Часть II. НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Раздел 11. ПОДГРУППА КАРБОНА

§ 11.2. Карбон и его свойства

Распространение в природе. В природе карбон встречается в свободном состоянии в виде алмаза, графита и Карбіну, в соединениях

- в виде каменного и бурого угля и нефти. Входит в состав природных карбонатов: известняка, мрамора, мела СаСО₃, магнезита МgСО₃, доломита МgСО₃ ∙ СаСО₃. Является главной составной частью органических веществ. Содержание углерода в земной коре - 0,1 %. В воздухе содержится оксид карбона(ИV).

Физические свойства. Алотропічні модификации углерода - (алмаз, графит и карбин - имеют резко отличные физические свойства, что объясняется строением их кристаллических решеток.

Алмаз - бесцветное кристаллическое вещество с атомной решеткой. Атомы углерода в кристаллах алмаза находятся в состоянии 5р³-гибридизации (см. § 3.2). Они связаны крепкими ковалентними неполярными связями. Каждый атом углерода в алмазе окружен четырьмя другими, расположенными от него в направлениях от центра тетраэдра к его вершин (четыре σ - связи, рис. 11.1). Все это обусловливает исключительную твердость, значительную плотность (3,5 г/см³) и другие характерные свойства алмаза. Поэтому

Рис. 11.1. Кристаллическая решетка алмаза

его широко применяют для резки стекла, бурения горных пород и шлифовки особо твердых материалов. Алмаз плохо проводит теплоту и практически не проводит электрического тока. Образцы его в чистом виде сильно преломляющих свет (светятся). Поэтому из алмазов изготавливают украшения (бриллианты).

Крупные месторождения алмазов открыты в Якутии. Кроме того, с 1961 г. налажено их промышленное производство из графита.

Графит - темно-серое кристаллическое вещество со слабым металлическим блеском, жирная на ощупь. Атомы углерода в кристаллах графита находятся в состоянии sp -гибридизации (см. § 3.2). Они объединенные в плоские слои, состоящие из правильных шестиугольников (рис. 11.2). В них каждый атом углерода соединен крепкими ковалентними связями с тремя соседними атомами (три σ-связи). Связи направлены друг к другу под углом 120°. Четвертый валентный электрон каждого атома в слое остается подвижным, как в металле, и может перемещаться от одного атома углерода к другое. За счет таких электронов возникает металлическая связь. Этим объясняется высокая электрическая проводимость графита (но хуже, чем у металлов), a также его теплопроводность и металлический блеск.

Расстояние между слоями в графите достаточно большая (0,335 нм), а силы взаимодействия между ними сравнительно слабые (это в основном межмолекулярные силы). Поэтому графит расщепляется на тонкие чешуйки, которые сами по себе очень прочные. Чешуйки легко прилипают к бумаге.

Графит применяют для производства грифелей карандашей, а также электродов (в промышленном электролизе). В смеси с техническими маслами используется как смазка: его чешуйки устраняют неровности поверхности, которую смазывают. Поскольку он тугоплавкий и хорошо выдерживает резкую смену температур, из смеси графита и глины изготавливают плавильные тигли для металлургии. Используют графит и в ядерных реакторах как замедлитель нейтронов.

Рис. 11.2. Кристаллическая решетка графита

Случается графит в виде крупных залежей в Сибири, на Алтае и в других местах. Налажено также производство графита искусственным способом из кокса.

Карбин - мелкокристаллический порошок черного цвета. Впервые синтезирован в 60-х годах российскими химиками, позже был найден в природе. Кристаллы карбіну состоят из линейных цепочек атомов углерода, соединенных одинарными и тройными связями, чередующимися:

... -С≡С-С≡С-С≡С- ... или (-С≡С-)n.

По твердости карбин превосходит графит, но значительно уступает перед алмазом. Имеет полупроводниковые свойства. Во время нагревания до 2 800 °С без доступа воздуха превращается на графит.

Природный карбон как элемент состоит из двух изотопов: ¹⁰₆°С (98,892 %) и ¹³₆С (1,108 %). Кроме того, в атмосфере обнаружены незначительные примеси радиоактивного изотопа ₆¹⁴С, который добывают искусственным способом и широко применяют в научных исследованиях.

