11 класс. Химия. Углерод. Кремний

Комментарии преподавателя

Аллотропные модификации углерода

Углерод в своих соединениях проявляет валентность II и IV. Двухвалентный углерод находится в своей основной электронной конфигурации, а IV-валентный находится в возбужденной конфигурации. При переходе в возбужденное состояние электрон с 2s-орбитали занимает вакантное место на 2р-орбитали. При образовании химической связи происходит гибридизация электронных облаков. Углерод может проявлять степени окисления от -4 до +4. К неорганическим соединениям углерода относятся его оксиды, угольная кислота,  её соли – карбонаты и гидрокарбонаты и карбиды.

Рис. 1

В неорганических соединениях углерод проявляет степень окисления +4, +2, и несколько отрицательных степеней окисления в карбидах. Одной из особенностей атомов углерода является его способность образовывать цепочки неограниченной длины. Из-за этого и существует огромное число органических соединений.

Аллотропия углерода

Для углерода простого вещества характерная аллотропия. Вопрос об аллотропии углерода очень спорный, потому что открываются все новые и новые аллотропные модификации углерода. Уголь и сажа аллотропной модификацией углерода сейчас уже не считаются, так как они не имеют четкой молекулярной структуры. Подробно рассмотрим графит и алмаз. Рис. 2-5. Эти вещества отличаются друг от друга не только по внешнему виду, но и по своим свойствам. Причиной отличия алмаза от графита является различие в кристаллических решетках этих веществ.

Рис. 2

Рис. 3

В кристалле алмаза каждый атом углерода находится в sp3-гибридизации и образует 4 равноценные «сигма» σ -связи с атомами углерода. Эти связи направлены к вершинам тетраэдра. Симметричность и прочность С-С связи в кристалле алмаза обуславливает его  исключительную прочность и отсутствие электронной проводимости.

Рис. 4

Рис. 5

В кристалле графита каждый атом углерода находится в sp2-гибридизации и образует 3 равноценные σ-связи с соседними атомами углерода в одной плоскости под углом 1200. В этой плоскости образуется слой, состоящий из шестичленных колец. Кроме того каждый атом углерода имеет один неспаренный электрон, находящийся на не гибридизованной р-орбитали, перпендикулярной плоскости слоя. Эти электроны образуют общую систему π-связей. Связь между слоями осуществляется за счет относительно слабых межмолекулярных сил. И эти связи между слоями гораздо менее прочны, чем связи между атомами внутри слоя. Это обуславливает способность графита легко расслаиваться, его мягкость, металлический блеск, электропроводность и большую по сравнению с алмазом химическую активность.

Можно осуществлять переходы между различными аллотропными модификациями углерода. Графит при температуре около 20000С и огромном давлении до 50 тыс. атм. под действием никелевого катализатора может частично переходить в алмаз. Такие алмазы пригодны только для технических целей, так как они очень мелкие и содержат большое количество примесей и дефектов.

Химические свойства углерода как простого вещества

Реакционно-способными модификациями углерода являются уголь и сажа. Для углерода характерна окислительно-восстановительная двойственность.

Углерод – восстановитель

С + О2СО2 (6000С – 7000С)

2С + О2 СО (более 10000С)

C + 2F2 = CF4

C + 2S  CS2

C(кокс) + СuO  Cu + CO

2C(кокс) + SnO2 Sn + 2CO

C + H2O ⇄ CO + H2

При нагревании углерод реагирует с концентрированными серной и азотной кислотами.

С + 2H2SO4 CO2↑ + 2SO2↑ + 2H2O

С + 4HNO3 CO2↑ + 4NO2↑ + 2H2O

Углерод – окислитель

С + Н2 CH4 (10МПа)

С + Si SiC (10000С – 12000С) (карбид кремния или карборунд)

Образование карбидов

При высокой температуре уголь взаимодействует с металлами, образуя карбиды.

2С + Сa  CaC2 (ацетиленид)

3С + 4Al  Al4C3 (метанид)

CaC2 + 2Н2О = Сa(OH)2 + C2H2

Al4C3 + 12Н2О = 4Al(OH)3 + 3CH4

Оксид углерода (II)

Это вещество молекулярного строения. Связь ковалентная полярная – тройная. Две общие электронные пары образованы по обменному механизму, а третья – по донорно-акцепторному. Молекулы СО содержат активную неподеленную электронную пару. Рис. 6. Она может выступать как донор этой электронной пары. Поэтому оксид углерода (II) может активно взаимодействовать с металлами.

Рис. 6

Fe + 5CO  Fe(CO)5 карбонил железа.

