Южно-Уральский государственный университет
Кафедра ЕН
Характеристика химического элемента
№ 6 Углерод
Выполнил:
студент группы ММВ-335
Коробатов М. В.
Проверил преподаватель:
Мельниченко В. Г.
г. Миасс 2006 г.
История открытия.
Углерод известен с глубокой древности. Древесный уголь служил для восстановления металлов из руд, алмаз - как драгоценный камень. Значительно позднее стали применять графит для изготовления тиглей и карандашей.
В 1778 К. Шееле, нагревая графит с селитрой, обнаружил, что при этом, как и при нагревании угля с селитрой, выделяется углекислый газ. Химический состав алмаза был установлен в результате опытов А. Лавуазье (1772) по изучению горения алмаза на воздухе и исследований С. Теннанта (1797), доказавшего, что одинаковые количества алмаза и угля дают при окислении равные количества углекислого газа. Углерод был признан химическим элементом в 1789 Лавуазье. Латинское название carboneum Углерод получил от carbo - уголь. [1].
2. Распространение углерода в природе, включая живые организмы.
По содержанию в земной коре углерод занимает 17-е место среди элементов: на его долю приходится около 0,14 ат. % от общего числа атомов земной коры. Вместе с тем значение углерода чрезвычайно велико, т.к. его соединения являются основой всех живых организмов. В среднем живые организмы, составляющие биосферу, на 18 вес. % состоят из углерода (в теле человека 19,37% углерода).
Большая часть углерода сосредоточена в природных карбонатах (СаСО3 — известняк, мрамор, мел, СаСО3 • МgСО3 — доломит, МgС03 — магнезит) и в горючих ископаемых (нефть, каменный и бурый уголь, торф, горючие сланцы, природные горючие газы). В состав атмосферы углерод входит в виде углекислого газа СО2 (0,03 об. %), в растворенном состоянии СO2 находится в природных водах (в гидросфере его в 60 раз больше, чем в атмосфере).
Свободный углерод встречается в виде алмаза, графита и так называемого аморфного углерода (мелкодисперсный графит, основные разновидности — уголь и сажа). Некоторые каменные угли на 98% состоят из углерода. [2].
Анализ противоречий.
В источнике [2] написано что, некоторые каменные угли на 98% состоят из углерода, а в источник [5] написано что, некоторые из ископаемых углей содержат 99% углерода.
Я считаю верным литературный источник [2] так как он более новый (2003 г.).
3. Физические свойства.
Углерод является первым элементом в четвертой группе периодической системы. Его атомный вес 12,01115. [5].
Аллотропные модификации углерода — алмаз и графит — резко отличаются по физическим свойствам.
Алмаз — прозрачные кристаллы, очень твердые. Твердость алмаза объясняется строением его кристаллической решетки, четыре валентных электрона каждого атома углерода в алмазе образуют прочные ковалентные связи с другими атомами углерода. Кристаллическая решетка алмаза имеет тетраэдрическое строение. Расстояние между всеми атомами углерода одинаковое. Плотность алмаза равна 3,51 г/см3. Алмаз проводит электрический ток, так как в его кристаллической решетке отсутствуют свободные электроны.
Графит — мягкое темно-серое вещество с металлическим блеском. Плотность его колеблется от 2,17 до 2,3 г/см3. Кристаллическая решетка графита имеет сложное слоистое строение. Расстояние между слоями в кристалле графита больше расстояния между соседними атомами углерода в одной плоскости в 2,5 раза, поэтому связь между атомами углерода в одном слое гораздо прочнее, чем связь между атомами углерода, находящимися в различных слоях. Каждый атом углерода в кристаллической решетке
графита образует три прочные ковалентные связи с атомами углерода, расположенными в том же слое. В образовании этих связей участвуют три электрона атома углерода, а четвертый валентный электрон является относительно свободным. Наличие свободных электронов обусловливает электропроводность графита. [3].
Уголь (особенно древесный) обладает большой адсорбционной способностью. Адсорбционная способность угля обусловливается его пористостью. Чем больше пор, тем больше поверхность угля и тем больше адсорбционная способность. Обычно поры древесного угля частично заполнены различными веществами, что снижает его адсорбционную способность. Для усиления адсорбции уголь подвергают специальной обработке — нагревают в струе водяного пара, чтобы освободить его поры от загрязняющих веществ. Обработанный таким образом уголь называется активным. [4].
4. Химические свойства.
Из аллотропических видоизменений углерода легче других вступает в реакцию аморфный уголь.
С кислородом углерод образует два главных окисла — двуокись углерода, или угольный ангидрид, часто называемый также углекислым газом СО2, и окись углерода СО. Кроме них, известны еще окислы состава С3О2 и С12О9.
При очень высоких температурах углерод соединяется с водородом, серой, кремнием, бором и многими металлами. [5].
