р елементи ІV групи (стр. 2 из 7)

Графіт термодинамічно стійкий у широкому інтервалі температур і тисків, зокрема за звичайних умов. У зв'язку з цим при розрахунках термодинамічних величин як стандартний стан карбону беруть графіт. Алмаз термодинамічно стійкий лише при високих тисках (вище за 10⁹ Па). Але швидкість перетворення алмазу в графіт стає помітною лише при температурах вище 1000° С; при 1750°Cперетворення алмазу в графіт відбувається швидко.

«Аморфний» карбон (вугілля). При нагріванні сполук, що містять карбон, без доступу повітря з них виділяється чорна маса, яка називається «аморфним» карбоном або просто вугіллям. Такий карбон складається з дрібнесеньких кристаликів з розупорядкованою структурою графіту. Вугілля розчиняється у багатьох розплавлених металах, наприклад у залізі, нікелі, платині. Густина вугілля коливається від 1,8 до 2,1 г/см³.

Вугілля істотно розрізняється своїми властивостями залежно від способу добування і від того, з якої речовини його добуто. Крім того, воно завжди містить домішки, які дуже впливають на його властивості. Найважливіші технічні сорти вугілля такі: кокс, деревне вугілля, кісткове вугілля та сажа.

Кокс утворюється при сухій перегонці кам'яного вугілля, його застосовують, головним чином, в металургії у процесі виплавляння металів з руд.

Деревне вугілля утворюється при нагріванні дерева без доступу повітря. При цьому вловлюють цінні продукти сухої перегонки — метиловий спирт, оцтову кислоту та ін. (Деревне вугілля застосовують у металургійній промисловості, в ковальській справі).Завдяки пористій будові, деревне вугілля має високу адсорбційну здатність.

Особливо добре вбирає гази активоване вугілля. Його застосовують для вбирання пари летких рідин з повітря і газових сумішей, як каталізатор у деяких хімічних виробництвах і в протигазах.

Вугілля має здатність адсорбувати не тільки гази, а й розчинені речовини. Цю його властивість відкрив наприкінці XVIII ст. російський академік

Т. Є. Ловіц.

Кісткове вугілля утворюється за допомогою обвуглювання знежирених кісток. Воно містить від 7 до 11 % карбону, близько 80% фосфату кальцію та інші солі. Кісткове вугілля має дуже велику вбирну здатність, особливо щодо органічних барвників, і застосовується для видалення з розчинів різних барвників.

Сажа являє собою найчистіший «аморфний» карбон. У промисловості її добувають термічним розкладанням метану, а також спалюванням при недостатньому доступі повітря смоли, скипидару та інших речовин, багатих на карбон. Сажу застосовують як чорну фарбу (туш, друкарська фарба), а також у виробництві гуми як складову частину гуми.

Хімічні властивості карбону. Карбіди. При низьких температурах вугілля, графіт і особливо алмаз інертні. Якщо їх нагрівати, то активність збільшується: вугілля легко сполучається з киснем і є добрим відновником. Найважливіший процес металургії — виплавляння металів з руд здійснюється за допомогою відновлення оксидів металів вугіллям (або оксидом карбону).

З киснем карбон утворює діоксид (або двоокис) карбону СО₂, який часто також називають вуглекислим газом, і оксид карбону (II), або окис карбону, CO.

При дуже високих температурах карбон сполучається з гідрогеном, сульфуром, силіцієм, бором і багатьма металами; карбон вступає в реакції легше, ніж графіт, і тим більше, алмаз.

Сполуки карбону з металами та іншими елементами, які є електропозитивними щодо карбону, називаються карбідами. Вони утворюються при прожарюванні з вугіллям металів або їхніх оксидів.

Карбіди — кристалічні тіла. Природа хімічного зв'язку у них може бути різна. Так, багато карбідів металів головних підгруп І, II і III груп періодичної системи — це солеподібні сполуки з переважанням іонного зв'язку. До них належать карбіди алюмінію А1₄С₃ і кальцію СаС₂. Перший з них можна розглядати як продукт заміщення гідрогену на метал у метані СН₄, а другий в ацетилені С₂Н₂.

Справді, при взаємодії карбіду алюмінію з водою утворюється метан:

А1₄С₃ + 12Н₂О = 4А1 (ОН)₃ + ЗСН₄|,

а при взаємодії з водою карбіду кальцію — ацетилен:

СаС₂ + 2Н₂О = Са (ОН)₂ + С₂Н₂|.

У карбідах силіцію SiC і бору В₄С зв'язок між атомами ковалентний. Ці речовини характеризуються високою твердістю, тугоплавкістю, хімічною інертністю.

Більшість металів побічних підгруп IV—VIII груп періодичної системи утворюють карбіди, зв'язок у яких близький до металічного внаслідок чого ці карбіди де в чому схожі на метали, наприклад, мають значну електропровідність. Вони також мають високу твердість і тугоплавкість; (карбіди цієї групи застосовують у ряді галузей промисловості)

Більшість цінних властивостей чавунів і сталей зумовлені наявністю в них карбіду феруму Fе₃С.

