Сполуки вуглецю - малюнок

Сполуки вуглецю — формули, властивості, застосування



Головна Підгрупа IV групи періодичної системи включає наступні елементи:

  • C (вуглець);
  • Si (кремній);
  • Ge (германій);
  • Sn (олово);
  • Pb (свинець).

Але основа цього підкласу – вуглець, сполуки якого зустрічаються повсюдно і відомі людству з найдавніших часів: дорогоцінні (алмази) і напівкоштовні (малахіт) камені, вугілля, органічні залишки.

Властивості атома вуглецю

Знаходження в природі

У природі вуглець зустрічається як в чистому вигляді, так і в формі сполук. У вільному кристалічному стані він знаходиться у вигляді двох аллотропних видозмін:

  • Алмаз – надзвичайно тверда речовина, що погано проводить тепло і електрику. За зовнішнім виглядом – це безбарвні кристали, сильно заломлюють світло. Якщо їх відповідним чином огранити – вийдуть діаманти, маса яких вимірюється в каратах: 1 карат = 0,205 г. Найбільшим камінням присвоюються імена: наприклад, Куллінан (понад 3 тис. карат), зірка Якутії (232 карати), і інші. Тьмяні алмази (борт) використовуються в промисловості. При нагріванні без доступу повітря алмаз перетворюється в графіт. Зараз з графіту створюються штучні алмази (тривалий нагрів при t=3000°С, і тиску 70-100 тис.атмосфер). Синтетичні продукти широко використовуються в техніці.
  • Графіт – утворює потужні поклади. За зовнішнім виглядом це сіро-чорна, жирна на дотик маса. Має шарувату структуру. Добре проводить тепло і електрику, тугоплавкий. Використовується в промисловості при виробництві електродів і грифелів олівців.

Є ще одна модифікація – аморфний вуглець. Це пориста речовина чорного кольору. Його “відомі представники” – кокс, сажа, деревне та кістяне вугілля. У чистому вигляді не зустрічається, завжди містить домішки.

У зв’язаному стані вуглець зустрічається в карбонатах (кальцит, вапняк, крейда, мармур, залізний шпат FeCO3, марганцевий шпат MnCO3, цинковий шпат ZnCO3, магнезит, доломіт, малахіт, та інші).

Крім того, вуглець — основна складова частина кам’яного та іншого вугілля, нафти, горючих природних газів, всіх живих організмів.

Хімічні властивості вуглецю

Властивості вуглецю

Вуглець інертний щодо всіх звичайних розчинників. Виняток – деякі розплавлені метали. Однак після охолодження він знову кристалізується в графіт.

При нормальних умовах більш хімічно активний тільки чорний вуглець. Він може з’єднуватися зі фтором, а при підвищенні температури — з воднем, кремнієм, сіркою, бором і деякими іншими металами. В результаті реакції утворюються карбіди:

  • 4Al + 3C → Al4C3.
  • Ca + 2C → CaC2.

При взаємодії карбідів з водою або кислотою утворюється метан або ацетилен:

  • Al4C3 + 12HCl → 4AlCl3 + 3CH4 (метан).
  • CaC2 + 2H2O → C2H2 (ацетилен) + Ca(OH)2 (гідроксид кальцію).

Ряд карбідів має склад, який не підпорядковується «загальноприйнятому» уявленню про валентності. До таких відноситься, наприклад, Fe3C.

З азотом вуглець не з’єднується, але в присутності водню утворює ціановодень (формула речовини HCN). У реакціях з киснем він утворює монооксид і діоксид, при цьому виділяється велика кількість тепла:

  • C + O2 → CO2
  • монооксид найчастіше виділяється при пропущенні діоксиду над розпеченим вугіллям: CO2 + C → 2CO.

Вуглець – один з найсильніших відновників, відомих в хімії. При взаємодії з оксидами металів він “забирає” у них кисень, відновлюючи при цьому речовини до вільного стану.

Наприклад:

  • ZnO + C → Zn + CO.
  • SiO2 +2C → Si + 2CO.

При взаємодії надлишку вуглецю з діоксидом кремнію (кварцом, піском), крім чистого Si, утворюється карборунд (оксид кремнію) — дуже тверда речовина: SiO2 + 3C → SiC + 2CO.

З галогенами “чистий” вуглець не взаємодіє. Сполуки з ними утворюються з інших речовин (наприклад, вуглеводнів).

Термодинамічні властивості вуглецю

Вуглецеві з’єднання

На початку XIX століття речовини були розділені на неорганічні і органічні. До другої групи належать:

  • вуглеводні (метановий, етиленовий і ацетиленовий ряди);
  • білки;
  • вуглеводи;
  • жири.

Вивченням цих речовин займається органічна хімія.

Неорганічна хімія вивчає інші сполуки вуглецю: галогеніди, ціаніди, карбіди, оксиди. Найбільш значущими є кисневмісні речовини — CO, CO2. Є ще C2O (оксид дивуглецю) та C3O2 (недооксид), але це, поки що, не дуже вивчені речовини.

