1. Углерод. Аллотропия углерода

Углерод — химический элемент № \(6\). Он расположен в \(IVA\)-группе, во втором периоде Периодической системы.

 

 

На внешнем слое атома углерода содержатся четыре валентных электрона, и до его завершения не хватает четырёх электронов. Поэтому в соединениях с металлами для углерода характерна степень окисления \(–4\), а при взаимодействии с более электроотрицательными неметаллами он проявляет положительные степени окисления: \(+2\) или \(+4\).

 

В природе углерод встречается как в виде простых веществ, так и в виде соединений. В воздухе содержится углекислый газ. В земной коре распространены карбонаты (например, $\mathit{Ca}{\mathit{CO}}_3$ образует мел, мрамор, известняк). Горючие ископаемые (уголь, торф, нефть, природный газ) состоят из органических соединений, главным элементом которых является углерод. 

 

Углерод относится к жизненно важным элементам, так как входит в состав молекул всех органических веществ.

Существует несколько аллотропных видоизменений, образованных атомами углерода. Наиболее распространены алмаз и графит, менее известны фуллерены.

Алмаз имеет атомную кристаллическую решётку. Каждый атом углерода в алмазе связан четырьмя прочными ковалентными связями с соседними атомами, расположенными в вершинах тетраэдра.

 

 

Благодаря такому строению алмаз — самое твёрдое из известных природных веществ. Все четыре валентных электрона каждого атома углерода участвуют в образовании связей, поэтому алмаз не проводит электрический ток. Это бесцветное прозрачное кристаллическое вещество, хорошо преломляющее свет.

 

Графит тоже имеет атомную кристаллическую решётку, но устроена она иначе. Решётка графита слоистая. Каждый атом углерода соединён прочными ковалентными связями с тремя соседними атомами. Образуются плоские слои из шестиугольников, которые слабо связаны между собой. Один валентный электрон у атома углерода остаётся свободным.

 

 

Графит представляет собой тёмно-серое вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь. В отличие от алмаза графит непрозрачный, проводит электрический ток и оставляет серый след на бумаге. У графита очень высокая температура плавления (\(3700 °C\)).

 

 

Алмаз и графит взаимопревращаемы. При сильном нагревании без доступа воздуха алмаз чернеет и превращается в графит. Графит можно превратить в алмаз при высокой температуре и большом давлении.

 

Из мельчайших частиц графита состоят сажа, древесный уголь и кокс. Сажа образуется при неполном сгорании топлива. Древесный уголь получают при нагревании древесины без доступа воздуха, а кокс — переработкой каменного угля.

 

  

Древесный уголь имеет пористое строение и обладает способностью поглощать газы и растворённые вещества. Такое свойство называется адсорбцией. 

 

Если в стакан с раствором чернил насыпать активированный уголь и перемешать, то раствор станет бесцветным. Частицы красителя застревают в порах угля, и раствор очищается. Такой же процесс происходит, если через слой угля пропускать некоторые газы.

 

Уголь как адсорбент используется в системах очистки воды и воздуха. Его применяют в медицине для лечения отравлений, а в пищевой промышленности — для удаления нежелательных примесей при производстве соков и других продуктов питания. Угольные фильтры используются для очистки воздуха в противогазах, а также для очищения питьевой воды.

Фуллерены были открыты английскими и американскими учёными в \(1985\) году. Эти исследователи обнаружили молекулы, состоящие из \(60\) атомов углерода и напоминающие по форме футбольный мяч.

 

  

Фуллерены нашли широкое применение в электронике, оптике, медицине, экологии.

Аллотропные модификации углерода в химических реакциях могут проявлять и окислительные, и восстановительные свойства. Окислительные свойства углерода выражены слабее, чем у других неметаллов второго периода (азота, кислорода и фтора).

Углерод реагирует с металлами при высокой температуре с образованием карбидов:

 

$\mathit{4}\stackrel{0}{\mathit{Al}}+\mathit{3}\stackrel{0}{C}\stackrel{t}{=}\stackrel{+3-4}{{\mathit{Al}}_4{C}_3}$.

 

В этой реакции углерод выступает как окислитель.

Реакция происходит при сильном нагревании. Образуется метан. Углерод — окислитель.

 

$\stackrel{0}{C}+{\mathit{2}\stackrel{0}{H}}_2\stackrel{t}{=}\stackrel{-4+1}{{\mathit{CH}}_4}$.

Углерод горит в кислороде с образованием углекислого газа и проявляет в этой реакции восстановительные свойства:

 

$\stackrel{0}{C}+{\stackrel{0}{O}}_2\stackrel{t}{=}\stackrel{+4-2}{{CO}_2}$.

Углерод способен восстанавливать металлы из их оксидов:

 

$\mathit{2}\stackrel{+2}{\mathit{CuO}}+\stackrel{0}{C}\stackrel{t}{=}\mathit{2}\stackrel{0}{\mathit{Cu}}+\stackrel{+4}{{CO}_2}$. 

Графит используется:

Уголь используется:

Кокс применяется в металлургической промышленности.