При обычной температуре уголь весьма инертен. Его химическая активность проявляется лишь при высоких температурах. В качестве окислителя уголь реагирует с некоторыми металлами и неметаллами. Соединения углерода с металлами называются карбидами.
Например:
4А1 + ЗС = Al4С3
карбид
алюминия
Большое практическое значение имеет карбид кальция, который получается нагреванием извести СаО и кокса в электропечах:
СаО + ЗС = СаС2 + СО
Карбид кальция
С водородом уголь в присутствии никелевого катализатора и при нагревании образует метан — основную составную часть природных горючих газов:
С + 2H2 = СH4
Однако для угля более характерны реакции, в которых он проявляет восстановительные свойства. Это имеет место при полном сгорании углерода любой аллотропной модификации:
С + О2 = СО2
Уголь восстанавливает железо, медь, цинк., свинец и другие металлы из их оксидов, что широко используется в металлургии при получении этих металлов. Например:
2ZnО + С = 2Zn + СО2
Очень важное химическое свойство углерода — способность его атомов образовывать прочные связи между собой — углеродные цепи. [4].
5. Получение углерода.
Уголь.
При термическом разложении углеродистых соединений образуется черная масса — уголь и выделяются летучие продукты. Уголь представляет собой тонкоизмельченный графит. Наиболее важными сортами угля являются кокс, древесный уголь и сажа.
Кокс.
Кокс получается при нагревании каменного угля без доступа воздуха.
Древесный угль получается при обугливаний древесины (нагревание без доступа или при незначительном доступе воздуха).
Сажа.
Сажа получается из углеводородов (природного газа, ацетилена, скипидара и др.) сжиганием их при ограниченном доступе воздуха (или термическим разложением в отсутствие воздуха). [4].
Двуокись углерода.
В лабораториях двуокись углерода обычно получают, действуя на мрамор СаСОз соляной кислотой:
СаСО3 + 2НС1 = СаС12 + Н2О + СО2
В промышленности большие количества двуокиси углерода получают как побочный продукт при выжигании извести:
СаСО3 = СаО + СО2 [5].
6. Применение углерода и его соединений.
Технические алмазы применяют для шлифования особо твердых материалов и резки горных пород. Крупные алмазы подвергают огранке (получают бриллианты) и используют в ювелирных украшениях.
Из графита делают электроды (в промышленном электролизе), замедлители нейтронов в ядерных реакторах и грифели карандашей. Графит используют в качестве смазочного материала.
Кокс применяют в металлургии в качестве восстановителя.
Сажу используют в качестве наполнителя при производстве резины и при изготовлении черных красок.
Высокую адсорбционную способность активированного угля (мелко измельченный тонкопористый древесный уголь) используют для очистки веществ от примесей; в медицине — для удаления из пищеварительного тракта растворенных вредных веществ и газов; в противогазах — для удаления вредных примесей из вдыхаемого воздуха.
Углекислый газ применяют в производстве соды, сахара, газированных напитков. Твердый спрессованный углекислый газ (сухой лед) используют при проведении взрывных работ на угольных разработках (для увеличения полезной площади взрыва за счет мгновенного испарения «сухого льда»), для устранения облачности (в качестве центров кристаллизации для переохлажденной воды, из капелек которой состоят облака), а также для хранения скоропортящихся продуктов.
Карбонат калия (поташ.) применяют в производстве жидкого мыла, оптического тугоплавкого стекла.
Карбонат кальция (известняк, мрамор, мел) широко используют в строительстве. [2].
Аморфный углерод и виде древесного угля и кокса, каменный уголь, а также многие соединения углерода играют важнейшую роль в современной жизни как источники получения различных видов энергии. При сгорании угля и углеродсодержащих соединений выделяется тепло, которое используется для отопления. Большая же часть получаемого тепла превращается, другие виды энергии и затрачивается, на совершение механической работы. [5].
7. Список использованной литературы.
1. Н. С. Ахметов. Общая и неорганическая химия. г. Москва издательство Высшая школа
1988 г.
2. О. О. Максименко. Химия. Пособие для поступающих в вузы. г. Москва издательство
Эксмо 2003 г.
3. А. С. Егоров, К. П. Шацкая, Н. М. Иванченко, В. Д. Дионисьев, В. К. Ермакова,
Л. В. Котельницкая, И. Е. Слабченко, Р. В. Шевченко, К. Д. Шлюкер. Химия. Пособие-
репетитор для поступающих в вузы. г. Ростов-на-Дону издательство Феникс 2003 г.
4. Г. П. Хомченко. Пособие по химии для поступающих в вузы. г. Москва издательство
Новая Волна 2002 г.
5. Н. Л. Глинка. Общая химия. г. Ленинград издательство Химия 1972 г.