Аллотропия углерода

Тема: Основные металлы и неметаллы

Урок: Углерод

1. 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.

2. Химические свойства углерода как простого вещества

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

Углерод – восстановитель

С + О₂ СО₂ (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

3. Угольная кислота и её соли