Нахождение углерода в периодической системе и строение атома
Углерод (C) располагается во 2 периоде, в IV группе, главной подгруппе, имеет порядковый номер 6.
Массовое число: A = 12
Число протонов: P = 6
Число электронов: ē = 6
Число нейтронов: N = A - Z = 12 - 6 = 6
C 1s2 2s2 2p2 Валентные электроны 6C ↑↓ ↑ ↑ 2s 2p 6C* ↑ ↑ ↑ ↑ 2s 2p
Углерод – p-элемент, неметалл.
Степени окисления минимальная: -4 максимальная: +4
Высший оксид: CO2 – оксид углерода (IV).
Проявляет кислотные свойства: CO2 + 2NaOH ⟶ Na2CO3 + H2O
Высший гидроксид: С(ОН)4
Проявляет кислотные свойства: H2CO3 + 2NaOH ⟶ Na2CO3 + 2H2O
Водородное соединение в низшей степени окисления: CH4.
Нахождение углерода в природе
В свободном виде углерод встречается в виде алмаза и графита, а также залежей угля (чёрный, бурый уголь, антрацит, торф).
Входит в состав нефти и природного газа, как элемент.
Входит в состав огромного числа минералов, основными из которых являются:
CaCO3 - мрамор, известняк, мел, кальцит, ракушечник, жемчуг, перламутр,
коралл.
MgCO3 - магнезит.
CaCO3 * MgCO3 - доломит.
Составляет 0,1% от массы земной коры. Углерод является главной составной частью всех органических веществ
На интерактивной доске демонстрируются слайды с фотографиями минералов – кальцит, ракушечник, жемчуг, кораллы, мел, мрамор.
Получение углерода
В связи с тем, что в природе имеется достаточное количество углерода в чистом виде, нет необходимости в его искусственном получении.
Для получения углерода в лаборатории используют реакцию обугливания органических веществ под воздействием серной кислоты.
C6 H12O6 → 6 C + 6 H2O
Физические свойства
Физические свойства углерода зависят от вида аллотропного видоизменения.
Углерод образует несколько аллотропных видоизменений - алмаз, графит, карбин и фуллерен.
Из них первые два встречаются в природе, а остальные получены искусственно.
Алмаз - бесцветный, прозрачный, не проводит электрический ток, очень твёрдый (по твёрдости занимает 1 место cреди всех природных минералов).
При нагревании выше 1000 0С без доступа воздуха превращается в графит.
Алмаз имеет атомную кристаллическую решётку. Каждый атом углерода очень прочно связан с четырьмя окружающими его атомами, расположенными вокруг него в вершинах тетраэдра. Длина связей 0, 154 нм. Каждая вершина тетраэдра является общей для четырёх смежных тетраэдров. Вещества с атомной кристаллической решёткой отличаются низкой тепло- и электропроводностью, высокой твёрдостью, тугоплавкостью, химической инертностью. Алмаз – самое твёрдое природное вещество. В отсутствии кислорода он выдерживает нагревание до 2500 0С без каких-либо изменений
Графит - серое вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь, хорошо проводит электрический ток, мягкий, при ударе рассыпается на тонкие пластинки. При t=1600 0C под высоким давлением превращается
в алмаз, а при t=2000 0C и низком давлении - в карбин.
Кристаллическая решётка графита тригональная, переходного типа между молекулярной и металлической. Атомы углерода расположены слоями, образованными шестичленными циклами. Слои смещены один относительно другого на половину диаметра шестичленного цикла. Каждый атом углерода окружён тремя соседними атомами. Длина каждой ковалентной неполярной связи 0, 142 нм. Кроме того образуется единая сопряжённая система, образованная р-электронами атомов графита. Электроны в сопряжённой системе могут легко перемещаться, что обуславливает электропроводность графита и полуметаллический блеск. Поэтому внутри каждого слоя графита связи иногда называют ковалентно-металличекими. Расстояние между слоями составляет
0, 335 нм, между ними фактически действуют достаточно слабые межмолекулярные связи. Следствием этого является целый ряд свойств графита – меньшая плотность по сравнению с алмазом, благодаря слабому сцеплению слоёв он очень мягок. Графит химически инертен и термически стоек.
Карбин – это мелкокристаллический порошок чёрного цвета. Впервые синтезирован в 60-х годах XX века советскими химиками, позднее был найден в природе. Кристаллы карбина состоят из линейных цепочек углеродных атомов, соединённых чередующимися одинарными и тройными или двойными связями. По твёрдости карбин превосходит графит, но значительно уступает алмазу. Он химически активнее графита. Обладает полупроводниковыми свойствами. При нагревании до 2800 0С без доступа воздуха превращается в графит
Фуллерен – это замкнутая сферическая структура, образованная из определённого числа атомов углерода. Чаще всего встречаются структуры
С60, С70, С84. Молекула фуллерена представляет собой шар, поверхность которого состоит из пяти – и шестичленных циклов, образованных атомами углерода. Впервые фуллерены были синтезированы в 80-х годах XX века (
К аморфным формам углерода относятся – сажа, кокс, древесный уголь.
Древесный уголь обладает уникальным свойством – способностью поглощать газообразные и жидкие вещества. Это свойство называется адсорбция. Впервые адсорбция была окрыта в конце 18 века русским учёным Т. Ловицем, а впоследствии подробно изучена академиком Н.Д. Зелинским. Зелинский использовал способность углерода к адсорбции в конструкции противогаза. Это уникальное изобретение спасло миллионы жизней в военное время и до сих пор находит практическое применение при работах в агрессивных газовых средах – используется пожарниками, шахтёрами, спасателями.
Проведём опыт – налейте в пробирку раствор перманганата калия и поместите в раствор таблетку активированного угля. Энергично перемешайте. Что наблюдаете? (ответ ученика) Произошла адсорбция перманганата калия. Это свойство используется в медицине – активированный уголь помогает вывести из организма токсичные вещества при пищевых отравлениях.
Химические свойства
Реакции с простыми веществами
C + O2 → CO2
2 C + O2 → 2CO
C + 4Na → Na4C
2 C + Ca → CaC2
C + 2 Cl2 → CCl4
C + 2 S→ CS2
3 C + 4 Al → Al4C3
C + 2 H2 → CH4