Уголь. При термическом разложении карбоновых соединений образуется черная масса - уголь и выделяются летучие продукты. Уголь представляет собой тонкоизмельченный графит. Важнейшими сортами уголь кокс, древесный уголь и сажа.

Кокс добывают нагреванием каменного угля без доступа воздуха. Применяется в металлургии как восстановитель.

Древесный уголь образуется во время обугливание древесины (нагрев без доступа или при незначительном доступе воздуха). Применяется в металлургической промышленности, в кузнечных горнах, для добывания черного пороха, поглощение газов, а также в быту.

Сажа образуется из углеводородов (природного газа, ацетилена, скипидара и т.д.) сжиганием их при ограниченном доступе воздуха (или термическим разложением без доступа воздуха). Применяется как наполнитель в производстве резины, а также для изготовления черных красок (типографская краска, тушь) и ваксы для обуви. Стеклоуглерод - пример существования углерода в аморфной форме. Он также образуется при термическом разложении углеродных соединений. Имеет уникальные свойства: большую механическую прочность, малую плотность, электрическую проводимость, тугоплавкость и стойкость против агрессивных сред. Поэтому применяется для изготовления аппаратуры для сильноагрессивных сред, а также в авиации и космонавтике.

Адсорбция. Уголь (особенно древесный) имеет большую адсорбционную способность.

Адсорбцией называется свойство угля и других твердых или жидких веществ удерживать на своей поверхности пары, газы и растворенные вещества.

Вещества, на поверхности которых происходит адсорбция, называются адсорбентами. Вещества, которые адсорбируются, называют адсорбатами. Если, например, раствор чернил взболтать с мелко растертым углем, а затем смесь профильтровать, то в фильтрате будет бесцветная жидкость - вода. В этом случае вся растворенная краска адсорбируется углем. Уголь - адсорбент, краска - адсорбат.

В технике-как адсорбенты применяют алюмосиликаты, синтетические смолы и другие вещества.

Адсорбционная способность угля предопределяется его поруватістю. Чем больше пор, тем большая поверхность угля и тем большая адсорбционная способность. Конечно поры древесного угля частично заполнены различными веществами, что снижает его адсорбционную способность. Для усиление адсорбции угля специально обрабатывают - нагревают в струе водяного пара, чтобы освободить его поры от загрязняющих веществ. Обработанное таким способом уголь называют активным.

Активный уголь широко применяется для очистки сахарного сиропа от примесей, которые придают ему желтого цвета, для очистки растительных масел и жиров. В медицине таблетки с активного угля (“карболен”) используют для удаления вредных веществ с организма. Активный уголь применяется в противогазах для поглощения ядовитых веществ. Фильтрующий противогаз, созданный М. Д. Зелинским, применялся в мировую войну 1914-1918 гг., что позволило спасти жизнь многим десяткам тысяч людей.

Химические свойства. По обычной температуры угля достаточно инертно. Его химическая активность проявляется лишь при высоких температурах. Как окислитель, уголь реагирует с некоторыми металлами и неметаллами. Соединения углерода с металлами называются карбидами. Например:

4Аl + ВС = Аl₄С₃.

                                                         Карбид

                                                        алюминия

Большое практическое значение имеет карбид кальция, который получают нагреванием извести СаО и кокса в электропечах:

СаО + ЗС = СаС₂ + СО.

                                                    Карбид

                                                    кальция

3 водородом уголь при наличии никелевого катализатора и при нагревании образует метан - основную составную часть природных горючих газов:

С + 2Н₂ = СН₄.

Однако для угля более характерны реакции, в которых он проявляет восстановительные свойства. Это имеет место при полном сгорании карбона любой алотропічної модификации:

С + O₂ = СO₂.

Уголь восстанавливает железо, медь, цинк, свинец и другие металлы из их оксидов, что широко используется в металлургии при извлечении этих металлов. Например:

2ZnO + С = 2Zn + СО₂.

Очень важное химическое свойство углерода - способность его атомов образовывать прочные связи между собой - углеродные цепи (см. ч. III. Органическая химия).