Углерод и его основные неорганические соединения (стр. 2 из 3)
1.3. Химические свойства углерода
При обычных температурах алмаз, графит, уголь химически инертны, но при высоких температурах активность их увеличивается. Как и следует из строения основных форм углерода, уголь вступает в реакции легче, чем графит и тем более алмаз. Графит не только более реакционноспособен, чем алмаз, но и, реагируя с некоторыми веществами, может образовывать такие продукты, каких не образует алмаз.
1. В качестве окислителя углерод реагирует с некоторыми металлами при высоких температурах, образуя карбиды:
ЗС + 4Аl = Аl4С3 (карбид алюминия).
2. С водородом уголь и графит образуют углеводороды. Простейший представитель – метан СН4 – может быть получен в присутствии катализатора Ni при высокой температуре (600-1000°С):
С + 2Н2
СН4.3. При взаимодействии с кислородом углерод проявляет восстановительные свойства. При полном сгорании углерода любой аллотропной модификации образуется оксид углерода (IV):
С + О2 = СО2.
При неполном сгорании образуется оксид углерода (II) СО:
С + О2 = 2СО.
Обе реакции экзотермичны.
4. Особенно ярко восстановительные свойства угля проявляются при взаимодействии с оксидами металлов (цинка, меди, свинца и др.), например:
С + 2CuO = СО2↑ + 2Cu,
С + 2ZnO = СО2↑ + 2Zn.
На этих реакциях основан важнейший процесс металлургии – выплавка металлов из руд.
В иных случаях, например при взаимодействии с оксидом кальция, образуются карбиды:
СаО + ЗС = СаС2 + СО↑.
5. Уголь окисляется горячими концентрированными серной и азотной кислотами:
С + 2Н2SO4 = СO2↑ + 2SO2↑ + 2Н2О,
конц.
ЗС + 4НNО3 = ЗСО2↑ + 4NO↑ + 2Н2О.
конц.
Любые формы углерода устойчивы по отношению к щелочам!
1.4. Применение углерода
Алмазы используются для обработки различных твердых материалов, для резки, шлифования, сверления и гравировки стекла, для бурения горных пород. Алмазы после шлифования и огранки превращаются в бриллианты, используемые в качестве украшений.
Графит – ценнейший материал для современной промышленности. Из графита изготавливают литейные формы, плавильные тигли и другие огнеупорные изделия. Благодаря высокой химической устойчивости графит применяется для изготовления труб и аппаратов, выложенных изнутри графитовыми плитами. Значительные количества графита используют в электротехнической промышленности, например при изготовлении электродов. Графит используется для изготовления карандашей и некоторых красок, в качестве смазочного материала. Очень чистый графит используют в ядерных реакторах для замедления нейтронов.
Линейный полимер углерода – карбин – привлекает внимание учёных как перспективный материал для изготовления полупроводников, которые могут работать при высоких температурах, и сверхпрочных волокон.
Древесный уголь используется в металлургической промышленности, в кузнечном деле.
Кокс применяется в качестве восстановителя при выплавке металлов из руд.
Сажа применяется в качестве наполнителя резин для повышения прочности, поэтому автомобильные шины – чёрного цвета. Используют сажу и как компонент печатных красок, туши, крема для обуви.
Активные угли используются для очистки, извлечения и разделения различных веществ. Активные угли применяются в качестве наполнителей противогазов и как сорбирующее средство в медицине.
Глава II. Неорганические соединения углерода
Углерод образует два оксида – оксид углерода (II) СО и оксид углерода (IV) СO2.
Оксид углерода (II) СО – бесцветный, не имеющий запаха газ, малорастворимый в воде. Его называют угарным газом, так как он очень ядовит. Попадая при дыхании в кровь, быстро соединяется с гемоглобином, образуя прочное соединение карбоксигемоглобин, лишая тем самым возможности гемоглобин переносить кислород.
При вдыхании воздуха, содержащего 0,1% СО, человек может внезапно потерять сознание и умереть. Угарный газ образуется при неполном сгорании топлива, вот почему так опасно преждевременное закрывание дымоходов.
Оксид углерода (II) относят, как вы уже знаете, к несолеобразующим оксидам, так как, будучи оксидом неметалла, он должен реагировать со щелочами и основными оксидами с образованием соли и воды, однако этого не наблюдается.
2СО + О2 = 2СО2.
Оксид углерода (II) способен отнимать кислород у оксидов металлов, т.е. восстанавливать металлы из их оксидов.