Оксид вуглецю 2 (інша назва монооксиду) — утворюється при неповному згорянні C, або продуктів, що його містять.

Його основні властивості:

  • Зріджується при температурі – 192 °C.
  • Твердне при t= -205°с.
  • Молекулярна маса – 28,01 г/моль.
  • Будова молекули – лінійна (в рамках теорії валентних зв’язків її можна записати як «:C==O:»).
  • У воді практично нерозчинний.

Монооксид – це отруйний газ, який не має кольору і запаху. Його отруйна дія полягає в тому, що він необоротно взаємодіє з гемоглобіном крові, в результаті чого він повністю втрачається здатність переносити кисень від легенів до тканин.

У промисловості монооксид отримують в процесі газифікації твердого палива. У лабораторії синтезувати з’єднання можна шляхом впливу концентрованої сульфатної кислоти на щавлеву (C2H2O4) або мурашину (HCOOH). Реакція протікає при нагріванні:

  • HCOOH → CO + H2O.
  • C2H2O4 → CO + CO2 + H2O.

За хімічними властивостями двовалентний оксид – хороший відновник. Він відмінно горить, виділяючи при цьому велику кількість тепла: 2CO + O2 → 2CO2.

Інші характерні ознаки:

  • Здатність “вилучати” кисень з його сполук з металами: FeO + CO → Fe + CO2.
  • У присутності активованого вугілля, що виступає в ролі каталізатора, оксид вуглецю зі ступенем окислення +2, здатен приєднувати хлор (Cl), утворюючи при цьому фосген (COCl2) — бойова отруйна речовина. Являє собою безбарвний, високотоксичний газ з запахом прілого сіна. Рівняння реакції отримання: CO + Cl2 → COCl2.
  • При високих температурах (вище 400°C) і підвищеному тиску (300 атм) реагує з воднем. В результаті процесу утворюється метиловий спирт (метанол): CO + 2H2 → CH3OH.
  • При підвищених температурах взаємодіє з лугами, утворюючи при цьому солі мурашиної кислоти (HCOOH): CO + NaOH → HCOONa.
  • При взаємодії з аміаком утворюється синильна кислота – дуже отруйна речовина: CO + NH3 → HCN + H2O.

Чадний газ знаходить широке практичне застосування. Він входить до складу штучного газоподібного палива. Крім того, він незамінний при процесах органічного синтезу.

Кристалічна ґратка вуглецю

Діоксид вуглецю або CO2

Це газ, що не має кольору, володіє слабким кислуватим запахом і смаком. Молярна маса дорівнює 44.01 г/моль.

Примітка: оксид вуглецю 4 в півтора раза важче повітря, тому його можна «переливати» з пробірки в пробірку.

Вуглекислий газ (ще одна назва діоксиду вуглецю) не підтримує горіння. Крім того, він унеможливлює дихання: в кімнаті, де концентрація речовини буде високою, людина задихнеться.

Властивості діоксиду вуглецю наступні:

  • У вуглекислому газі можуть горіти деякі речовини, що утворюють з киснем більш міцний зв’язок, ніж вуглець (наприклад, магній): 2Mg + CO2 → 2MgO + C.
  • Реакція горіння з розпеченим вугіллям: CO2 + C → 2CO.
  • Взаємодія з водою: CO2 + H2O → H2CO3 (вугільна кислота).
  • Утворює кислотні оксиди при взаємодії з основними оксидами: Na2O + CO2 → Na2CO3 (карбонат натрію).
  • При нестачі лугу утворює гідрокарбонати: CO2 + NaOH → NaHCO3.

У промисловості діоксид вуглецю синтезують шляхом термічного розкладання вапняку або крейди (іноді доломіту, магнезиту):

CaCO3 → CaO + CO2

Також цю речовину можна виділити з коксового газу, при спалюванні вугілля, торфу, нафтопродуктів, деревини. Крім того, він міститься і в природних джерелах: наприклад, «з’являється» в результаті вулканічної діяльності та при розпаді органічних речовин.

Графітові стрижні для олівців.
Графітові стрижні для олівців.

У лабораторних умовах його отримують при взаємодії CaCO3 і хлоридної кислоти:

CaCO3 + 2HCl → CaCL2 + CO2 + H2O

(реакція проводиться в апараті Кіппа). Інший спосіб – прожарювання гідрокарбонату натрію:

NaHCO3 → Na2CO3 + CO2 + H2O

Вуглекислий газ має промислове значення, він необхідний:

  • в содовому виробництві;
  • в харчовій промисловості (виготовлення газованих напоїв);
  • для синтезу органічних кислот.

Сухий лід (твердий діоксид) використовується як холодоагент — вуглекисле середовище запобігає розкладанню харчових продуктів.

Крім того, CO2 застосовується і в медицині (вуглекислотні ванни для активізації метаболічних функцій). Незамінний він і для сільського господарства — оксид вуглецю IV бере участь у фотосинтезі, тому його нестача негативно позначається на рослинах.

Leave a Reply

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *