Тема 2.16. Карбон. Вуглець

План

1. Загальна характеристика елементів ІV-А групи.

2. Карбон.

3. Алотропні модифікації Карбону.*

4. Хімічні властивості вуглецю.**

5. Застосування.

1. Елементи IV-A групи – це р-елементи. Конфігурація зовнішнього рівня - ns²np². У групі зі зростанням протонного числа елемента спостерігається зміна властивостей від неметалічних до металічних.

Сполуки Карбону та Силіцію з Гідрогеном на відміну від сполук з Гідрогеном елементів V – VІІ груп, не виявляють ні кислотних, ні основних властивостей, що пояснюється низькою полярністю зв’язків С – Н та Si – H унаслідок близьких електронегативностей атомів і неполярності молекул СН₄ і SiH₄.

Оксиди Карбону і Силіцію в ступенях окиснення +4 є кислотними, а оксиди Стануму і Плюмбуму – амфотерними.

2. Будова атома:

Електронна конфігурація атома: 1s²2s²2p²

В атомі Карбону, на відміну від усіх інших елементів, число валентних електронів дорівнює числу валентних орбіталей. Це одна з основних причин значної стійкості зв’язку С – С і виключної здатності Карбону до утворення гомоланцюгів.

Можливі ступені окиснення Карбону:

Можливі ступені окиснення - 4   + 2 + 4 Приклади СН4 С СО СО2

 

Ізотопи: ¹²С, ¹³С, ¹⁴С (радіоактивний)

Поширення у природі: вільний Карбон трапляється в природі у вигляді таких алотропних модифікацій, як алмаз, графіт, карбін, фулерен; у вигляді природних карбонатів (вапняки і доломіти), горючих копалин – антрациту, кам’яного та бурого вугілля, горючих сланців, нафти, торфу, природних горючих газів та ін. У атмосфері та гідросфері Карбон є у вигляді карбон (IV) оксиду. Карбон входить до складу всіх живих організмів.

3. Відомо декілька алотропних модифікацій Карбону – алмаз, графіт, карбін, фулерен. Це тверді речовини з атомними кристалічними гратками, які різняться будовою кристалів і фізичними властивостями.

Алмаз – тугоплавка кристалічна речовина, хімічно малоактивна, діелектрик. Зустрічаються кристали безбарвні й забарвлені, прозорі і непрозорі. У кристалі алмазу кожний атом Карбону з’єднується міцними ковалентними зв’язками з чотирма сусідніми атомами. Така будова забезпечує виключну твердість алмазу.

Графіт – кристалічна речовина, жирна на дотик, хімічно дуже стійка, тугоплавка (t_пл=3800^OC), сірого або чорного кольору з металічним блиском. Структура шарувата. Атоми Карбону розміщуються шарами із шестичленних кілець. У межах шару кожний атом Карбону утворює три хімічні зв’язки з трьома сусідніми атомами. За рахунок четвертих електронів зовнішнього шару виникає загальна система делокалізованого хімічного зв’язку. Саме цим і визначається електрична провідність графіту, його колір і блиск. Шари атомів Карбону об’єднуються в кристали силами міжмолекулярної взаємодії.

Карбін – речовина чорного кольору, хімічно інертна, виявляє властивості напівпровідника. Має ланцюгову будову молекул, де атоми Карбону зв’язані між собою одинарними і потрійними зв’язками, що чергуються: –С≡С–С≡С–, то лише подвійними: =С=С=С=

Фулерен С₆₀ і С₇₀ – нова молекулярна форма існування Карбону в природі. Це дрібнокристалічні речовини, молекули яких являють собою порожні сфери (С₆₀ за формою нагадує футбольний м’яч, а С₇₀ – диньоподібний м’яч для регбі). Їх поверхня утворена п’яти- і шестикутниками з атомів Карбону. Виявляють властивості напівпровідників.

Існують ще так звані вуглецеві матеріали (раніше їх називали „аморфний вуглець”). До них належать кокс, деревне вугілля, сажа. Вони не є самостійними алотропними формами Карбону, оскільки вони мають таку кристалічну структуру як графіт, але кристали розміщені безладно.

4. Вуглець виявляє невисоку хімічну активність (більшість реакцій за його участю відбувається лише за високої температури).

І. Вуглець – гарний відновник:

1) взаємодіє з киснем.

2) взаємодіє з водою. Якщо на розжарений вуглець подавати водяну пару, то внаслідок реакції утвориться водяний газ– суміш карбон (ІІ) оксиду і водню:

3) стійкий до дії лугів і кислот. Лише концентровані сульфатна і нітратна кислоти за температури 100^ºC окиснюють його:

ІІ. Окисні властивості:

1) взаємодіє з воднем за високої температури і наявності каталізатора:

2)) взаємодіє з металами з утворенням карбідів:

5. Завдяки твердості технічні алмази використовують для свердління твердих порід, виготовлення шліфувальних дисків, різців, свердл, різання скла. Чисті алмази гранують, шліфують і виготовляють з них діаманти.

З графіту виготовляють вогнетривкі тиглі, мастила, синтетичні алмази, електроди, обкладки для електролітичних ванн, труби теплообмінників.

 

Контрольні запитання:

1. Яке місце в періодичній системі елементів займає Карбон?

2. Наведіть електронну формулу атома Карбону. Які ступені окиснення для нього характерні?

3. Що таке алотропія? Пояснити на прикладі Карбону.

4. Охарактеризуйте хімічні властивості вуглецю.

5. Де використовуються алотропні модифікації Карбону?

6. Обчисліть масу карбон(IV) оксиду, який можна добути при взаємодії кальцій карбонату масою 7 г з розчином хлоридної кислоти масою 30 г, де масова частка HCl складає 20%.

Література:

1. Данильченко В.Є., Фрадіна Н.В. Хімія. 10 – 11 класи: Навч. посібник. – Х.: Країна мрій™, 2003. - с. 37-38.

2. Хомченко Г.П. Химия. – М.: Высшая школа, 1981. – Ч. ІІ, Гл. 11, §§ 86-87, с. 101-103.

3. Стахеєв О.Ю. Хімія. Узагальнюючі схеми і таблиці. – Тернопіль.: «Богдан», 1998. – с. 32.