Fe2О3 + ЗСО = 2Fe + ЗСО2.
Именно это свойство оксида углерода (II) используют в металлургии при выплавке чугуна.
Оксид углерода (IV) СО2 – широко известный под названием углекислый газ – бесцветный, не имеющий запаха газ. Он примерно в полтора раза тяжелее воздуха. При обычных условиях в 1 объеме воды растворяется 1 объем углекислого газа.
При давлении примерно 60 атм углекислый газ превращается в бесцветную жидкость. При испарении жидкого углекислого газа часть его превращается в твердую снегообразную массу, которую в промышленности прессуют, – это известный вам «сухой лед», который применяют для хранения пищевых продуктов. Вы уже знаете, что твердый углекислый газ имеет молекулярную решетку, способен к возгонке.
Углекислый газ СО2 – это типичный кислотный оксид: взаимодействует со щелочами (например, вызывает помутнение известковой воды), с основными оксидами и водой.
Он не горит и не поддерживает горения и потому применяется для тушения пожаров. Однако магний продолжает гореть в углекислом газе с образованием оксида и выделением углерода в виде сажи.
СО2 + 2Mg = 2MgO + С.
Углекислый газ получают, действуя на соли угольной кислоты – карбонаты растворами соляной, азотной и даже уксусной кислот. В лаборатории углекислый газ получают при действии на мел или мрамор соляной кислоты.
СаСО3 + 2НСl = СаСl2 + Н20 + С02↑.
В промышленности углекислый газ получают обжигом известняка:
СаСО3 = СаО + С02↑.
Углекислый газ, кроме уже названной области применения, используют также для изготовления шипучих напитков и для получения соды.
При растворении оксида углерода (IV) в воде образуется угольная кислота Н2СО3, которая очень нестойкая и легко разлагается на исходные компоненты – углекислый газ и воду.
Как двухосновная кислота, угольная кислота образует два ряда солей: средние — карбонаты, например СаСО3, и кислые — гидрокарбонаты, например Са(НСО3)2. Из карбонатов в воде растворимы только соли калия, натрия и аммония. Кислые соли, как правило, растворимы в воде.
При избытке углекислого газа в присутствии воды карбонаты могут превращаться в гидрокарбонаты. Так, если через известковую воду пропускать углекислый газ, то она сначала помутнеет из-за выпавшего в осадок нерастворимого в воде карбоната кальция, однако при дальнейшем пропускании углекислого газа помутнение исчезает в результате образования растворимого гидрокарбоната кальция:
СаСO3 + Н2O + СO2 = Са(НСO3)2.
Именно наличием этой соли и объясняется временная жесткость воды. Почему временная? Потому, что при нагревании растворимый гидрокарбонат кальция снова превращается в нерастворимый карбонат:
Са(НСO3)2 = СаСO3↓ + Н20 + С02↑.
Эта реакция приводит к образованию накипи на стенках котлов, труб парового отопления и домашних чайников, а в природе в результате этой реакции формируются в пещерах свисающие вниз причудливые сталактиты, навстречу которым снизу вырастают сталагмиты.
Другие соли кальция и магния, в частности хлориды и сульфаты, придают воде постоянную жесткость. Кипячением постоянную жесткость воды устранить нельзя. Приходится использовать другой карбонат – соду.
Na2CО3, которая переводит эти ионы Са2+ в осадок, например:
СаСl2 + Na2CO3 = CaCO3↓ + 2NaCl.
Соду можно использовать и для устранения временной жесткости воды.
Карбонаты и гидрокарбонаты можно обнаружить с помощью растворов кислот: при действии на них кислот наблюдается характерное «вскипание» из-за выделяющегося углекислого газа.
Эта реакция является качественной реакцией на соли угольной кислоты.
Заключение
Вся земная жизнь основана на углероде. Каждая молекула живого организма построена на основе углеродного скелета. Атомы углерода постоянно мигрируют из одной части биосферы (узкой оболочки Земли, где существует жизнь) в другую. На примере круговорота углерода в природе можно проследить в динамике картину жизни на нашей планете.
Основные запасы углерода на Земле находятся в виде содержащегося в атмосфере и растворенного в Мировом океане диоксида углерода, то есть углекислого газа (CO2). Рассмотрим сначала молекулы углекислого газа, находящиеся в атмосфере. Растения поглощают эти молекулы, затем в процессе фотосинтеза атом углерода превращается в разнообразные органические соединения и таким образом включается в структуру растений. Далее возможно несколько вариантов: