Элементы IVА группы. Углерод

На этой странице вы узнаете 

• Где идут алмазные дожди?
• Какой силой обладает углерод?
• Можно ли назвать углерод самым главным химическим элементом?

Углерод является «фундаментом» органической химии. Он очень «дружелюбен» в образовании ковалентных связей с другими элементами. Углерод вносит весомый вклад в круговорот веществ в природе. Также он является рекордсменом по перевоплощению, ведь у него существует целых 9 аллотропных модификаций. Теперь, когда мы узнали углерод чуть поближе, перейдем к его характеристике.  

Общая характеристика углерода

В главной подгруппе IV группы, кроме остальных, находятся самые важные элементы, без которых невозможна жизнь на Земле — это углерод и кремний. О кремнии мы поговорим в статье «Элементы IVА группы. Кремний». Так как они находятся в одной группе и подгруппе, они имеют много сходств, в том числе в строении электронных оболочек.

Конфигурация внешнего слоя атома углерода в основном состоянии следующая: 

В возбужденном состоянии происходит распаривание электронов на s-орбитали и перенос одного электрона на p-орбиталь, в результате чего атом приобретает конфигурацию ns¹np³. Как следствие, в возбужденном состоянии число неспаренных электронов углерода возрастает до четырех, и углерод приобретает валентность IV.

Углерод (простое вещество) может существовать в виде различных аллотропных модификаций, то есть один и тот же химический элемент образует несколько простых  веществ. Как мы обсуждали в начале статьи углерод имеет целых 9 модификаций. Но наиболее распространенными являются алмаз, графит, фуллерен.

Алмаз имеет атомную кристаллическую решетку, в которой каждый атом углерода соединен с четырьмя другими атомами углерода. Алмаз — не только самый твердый из всех известных веществ, но еще и очень красивый в обработанном виде. Обработанный алмаз называется бриллиантом и широко используется для изготовления ювелирных украшений. 

Где идут алмазные дожди? На Уране, Сатурне, Юпитере и Нептуне действительно существует такое явление, как дождь из алмазов. Содержащийся в атмосфере этих планет метан под огромным давлением и при экстремальных температурах распадается на водород и углерод, который превращается в кристаллы алмаза и на большой скорости «падает» на поверхность планеты в виде дождя. Скорость этих «осадков» настолько велика, что они с легкостью проникают до самого ядра планеты.

С графитом мы встречаемся в жизни, когда пишем простыми карандашами, именно он входит в состав стержней. У него в узлах кристаллической решетки также расположены атомы, но ее строение немного отличается от алмаза. Имея слоистую структуру, графит легко расслаивается на чешуйки. Поэтому он способен оставлять след на бумаге. Атомы углерода в графите находятся в состоянии sp²-гибридизации.

Фуллерены — достаточно молодые соединения, эта модификация углерода была открыта в 1985 году. Они имеют состав C_n, где n=60,70,76,84 и т.д. Фуллерены имеют форму футбольного мяча, их молекулы состоят из пятиугольников и шестиугольников. Свое название они получили в честь инженера и архитектора Ричарда Фуллера, предложившего конструкцию купола, построенную по такому принципу.

Фуллерены являются перспективным материалом и находят свое применение в металлургии, производстве полимеров, косметологии и медицине, производстве солнечных батарей и фотоэлементов.

Какой силой обладает углерод? Современная химическая наука активно нацелена на производство и изучение наноматериалов. Одним из таких наноматериалов является совсем недавно открытая аллотропная модификация углерода — углеродные нанотрубки. Они представляют собой скрученные в полые цилиндры графеновые плоскости. Нанотрубки могут выдерживать огромный вес — до тонны на один квадратный миллиметр. Это свойство предполагается использовать в будущем для изготовления тросов космического лифта. Нанотрубки уже применяются для создания связей между нейронами и электронными устройствами в нейрокомпьютерах, создания искусственных мышц, в микроэлектронике для нанопроводов и наноантенн.