Карбонилы металлов – это комплексные неорганические соединения. Например, при нагревании карбонилы легко разлагаются, и таким образом можно получать высокочистые металлы. Они интересны и своими химическими свойствами.

При обычных условиях оксид углерода (II) – это газ, без цвета и запаха, плохо растворим в воде. Угарный газ очень ядовит. Размер молекулы СО близок размером к молекуле кислорода, поэтому он может взаимодействовать с гемоглобином, давая карбоксигемоглобин. И такой комплекс уже не может переносить кислород, и значит, нарушается транспорт кислорода в крови.

Оксид углерода (II) – это несолеобразующий оксид. При обычных условиях он не взаимодействует ни с кислотами, ни с основаниями. Но при нагревании и под давлением может реагировать со щелочью.

СО + КОН ⇆ НСООК (формиат калия)

Угарный газ обладает ярко выраженными восстановительными свойствами. Восстановительные свойства выражены даже сильнее, чем у водорода. При нагревании он способен восстанавливать металлы из их оксидов. На этом основана выплавка чугуна из железных руд в домнах.

Fe2O3 + 3CO Fe + 3CO2

CO + O2 = CO2 (7000C)

Получение в лаборатории

HCOOH  CO + H2O

Углекислый газ и угольная кислота

Углекислый газ СО2↑ – это вещество молекулярного строения. При обычных условиях – это газ без цвета и запаха, значительно тяжелее воздуха, плохо растворим в воде. При t=-780С твердый углекислый газ сублимируется. На этом основано его использование в качестве удобного хладагента. Его называют «сухой лёд».

Химические свойства оксида углерода (IV)

Углекислый газ СО2↑ – это кислотный оксид. Но только небольшая его часть, менее 1%, взаимодействует с водой с образованием угольной кислоты.

СО2 ↑+ Н2О → Н2СО3

Оксид углерода (IV) взаимодействует со щелочами с образованием карбонатов или гидрокарбонатов.

CO2↑ + 2NaOH = Na2CO3 + H2O

CO2↑+ NaOH = NaHCO3

Взаимодействует с основными оксидами с образованием солей.

MgO + CO2↑ = MgCO3

Для СО2 нехарактерны окислительные свойства. Один из немногих случаев, когда он проявляет окислительные свойства, – когда горящий магний продолжает гореть в углекислом газе

СО2↑ + 2Mg  2MgO + C

Качественная реакция на углекислый газ – это помутнение известковой воды, вследствие образования нерастворимых карбонатов.

Сa(OH)2 + CO2↑ = CaCO3↓+ H2O, но при пропускании избытка углекислого газа, карбонат переходит в растворимый гидрокарбонат, и осадок исчезает.

CaCO3↓+ СО2↑+ Н2О = Сa(HCO3)2

Получение СО2↑в лаборатории

На мел или мрамор действуют сильными кислотами.

CaCO3↓+2HCl = СО2↑+ Н2О+ CaCl2

Соли угольной кислоты – карбонаты и гидрокарбонаты

Соли угольной кислоты – карбонаты и гидрокарбонаты – вещества ионного строения, белого цвета, если ион металла не окрашен. Растворимые карбонаты подвергаются в водных растворах гидролизу по аниону с образованием щелочной среды.

Na2CO3 + H2O = NaHCO3 + NaOH

В быту при приготовлении теста часто проводится реакция гашения соды:

NaHCO3 + CH3COOH = CH3COONa + CO2↑ + H2O

Карбонаты разлагаются при нагревании

CaCO3↓ CaO + CO2↑

Различные карбонаты встречаются в природе и имеют тривиальные названия. См. рис. 7. Многие карбонаты имеют важное практическое значение.

Рис. 

Кальцинированную соду применяют при производстве стекла, мыла, моющих средств, красителей, для обработки руд при получении некоторых металлов.

Питьевая сода широко используется в пищевой промышленности, медицине, быту. Питьевая сода входит в состав препаратов для огнетушителей.

Поташ применяют в производстве стекла, мыла, в фотографии.

Карбонат кальция является основным компонентом природных материалов: известняка, мела и мрамора. Эти вещества используются в строительстве. Известняк вносят в почву для снижения её кислотности и улучшения структуры.

Источники

http://www.youtube.com/watch?t=5&v=N4MlI_xeUis

http://www.youtube.com/watch?v=ZdZwohXdFWQ

http://www.youtube.com/watch?t=12&v=CRi0G8RM9lY

источник презентации - http://ppt4web.ru/khimija/uglerod.html

конспект http://interneturok.ru/ru/school/chemistry/11-klass

Файлы