Пособие-репетитор по химии занятие 33

 

10-й класс (первый год обучения)

Углерод и его соединения

П л а н

1. Положение в таблице Д.И.Менделеева, строение атома.

2. Краткая история открытия и происхождение названия.

3. Физические свойства. Аллотропные модификации углерода.

4. Химические свойства.

5. Нахождение в природе.

6. Основные методы получения.

7. Важнейшие соединения углерода (угарный газ, углекислый газ, угольная кислота и ее соли).

Углерод находится в главной подгруппе IV группы периодической системы химических элементов. Электронная формула атома углерода имеет вид 1s²2s²p², это р-элемент, проявляющий неметаллические свойства. В невозбужденном состоянии углерод проявляет валентность II, при переходе в возбужденное состояние – IV. Характерные степени окисления в соединениях –4, +2, +4, например: .

С: 1s²2s²2p² (валентность II),

С*: 1s²2s¹2p³ (валентность IV).

Характерной особенностью углерода является его способность к образованию углерод-углеродных цепей, что обуславливает существование органических молекул. Для органических соединений понятие степени окисления является очень условным, например:

Русское название углерода означает “рождающий уголь”. Латинское название carboneum также означает “уголь”.

Ф и з и ч е с к и е  с в о й с т в а

Химический элемент углерод в виде простого вещества образует несколько аллотропных модификаций.

Алмаз – аллотропная модификация углерода, существующая в природе и полученная искусственным путем. По внешнему виду это прозрачные кристаллы высокой твердости. После обработки природных алмазов получают драгоценный камень – бриллиант. Кристаллическая решетка алмаза имеет тетраэдрическое строение, расстояние между всеми атомами углерода одинаковое, что обусловлено ихsp³-гибридизацией. В кристаллической решетке алмаза отсутствуют свободные электроны, поэтому алмаз не проводит электрического тока. Химическая активность алмаза ниже активности другой аллотропной модификации углерода – графита.

Графит – мягкое темно-серое вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь. Графит легко измельчается (порошок графита называется сажей). Кристаллическая решетка графита имеет слоистое строение и состоит из слоев правильных шестиугольников, конденсированных по всем сторонам. Атомы углерода в графите находятся в состоянии sp²-гибридизации. В образовании химических связей участвуют три электрона атома углерода, а четвертый электрон остается относительно свободным, что обеспечивает высокую электропроводность графита.

Карбин – аллотропная модификация углерода, очень редко встречающаяся в природе. Это полимер, состоящий из линейных макромолекул, атомы углерода находятся в состоянии sp-гибридизации. Карбин – прозрачное и бесцветное вещество, полупроводник. В химическом отношении менее активен, чем графит. Широкого применения не имеет.

Фуллерен – порошок темного цвета (после очистки перекристаллизацией – желтые кристаллы), полупроводник. В природе эта аллотропная модификация углерода не встречается, получена искусственным путем, в настоящее время изучаются свойства фуллерена. Состоит из молекул состава С₆₀ или С₇₀, атомы углерода находятся в состоянии sp²-гибридизации. Объемная молекула фуллерена имеет полициклическое строение, по внешнему виду напоминает футбольный мяч.

Х и м и ч е с к и е  с в о й с т в а

В химическом отношении углерод при обычных условиях малоактивен, но при нагревании реагирует со многими простыми и сложными веществами. В реакциях углерод может быть как восстановителем, так и окислителем.

Н₂ (+/–)*:

C + 2H₂   CH₄.

О₂ (+):

C + O₂   CO₂,

2C + O₂   2CO.

Металлы (+/–):

4Al + 3C   Al₄C₃,

2C + Ca   CaC₂,

Ag, Au, Pt +  реакция не идет.

Неметаллы (+/–):

С + 2S  CS₂,

C + 2F₂  CF₄.

Н₂О (+):

С + Н₂О (г. )  CO + H₂.

Основные оксиды (+):

2PbO + C  2Pb + CO₂,

CaO + C  Ca + CO,

или

CaO + 3C (кокс)  CaC₂ + CO.

Кислотные оксиды (–).

Основания (–).

Кислоты-неокислители (–).

Кислоты-окислители (+):

С + 2H₂SO₄ (конц.) = CO₂ + 2SO₂ + 2H₂O,

С + 4HNO₃ (конц.) = CO₂ + 4NO₂ + 2H₂O,

3С + 4HNO₃ (разб.) = 3CO₂ + 4NO + 2H₂O.