Химические свойства углерода

В нормальных условиях углерод, как правило, существует в виде кристаллов графита и алмаза, из-за чего его химическая активность не столь высока.

1. Реакции с простыми веществами

Углерод может проявлять свойства как окислителя, так и восстановителя, поэтому реагирует с металлами и с неметаллами.

Из галогенов он реагирует только со фтором с образованием фторида углерода:

C + 2F₂ = CF₄

При сильном нагревании он реагирует с серой и кремнием с образованием сероуглерода и карбида кремния:

C + 2S = CS₂
C + Si = SiC

Взаимодействием углерода с водородом можно получить метан:

C + 2H₂ = CH₄

С активными металлами углерод образует карбиды:

2C + Ca = CaC₂

Горение углерода приводит к образованию углекислого газа:

C + O₂ = CO₂

А в недостатке кислорода — угарного:

2C + O₂ = 2CO

2. Реакции со сложными веществами

Раскаленный уголь с водой образует угарный газ и водород:

C + H₂O = CO + H₂

Углерод может легко восстанавливать металлы из их оксидов. Это свойство активно используется в металлургии, получение металлов из их оксидов с помощью углерода называется пирометаллургией. Например, получение цинка из его оксида:

C + ZnO = Zn + CO

При взаимодействии с оксидами активных металлов образуются карбиды:

9C + 2Al₂O₃ = Al₄C₃ + 6CO

Чем отличается предыдущее свойство от этого, спросите вы? А мы вам ответим: так как при восстановлении углеродом образуется активный металл (Al), он, в отличие от неактивного (Zn) способен полностью прореагировать с углеродом  до образования карбида.

Углерод окисляется в растворе концентрированной серной и азотной кислот:

C + 2H₂SO₄ (конц.) = 2SO₂ + CO₂ + 2H₂O
C + 4HNO₃ (конц.) = 4NO₂ + CO₂ + 2H₂O

Оксид углерода(II) — угарный газ CO

Оксид углерода CO — газ без цвета и запаха. Он очень ядовит, небольшие концентрации вызывают головокружение и сонливость, а большие — удушье.

Как и углерод, оксид углерода(II) проявляет выраженные восстановительные свойства, повышая в реакциях степень окисления до +4. Раз он восстановитель, следовательно, в реакции он будет вступать со своими противоположностями — окислителями. При этом монооксид углерода — несолеобразующий оксид.

1. Горение. Угарный газ горит в атмосфере кислорода:

2CO + O₂ = 2CO₂

2. Взаимодействие с хлором. Угарный газ с хлором образует ядовитый газ фосген:

CO + Cl₂ = COCl₂

3. Синтез-газ.

Смесь угарного газа с водородом называется синтез-газом. В разных условиях они могут прореагировать с образованием разных веществ. Например, под давлением 20 атмосфер и при температуре 350℃ получается метанол:

CO + 2H₂ = CH₃OH

Также возможно образование метана и других углеводородов.

Синтез-газ является одним из главных источников сырья для промышленного органического синтеза метилового спирта. Его получают паровой конверсией метана, а еще при переработке природного газа, нефти, а в некоторых случаях и каменного угля. Синтез-газ можно использовать как экологически чистое топливо.

4. Взаимодействие со щелочами. При сплавлении со щелочами образуются формиаты — соли муравьиной кислоты:

NaOH + CO = HCOONa

5. Восстановление металлов из их оксидов. Аналогично углероду, угарный газ восстанавливает металлы из их оксидов:

3CO + Fe₂O₃ = 2Fe + 3CO₂

Разберем подробнее химические свойства углерода, решив пример задания №6ЕГЭ.

Задание. В пробирку с твердым веществом X добавили концентрированный раствор вещества Y. В результате протекания реакции наблюдали выделение бурого газа. Из предложенного перечня выберите вещества X и Y, которые могут вступать в описанную реакцию.

1) H₂
2) C
3) HNO₃
4) SiO₂
5) H₂SO₄

Решение.

