Свойства углерода и его соединений

При повышенных температурах углерод (особенно в форме графита) обладает высокой химической активностью. Сгорая на воздухе, он превращается в оксид углерода(IV) – углекислый газ СО2, а в недостатке кислорода – в оксид углерода(II), угарный газ СО. При взаимодействии с водород образуется метан СН4, с серой – сероуглерод CS2. С металлами углерод дает карбиды. Углерод – прекрасный восстановитель, что используется для получения многих металлов из оксидов:

Fe2O3 + 3C = 2Fe +3CO.

Углерод взаимодействует с горячими кислотами-окислителями (концентрированой серной, азотной), окисляясь до углекислого газа:

C + 4HNO3конц = CO2 + 4NO2 + 2H2O

и с перегретым водяным паром, образуя водяной газ – смесь угарного газа с водородом:

С + Н2О = СО + Н2.

Применение алмаза в технике связано в первую очередь с его твердостью. Технические алмазы используют для резки стекла. С помощью алмазных наконечников бурят горные породы, сверлят и режут металлы и камни.

Известны два важнейших оксида углерода – угарный газ СО и углекислый газ СО2. Угарный газ СО – это бесцветный ядовитый газ, образующийся при неполном сгорании топлива или при пропускании углекислого газа над раскаленным углем:

C + CO2 = 2CO

Угарный газ – хороший восстановитель. При поджигании он сгорает синим пламенем, превращаясь в углекислый газ. Угарный газ используют для получения металлов из их оксидов. Он является важнейшим восстановителем при получении чугуна. Кокс в доменной печи окисляется до угарного газа, который и восстанавливает железо из оксидов:

FeO + CO = Fe + CO2

Угарный газ мало растворим в воде, не взаимодействует с ней, а также с растворами кислот и щелочей. Это - несолеобразующий оксид. Смесь угарного газа с водородом называется синтез-газом и используется для получения органических соединений - метанола, формальдегида, муравьиной кислоты.

Углекислый газ CО2 – это высший оксид углерода. Он представляет собой бесцветный газ, слегка кисловатый на вкус. Углекислый газ примерно в полтора раза тяжелее воздуха, поэтому его можно переливать из одного сосуда в другой, как будто он является невидимой жидкостью. О его присутствии можно судить по помутнению известковой воды вследствие образования нерастворимого в воде карбоната кальция:

Ca(OH)2 + СО2 = CaCO3 + H2O.

Несмотря на то, что в СО2 углерод находится в высшей степени окисления, углекислый газ практически не проявляет окислительных свойств. Он может быть восстановлен лишь при повышенной температуре под действием сильных восстановителей. Взаимодействуя с раскаленным углем, он превращается в угарный газ СО.

Углекислому газу СО2 соответствует угольная кислота H2CO3. Это слабая двухосновная кислота, известная в водных растворах, образующихся при растворении углекислого газа в воде. Образует соли – карбонаты и гидрокарбонаты. В воде растворимы гидрокарбонаты, также средние карбонаты щелочных металлов и аммония. Карбонаты магния и щелочноземельных металлов, особенно кальция, широко распространены в природе, образуя карбонатные горные породы. Из них состоят кораллы, жемчуг и панцири некоторых простейших. Вода, насыщенная углекислым газом, медленно растворяет их, образуя растворимые гидрокарбонаты, известные лишь в растворах:

CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2.

Они легко разлагаются, выделяя углекислый газ и вновь образуя карбонат. Так возникают сталактиты и сталагмиты.

Среди карбонатов важное значение в технике играет карбонат кальция (мел, мрамор, известняк) и сода – карбонат Na2CO3 (стиральная сода) и гидрокарбонат NaHCO3 (питьевая сода) натрия.