РАЗДЕЛ II. НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

9. Неметаллические элементы и их соединения. Неметаллы

9.5. Элементы IV группы

9.5.2. Карбон

Карбон - элемент 2-го периода, IV группы. 6-й элемент периодической таблицы (заряд ядра +6. Химический символ - С. Относительная атомная масса - 12, молярная масса - 12 г/моль.

Природный Карбон состоит из двух стабильных изотопов - ¹²С (98,93 %) и ¹³С (1,07%) и одного радиоактивного - ¹⁴С (10^-10 %), который образуется в атмосфере (на высоте 12-15 км). На образовании и распаде ¹⁴С (Т_1/2 = 5700 лет) основан метод радио-углеродного анализа¹.

Электронная формула атома Углерода - 1s²2s²2p². В соединениях проявляет валентности II, IV (в большинстве соединений), а в молекуле угарного газа СО Карбон есть тривалентним (за счет донорно-акцепторного связи):

Распространенность в природе

Карбон в природе существует в свободном состоянии и в виде соединений. В свободном состоянии - это простые вещества алмаз и графит. В связанном состоянии (0,1 % массы земной коры) - в виде карбонатов. Важнейшие из них: кальций карбонат СаСO₃, который составляет основу кальцита, известняка², мела, мрамора, доломита СаСО₃ · MgCO₃; магнезит MgCO₃, малахит (СuOН)₂СO₃.

Карбон - основная составляющая часть антрацита (94-97 %), каменного (76-95 %) и бурого угля (64-80 %), горючих сланцев (56-78 %), нефти (82-87 %), горючих природных газов (до 99 % метана), торфа (53-56 %), битумов и др.

Современная атмосфера содержит 0,03 % (по объему) углекислого газа СO₂, а в Мировом океане - в 60 раз больше (в растворенном состоянии и в виде карбонатов и гидрогенкарбонатов, что обусловливает временную жесткость воды). Атмосфера Венеры состоит на 97 % из карбон(ИV) оксида.

Этот элемент, благодаря способности образовывать химические связи разного типа (одинарные, двойные, тройные) и стабильности его соединений, составляет основу живой природы: атомы Углерода входят в состав всех органических веществ. Карбон составляет около 18 % массы растений и животных. В организме человека массовая доля Карбона - 21 % (составляет % массы мышц и Уз массы костной ткани). Карбонаты Кальция и Магния является основой внешнего и внутреннего скелета многих видов животных.

Физические свойства простых веществ

Существует несколько простых веществ, состоящих из атомов Карбону. их общая химическое название - углерод.

Карбон имеет свойство образовывать цепи, циклы, сетки, сложные пространственные фигуры. Благодаря этому Карбон - элемент с наибольшим количеством аллотропическая модификаций: алмаз, лондедейліт, графит, карбин, фуллерен, нанотрубка и нановолокно, нанопіна т.д.

Алмаз - прозрачный бесцветный (иногда с желтым, коричневым, красным, зеленым, синим оттенком, даже до черноты; искусственный алмаз имеет черный цвет) очень твердый кристалл. Алмаз - самое твердое³ природное вещество (до 1966 p.). Исключительная твердость алмаза объясняется строением его кристаллической решетки: все 4 электрона каждого атома Углерода в алмазе образуют прочные ковалентные связи с другими атомами Углерода. Ячейка атомных кристаллических решеток имеет тетраедричну структуру. Расстояния между атомами Углерода одинаковы. Алмаз не проводит электрического тока, поскольку в его кристаллических решетках нет свободных электронов. Ограненные и отшлифованные кристаллы алмаза называют бриллиантами. При температуре 1000 °С, если нет кислорода, постепенно превращается в графит.

На рисунке изображены кристаллические структуры алотропних модификаций Углерода: а) алмаза, б) графита, в) лонсдейліту, г) карбіну, т) фуллерена С₆₀, д) аморфного углерода, е) нанотрубки⁴.

Лонсдейлит (гексагональный алмаз)- алотропічна модификация Углерода, открытая в 1966 году. Несколько отличается строением от алмаза и на 58 % тверже него (№ 11 по шкале Мооса).

Графит - минерал из класса самородных элементов, темно-серая кристаллическая тугоплавкая вещество с металлическим блеском, имеет сложную слоистую (лускоподібну) структуру. Связи между атомами Углерода в одном слое значительно прочнее, чем между атомами в различных слоях. Каждый атом Углерода в кристаллических решетках образует три прочные ковалентные связи с другими атомами, которые размещены в том же слое. Четвертый электрон каждого атома Углерода, что не принимает участия в образовании этих связей, остается свободным и обусловливает электропроводность графита (напівметал, неметалл). Расстояние между слоями значительно больше, чем расстояние между атомами Углерода, которые размещаются в одном слое.

Карбин - мелкокристаллический порошок черного цвета, по своим свойствам подобен графиту. Природный полимер (встречается в виде минерала чаоїту) с длинными линейными молекулами. Цепочки из атомов Углерода состоят из фрагментов с двойным (=С=С=С=С=) или тройным (-С≡С-С≡С-) связью. Полупроводник, проводимость увеличивается при освещении.