1. В задании сказано, что вещество X твердое. Отсюда мы понимаем, что у нас остается два варианта: оксид кремния (SiO₂) и углерод(C).

2. Для вещества Y мы понимаем, что реакция с раствором подразумевает жидкое состояние этого вещества (значит вариант 1 не подходит, так как H₂ при нормальных условиях является газом), а последующее образование бурого газа (NO₂) наталкивает на мысль, что реакция происходила с концентрированной азотной кислотой. Серная кислота не подходит, так как ОВР с ее участием сопровождается выделением бесцветного газа (SO₂). Отсюда получаем, что вещество Y — HNO₃.

3. Остается понять, с кем прореагировала кислота. Исходя из наших знаний о химических свойствах углерода, мы понимаем, что вещество X — C. Химическая реакция выглядит следующим образом: 4HNO₃ (конц.) + С = 4NO₂ + CO₂ + 2H₂O. Значит под веществом X возьмем 2, а под Y — 3.

Ответ: 23

Оксид углерода(IV) — углекислый газ CO₂ 

Оксид углерода(IV) (CO₂) — газ без цвета, запаха и вкуса, не поддерживает горение, в отличие от чистого кислорода. Повсеместно встречается в природе: принимает участие в фотосинтезе, образуется при дыхании, сгорании органических соединений и т.д.

При взаимодействии с углеродом (коксом), магнием и другими сильными восстановителями проявляет окислительные свойства.

Является типичным кислотным оксидом, благодаря чему может:

1. Реагировать с водой с образованием угольной кислоты:

CO₂ + Н₂О = Н₂CO₃

2. Реагировать с основными оксидами с образованием солей:

BaO + CO₂ = BaCO₃

3. Реагировать с растворами щелочей с образованием солей и воды. 

В таких реакциях очень важно, какое вещество было взято в избытке, а какое в недостатке:

• если щелочь взята в избытке, то реакция идет с образованием средней соли — карбоната: 

2NaOH _(изб.) + CO₂ = Na₂CO₃ + Н₂О

• если в избытке находится углекислый газ, то образуется кислая соль — гидрокарбонат: 

NaOH  + CO_{2 (изб.)} = NаНCO₃

Уникальной для CO₂  является реакция фотосинтеза — образование из углекислого газа углеводов под действием солнечного света, которая протекает в клетках растений и является основным источником энергии для них.

Угольная кислота (углекислота) Н₂CO₃

Угольная кислота (Н₂CO₃) — это водный раствор углекислого газа (CO₂), данная кислота является очень неустойчивой и распадается на воду и соответствующий оксид, поэтому в реакциях мы всегда записываем ее как СО₂ + Н₂О. Является слабой кислотой, из-за чего считается слабым электролитом.

За счет кислотных свойств может вступать:

1. в реакции ионного обмена;

2. в реакции соединения со средними солями (карбонатами) с образованием кислых солей (гидрокарбонатов).

Соли угольной кислоты — карбонаты и гидрокарбонаты

Карбонаты — средние соли угольной кислоты с общей формулой MeCO₃, то есть они состоят из катиона металла и карбонат-аниона СО₃^2-.

Гидрокарбонаты — кислые соли угольной кислоты с общей формулой MeНCO₃, то есть они состоят из катиона металла и гидрокарбонат-аниона НСО₃^—.

Теперь, когда мы знаем и можем различать карбонаты и гидрокарбонаты, давайте изучим их химические свойства.

1. Соли — хорошие электролиты, поэтому они вступают в реакции ионного обмена с другими электролитами: солями, основаниями и кислотами.

2. Более «сильные» оксиды (SiO₂, P₂O₅ и амфотерные) способны при сплавлении вытеснять слабый CO₂ из его солей. 

3. Растворимые карбонаты и гидрокарбонаты подвергаются гидролизу по аниону, из-за чего среда их растворов слабощелочная:

К₂СО₃ + H₂O ⇄ КНСО₃ + КОН
КНСО₃ + H₂O ⇄ Н₂СО₃ (H₂O + CO₂) + КОН

4. Нерастворимые карбонаты и все гидрокарбонаты термически разлагаются. 