Соли (+):

В природе углерод встречается как в виде простого вещества (см. аллотропные модификации), так и в виде соединений, важнейшими из которых являются: мел, мрамор, известняк (CaCO₃), доломит (CaCO₃•MgCO₃) и др. В атмосфере углерод содержится в виде угарного и углекислого газов. Соединения углерода – основные компоненты природного топлива. Кроме того, все органические соединения являются соединениями углерода.

В а ж н е й ш и е  с о е д и н е н и я у г л е р о д а

Оксид углерода(II), или угарный газ (СО). Газ без цвета, вкуса и запаха, легче воздуха, плохо растворим в воде, токсичен. Термически устойчив. Атомы в молекуле угарного газа связаны двумя видами ковалентной связи: ковалентной полярной и донорно-акцепторной (кислород является донором, углерод – акцептором):

По химическим свойствам угарный газ является несолеобразующим оксидом, химически достаточно пассивен. При повышенной температуре оксид углерода(II) взаимодействует с кислородом и оксидами металлов, являясь сильным восстановителем, например:

2CO + O₂  2CO₂,

CO + MgO  Mg + CO₂.

При пропускании смеси угарного газа и хлора через слой активированного угля можно получить ядовитый газ фосген (химическое оружие, вызывает паралич дыхательных путей):

CO + Cl₂  COCl₂.

При нагревании монооксида углерода с водородом в присутствии катализатора при повышенном давлении образуется метиловый спирт:

CO + 2H₂   CH₃OH.

При пропускании угарного газа через расплав щелочи при высоком давлении образуется соль муравьиной кислоты, поэтому формально монооксид углерода можно рассматривать как ангидрид муравьиной кислоты:

CO + KOH (расплав)   HCOOK.

Лабораторный метод получения угарного газа – разложение муравьиной кислоты при нагревании в присутствии дегидратирующего агента:

HCOOH   CO + H₂O.

Кроме того, угарный газ можно получить неполным сжиганием кокса или восстановлением углекислого газа раскаленным коксом (t > 1000 °С):

2C + O₂  2CO,

CO₂ + С  2CO.

Оксид углерода(IV), или углекислый газ (СО₂). Газ без цвета, вкуса и запаха, тяжелее воздуха, растворим в воде (88 объемов углекислого газа в 100 объемах воды), не поддерживает горения и дыхания (правда, в атмосфере углекислого газа могут гореть некоторые активные металлы, отнимая кислород, например магний):

CO₂ + 2Mg  2MgO + C.

В молекуле CO₂ атом углерода образует две -связи c атомами кислорода. В образовании -связей принимают участие две гибридные sp-орбитали. Поэтому молекула углекислого газа имеет линейное строение, неполярна:

В химическом отношении диоксид углерода проявляет все свойства кислотного оксида:

CO₂ + H₂O  H₂CO₃,

CO₂ + CaO  CaCO₃,

CO₂ + 2NaOH = Na₂CO₃ + H₂O

или

CO₂ + NaOH = NaHCO₃.

Качественная реакция на углекислый газ – пропускание его через известковую или баритовую воду:

Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃ + H₂O, 

аналогично протекает реакция с Ba(OH)₂.

Углекислый газ можно получить разложением известняка:

CaCO₃  CaO + CO₂,

действием на карбонаты металлов растворами сильных минеральных кислот:

CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂,

при полном сжигании кокса:

C + O₂  CO₂.

Угольная кислота (H₂CO₃) и ее соли. Угольная кислота – слабая двухосновная кислота, в свободном виде не получена, существует только в растворе. Молекула имеет полярное строение, атомы углерода вsp²-гибридизации. Термически неустойчива, проявляет все свойства, характерные для слабых кислот (даже органические кислоты вытесняют угольную из ее солей):

H₂CO₃  H₂O + CO₂,

H₂CO₃ + Zn = ZnCO₃ + H₂,

H₂CO₃ + CaO = CaCO₃ + H₂O.

Угольная кислота, как двухосновная, образует два типа солей: карбонаты и гидрокарбонаты:

Все карбонаты, кроме карбонатов щелочных металлов, разлагаются при нагревании, например:

MgCO₃  MgO + CO₂,

но Na₂CO₃  .

Качественной реакцией на карбонаты и гидрокарбонаты является их взаимодействие с растворами сильных минеральных кислот, например:

Na₂CO₃ + 2HCl = NaCl + H₂O + CO₂,

NaHCO₃ + HCl = NaCl + H₂O + CO₂.