Карбон может образовывать кластеры - структуры, сложнее по форме, чем цепочки, циклы или тетраедричний кристалл: фуллерены, графени, нанотрубки и астралени.

Фуллерены были открыты в 1985 году. Молекулы этого вещества могут состоять из 60, 70, 80, 90, 100 и более атомов Углерода (С₆в, С₇₀, С₈в-.-)> имеют сферическую форму (напоминают по форме футбольный мяч). Фулерит-60 - молекулярный кристалл, в узлах его решеток находятся молекулы фуллерена-60, почти вдвое тверже алмаза (№ 12 по шкале Мооса).

Графен - искусственно полученная гексагональная модификация (2004 г.) из одноатомного слоя Углерода. Его прочность на порядок выше прочность любой известной науке вещества. Имеет чрезвычайную электропроводность.

Аморфный углерод - смесь мелких, беспорядочно расположенных кристаллов графита, из которого состоят технический углерод, сажа, кокс, уголь ископаемое и древесный.

Технический углерод - черный жирный на ощупь порошок. Это продукт, который добывают в промышленных условиях при термическом разложении углеводородов. Сажа образуется при неконтролируемом сгорании органических веществ (технологически вредный побочный продукт).

Кокс - продукт коксования (нагрев до температуры 950-1100 °С без доступа воздуха) каменного угля. Содержит 96-98 % Карбона.

Древесный уголь - твердый пористый вещество, продукт нагревания (пиролиза, 450-500 °С) древесины без доступа воздуха. Чтобы увеличить количество пор (и соответственно увеличить поверхность поглощения), древесный уголь обрабатывают горячим водяным паром. Полученное таким способом уголь называют активированным. В зависимости от исходного вещества получают тонко (до 2 нм) или крупно-пористый продукт (2-50 нм и более). В поры могут попадать молекулы разных веществ и там содержаться: в маленькие поры - малые молекулы, в большие - большие молекулы.

Способность одного вещества удерживать на своей поверхности атомы, молекулы, ионы второй веществ называю! адсорбцией. Вещество (твердую или жидкую), которая способна удерживать на своей поверхности другие вещества (жидкие или газообразные), называют адсорбентом.

Химические свойства углерода

Химическая активность различных алотропних модификаций неодинакова. При нормальных условиях углерод малоактивный. Алмаз и графит могут реагировать только с чистым кислородом за очень высокой температуры. Все реакции с участием углероде являются окислительно-восстановительными, в которых Карбон может проявлять свойства как восстановителя (более характерны), так и окисника.

Как восстановитель углерод реагирует с простыми веществами неметаллами (кислородом, галогенами, серой), а также со сложными веществами (углекислым газом, оксидами металлических элементов, водяными парами и кислотами-окислителями):

а) с простыми веществами:

• углерод горит на воздухе, выделяя большое количество теплоты:

При условии недостатка кислорода образуется угарный газ СО:

2С + О₂= 2СО

• соединяется с серой, хлором:

б) со сложными веществами:

• с водяными парами (при температуре 1200 °С образуется водяной газ - смесь угарного газа с водородом):

• с оксидами металлических и некоторых неметаллических элементов:

• с кислотами-окислителями:

• с другими веществами:

Как окислитель:

• при нагревании взаимодействует с простыми веществами (металлами), образуя карбиды:

Карбиды разлагаются водой и минеральными кислотами:

• с некоторыми неметаллами:

При взаимодействии углерода с силіцієм образуется кремний(ИV) карбид. По твердости он приближается к алмазу:

Применение углерода

Алмаз используют для изготовления дорогих ювелирных украшений (бриллиантов), искусственные алмазы - в промышленности для изготовления абразивных и режущих инструментов, при бурении скважин.

Графит применяют в электротехнике для изготовления электродов и электрических контактов; из него делают грифели для карандашей; измельченный графит вводят в состав красок; в смеси с минеральным маслом используют для изготовления масел для машин. Графитовые стержни применяют как замедлитель нейтронов в атомных реакторах.

Активированный уголь используют как адсорбент в медицине (при отравлениях), в пищевой промышленности, для очистки воды, в противогазах.

Технический углерод применяют для производства резины, других пластических масс, вводят в состав печатной краски, копировальной бумаги.

Кокс используют в металлургии как восстановитель.

Ископаемое уголь применяют в теплоэнергетике, для извлечения водяного газа (смеси СО и Н₂), кокса.

Карбин используют в фотоэлементах.

Исследование простых веществ Углерода продолжаются, это одна из самых перспективных отраслей химической науки (а впоследствии и техники).

_______________________________________________________________

¹ Предложено 1946 г. американским физико-химиком Віллардом Либби (1908-1980), лауреатом Нобелевской премии по химии в 1960 г. Предел достоверности метода - около 2000 р.

² Известняк, состоящий из раковин отмерших моллюсков, называют ракушняком.

³ Шкалу Мооса (минералогическую шкалу твердости) предложил 1811 году немецкий минералог Ф. Моос. За эталоны взято е 10 природных минералов, которые расположены в последовательности увеличения твердости от талька (1) до алмаза (10).

⁴ Рисунки из сайтов en.wikipedia.org и him.1september.ru.