Разложение средних солей протекает с образованием оксида металла и углекислого газа (CO₂), кислые соли разлагаются до средних солей, воды и СО₂.

MgCO₃ (t) = MgO + CO₂ ↑
Ca(HCO₃)₂ (t) = CaCO₃ + CO₂↑ + H₂O  

(CuOH)₂CO₃ (t) = 2CuO + CO₂↑ + H₂O  (разложение малахита)

5. Карбонаты алюминия, хрома(III) и железа(III) подвергаются необратимому гидролизу:

Fe₂(CO₃)₃ + 3H₂O = 2Fe(OH)₃↓ + 3CO₂↑

6. Карбонаты активных металлов вступают с хлором в особую окислительно-восстановительную реакцию:

3К₂СО₃ + 3Cl₂ = 5KCl + KClO₃ + 3CO₂↑

Карбиды

Соединения углерода с другими элементами называются карбидами. Карбиды бывают следующих видов.

• Ковалентные. Это карбиды, в которых атом углерода связан ковалентными связями с неметаллами. Например, SiC (карбид кремния) — редкий минерал, по свойствам похожий на алмаз. Такие карбиды образуют очень прочные атомные кристаллы, поэтому химически малоактивны.

• Ионные. Это соединения углерода с металлами. Они легко разлагаются водой и кислотами с образованием разных веществ в зависимости от конкретного карбида. 

Например, гидролиз карбида алюминия приводит к образованию метана:

Al₄C₃ + 12H₂O = 4Al(OH)₃ + 3CH₄

Карбида кальция — к образованию ацетилена:

СаС₂ + 2Н₂O = Са(OH)₂ + HCCH

И наконец, карбид магния разлагается соляной кислотой с образованием пропина:

Mg₂C₃ + 4HCl = 2MgCl₂ + HCC–CH₃

Теперь, когда мы изучили химические свойства кремния и его соединений, закрепим наши знания на примере задания №8 ЕГЭ.

Задание. Установите соответствие между формулой вещества и реагентами, с каждым из которых оно может взаимодействовать. К каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.

А) CO₂
Б) С
В) СО
Г) H₂O

1) NaOH, Cl₂, H₂
2) H₂SO₄ (конц.), Ca, Al₂O₃
3) C, Al₄C₃ , CO₂ (h)
4) NaOH (изб.), Ca(OH)₂, Mg
5) Li, KOH, Si

Решение.

1. Начнем с CO₂. Он реагирует со щелочами, Mg и C, значит нам подходит 4 вариант (А — 4).

Реакции:
2NaOH (изб.) + CO₂ = Na₂CO₃ + H₂OCa(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃ + H₂OCO₂ + 2Mg = 2MgO + C

2. Переходим к углероду. Как мы уже знаем, этот «товарищ» может реагировать с концентрированными азотной и серной кислотами, активными металлами и их оксидами. Под это описание подходит вариант 2 (Б — 2).

Реакции:
C + 2H₂SO₄ (конц.) = 2SO₂ + CO₂ + 2H₂O9C + 2Al₂O₃ = Al₄C₃ + 6CO
2C + Ca = CaC₂      

3. Угарный газ является несолеобразующим оксидом, значит для него не характерны реакции со щелочами и другими оксидами. Методом исключения остается вариант под номером 1 (В — 1).

Реакции:
NaOH + CO = HCOONaCO + Cl₂ = COCl₂
CO + 2H₂ = CH₃OH4.

4. Вода не реагирует с основаниями, кислотами, а значит мы выбираем 3 вариант, как единственно верный (Г — 3).

