.
  4. Химические свойства углерода и его соединений.
  5. 4.1.Оксид углерода.

    4.2.Угольная кислота.

  6. Применение углерода и его соединений.
  1. 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.

4.1.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: