Теория:

Химический элемент
Углерод — химический элемент № \(6\). Он расположен в IVА группе Периодической системы.
 
C6+6)2e)4e
 
На внешнем слое атома углерода содержатся четыре валентных электрона, и до его завершения не хватает четырёх электронов. Поэтому в соединениях с металлами углероду 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, CaCO3 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.
Простые вещества
Существует несколько аллотропных видоизменений, образованных атомами углерода. Наиболее распространены алмаз и графит.
 
Алмаз имеет атомную кристаллическую решётку. Каждый атом углерода в алмазе связан четырьмя прочными ковалентными связями с соседними атомами, расположенными в вершинах тетраэдра.
 
Алмазw200.png
Рис. \(1\). Кристаллическая решётка алмаза
 
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.
 
banner_32.png
Рис. \(2\). Алмаз
 
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 между собой связаны слабо. Один валентный электрон у атома углерода остаётся свободным.
 
Графитw200.png
Рис. \(3\). Кристаллическая решётка графита
 
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 (\(3700\) °С).
 
158_grafit.jpg
Рис. \(4\). Графит
 
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.
 
charcoal-powder-1053836_640.png
Рис. \(5\). Уголь
Химические свойства
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).
  • Взаимодействие с металлами.
Углерод реагирует с металлами при высокой температуре с образованием карбидов:
 
4Al0+3C0=tAl+34C43.
 
В этой реакции углерод выступает как окислитель.
  • Взаимодействие с водородом.
Реакция происходит при сильном нагревании. Образуется метан. Углерод — окислитель.
 
C0+2H02=tC4H+14.
  • Взаимодействие с кислородом.
Углерод горит в кислороде с образованием углекислого газа и проявляет в этой реакции восстановительные свойства:
 
C0+O02=tC+4O22.
  • Взаимодействие с оксидами металлов.
Углерод способен восстанавливать металлы из их оксидов:
 
2Cu+2O+C0=t2Cu0+C+4O2. 
Применение простых веществ
 Алмаз применяется:
  • для обработки твёрдых поверхностей;
  • для резки стекла;
  • для изготовления буров и свёрл;
  • для изготовления ювелирных украшений.
Графит используется:
  • при изготовлении карандашей;
  • как твёрдая смазка в подшипниках;
  • для изготовления электродов;
  • в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах;
  • для получения искусственных алмазов.
Сажа:
  • входит в состав типографской краски, крема для обуви;
  • используется как наполнитель для производства резины.
Уголь используется:
  • в противогазах, промышленных и бытовых фильтрах;
  • для очистки сахарного сиропа, спирта и т. д.;
  • в медицине.
Кокс применяется в металлургической промышленности.
Источники:
Рис. 1. Кристаллическая решётка алмаза https://image.shutterstock.com/image-vector/illustration-chemical-carbon-has-several-600w-1717122967.jpg
Рис. 2. Алмаз https://cdn.pixabay.com/photo/2014/10/24/08/09/diamond-500872_960_720.jpg
Рис. 3. Кристаллическая решётка графита https://image.shutterstock.com/image-vector/illustration-chemical-carbon-has-several-600w-1717122967.jpg
Рис. 4. Графит https://www.shutterstock.com/ru/image-photo/galena-called-lead-glance-natural-mineral-1360577696
Рис. 5. Уголь https://cdn.pixabay.com/photo/2015/11/20/20/45/charcoal-powder-1053836_960_720.jpg