Реакции: C + H₂O = CO + H₂6CO₂ + 6H₂O = С₆H₁₂O₆ + 6O₂Al₄C₃ + 12H₂O = 4Al(OH)₃ + 3CH₄

Ответ: 4213

Круговорот углерода в природе

Углерод непрерывно циркулирует в биосфере Земли под влиянием химических и прочих процессов: в фотосинтезе, дыхании растений, человеческой деятельности. Кратко это отражено на схеме.

Основной запас углерода на Земле — углекислый газ CO₂. Он находится в атмосфере и растворен в Мировом океане. 

Из атмосферы углекислый газ поглощается растениями. В процессе фотосинтеза они перерабатывают его в органические вещества. Растения могут быть съедены травоядными животными, которые возвращают углерод в атмосферу в виде углекислого газа в процессе дыхания, а также после своей смерти, разлагаясь с образованием CO₂. Растения могут погибнуть сами и начать разлагаться или стать пищей для редуцентов — организмов, питающихся мертвым органическим веществом. После полного разложения углерод опять же возвращается в атмосферу в виде CO₂.

Между Мировым океаном и атмосферой происходит постоянный газообмен CO₂. Углерод, входящий в ткани морских животных и растений, постепенно накапливается в виде известковых отложений и переходит в осадочные породы, где становится ископаемым топливом — торфом, углем, нефтью и газом.

В современном мире углерод включен в круговорот еще и как продукт человеческой деятельности: продукты и отходы нефтепереработки и другой промышленности.

Можно ли назвать углерод самым главным химическим элементом? Вся жизнь на Земле связана с углеродом. Углерод входит в состав и является основой любого органического вещества. А значит, он входит в молекулы каждого живого существа в виде аминокислот, ДНК, АТФ, белков, жиров и углеводов, участвует в процессах дыхания, синтеза веществ, метаболизма, энергетическом обмене.

Сегодня нам удалось достаточно глубоко изучить углерод и его соединения. На этом наше увлекательное путешествие по миру неорганической химии, конечно, не заканчивается. Ну а в следующей статье вы подробнее узнаете о фосфоре и его «трех братьях» «Элементы VА группы. Фосфор».

Термины

Восстановление — процесс приобретения частицей электронов. 

Ковалентная связь — это тип химической связи, в которой электроны двух атомов неметаллов образуют общие электронные пары, тем самым соединяясь в молекулы (примеры: H₂, Cl₂, CH₄ и т.д.). Данный тип связи характерен только для неметаллов.

Кристаллическая решетка — это упорядоченное пространственное расположение атомов, ионов или молекул в кристалле.

Окислитель — вещество, атомы которого присоединяют к себе электроны.

Слабый электролит — вещество, которое лишь частично диссоциирует на ионы.

Фактчек

• Углерод — «элемент жизни», который входит в состав всех органических соединений и некоторых неорганических соединений.
• Возможные степени окисления углерода в неорганике: -4, 0, +2, +4.
• Синтез-газ — смесь угарного газа с водородом, активно используется в органическом синтезе.
• У углерода есть несколько аллотропных модификаций: графит, алмаз, фуллерены.
• Получение металлов из их оксидов с помощью углерода называется пирометаллургией.
• Способность углерода образовывать «крепкие» связи с другими элементами позволяет ему создавать разнообразные органические соединения, включая углеводороды, аминокислоты и нуклеотиды, которые являются основой жизни.

Проверь себя 

Задание 1.
Какова максимальная валентность углерода? 

1. I
2. II
3. III
4. IV

Задание 2.
Какими свойствами обладает оксид углерода(IV)? 

1. Кислотными свойствами
2. Основными свойствами
3. Амфотерными свойствами
4. Нейтральными свойствами

Задание 3.
Что можно получить дегидратацией муравьиной кислоты?

1. Углерод
2. Угарный газ
3. Углекислый газ
4. Угольную кислоту 

Задание 4.
Какие соли образуются при сплавлении угарного газа со щелочами?  

1. Соли угольной кислоты
2. Комплексные соли
3. Соли муравьиной кислоты
4. Гидрокарбонаты

Ответы: 1. — 4; 2. — 1; 3. — 2; 4. — 3.