Діоксид карбону. Карбонатна кислота. Діоксид карбону СО₂ весь час утворюється в природі при окисленні органічних речовин (гниття рослинних і тваринних залишків, дихання, згоряння палива). У великій кількості СО₂ виділяється з вулканічних тріщин і з води мінеральних джерел.

У лабораторіях діоксид карбону звичайно добувають, діючи на мармур СаСО₃ хлоридною кислотою в апараті Кіппа:

СаСО₃ + 2НС1 = СаС1₂ + Н₂О + C0₂

У промисловості велику кількість діоксиду карбону добувають при випалюванні вапна:

СаСО₃ = СаО + СО₂Т.

Діоксид карбону за звичайних умов — безбарвний газ, приблизно в 1,5 раза важчий за повітря, завдяки чому його можна переливати як рідину, з однієї посудини в іншу. Маса 1 л СО₂ за нормальних умов становить 1,98 г. Розчинність діоксиду карбону у воді невелика: 1 об'єм води при 20° С розчиняє 0,88 об'єму СО₂, а при 0° С — 1,7 об'єму. Застосовується діоксид карбону у виробництві соди за аміачнохлоридним способом , для синтезу карбаміду, добування солей карбонатної кислоти, а також газування фруктових і мінеральних вод та інших напоїв.

Під тиском близько 0,6 МПа діоксид карбону при кімнатній температурі перетворюється в рідину. Рідкий діоксид карбону зберігають у стальних балонах. При швидкому виливанні його з балона, внаслідок випаровування вбирається так багато теплоти, що СО₂ перетворюється на тверду білу снігоподібну масу, яка, не розтоплюючись, сублімується при —78,5° С. Твердий діоксид карбону під назвою «сухий лід» застосовують для охолодження продуктів, що швидко псуються, для виробництва і зберігання морозива, а також у багатьох інших випадках, коли потрібна низька температура.

Розчин СО₂ у воді має кислуватий смак і виявляє слабкокислу реакцію, зумовлену наявністю в розчині невеликої кількості карбонатної кислоти Н₂СО₃, що утворюється за такою оборотною реакцією:

СО₂ + Н₂ О =Н₂СО₃.

Отже, діоксид карбону є ангідридом карбонатної кислоти.

Рівновага цієї реакції дуже зміщена вліво, тому лише незначна кількість розчиненого СО₂ перетворюється на карбонатну кислоту.

Карбонатна кислота Н₂СО₃ може існувати лише у водному розчині. При нагріванні розчину діоксид карбону звітрюється, рівновага реакції утворення Н₂СО₃ зміщується вліво і врешті-решт лишається чиста вода.

Карбонатна кислота дуже слабка. У розчині вона дисоціює, головним чином, на іони Н⁺ і НСО3 і лише в мізерній кількості утворює іони СОз

Н₂СО₃ = Н⁺+ HCO₃^- = 2 Н⁺+ CO₃^2-

Константа дисоціації карбонатної кислоти у першому ступені, що враховує рівновагу іонів з усією кількістю діоксиду карбону в розчині (у формі СО₂ і у вигляді карбонатної кислоти), виражається співвідношенням:

Константа дисоціації у другому ступені:

Як двохосновна кислота, карбонатна кислота утворює два ряди солей — середні і кислі; середні солі називаються карбонатами, кислі -гідрокарбонатами.

Солі карбонатної кислоти можна добути або дією діоксид карбону на луги, або за допомогою обмінних реакцій між розчинними солями карбонатної кислоти та солями інших кислот. Наприклад:

NaOH + СО₂ = NaHCO₃;

NaHCO₃ + NaOH = Na₂CO₃ + H₂O;

ВаС1₂ + Na₂CO₃ = BaCO₃| + 2NaCl.

З слабкими основами карбонатна кислота здебільшого дає основні солі, прикладом яких може бути гідроксокарбонат купруму (СuОН)₂СО₃. Мінерал такого складу існує в природі і називається малахітом.

При дії кислот, навіть таких слабких, як оцтова, всі карбонати розкладаються з виділенням діоксиду карбону. Цією реакцією часто користуються для відкриття карбонатів, оскільки виділення СО₂ легко виявити за характерним шипінням.

При нагріванні всі карбонати, крім солей лужних металів, розкладаються з виділенням СО₂. Продуктами розкладання здебільшого є оксиди відповідних металів, наприклад:

MgCO₃ = MgO + CO₂|;

СаСО₃ = Са0 + СО₂|.

Гідрокарбонати лужних металів при нагріванні переходять у карбонати:

2NaHCO₃= Na₂CO₃+ СО₂| + Н₂О.

Більшістьгідрокарбонатів, а також карбонати калію, натрію, рубідію, цезію і амонію розчиняються у воді; карбонати інших металів у воді не розчиняються.

Розчини карбонатів лужних металів внаслідок гідролізу мають сильнолужну реакцію:

Na₂CO₃ + Н₂О = NaHCO₃ + NaOH

абоCO₃^2- + H₂O =CO₃^- + OH ^-

З солей карбонатної кислоти у природі дуже поширений карбонат кальцію СаСО₃. Він зустрічається у вигляді вапняку, крейди, мармуру.