Химия. Полный справочник для подготовки к ЕГЭ
Шрифт:
Аллотропные формы углеродаС.В свободном виде углерод существует в виде четырех аллотропных модификаций: графит, алмаз, карбин и фуллерен.
Г р а ф и т – устойчивая аллотропная форма существования элемента. Серо-черный, с металлическим блеском, жирный на ощупь, мягкий, обладает электропроводимостью. Кристаллическая решетка состоит из слоев правильных шестиугольных колец, конденсированных по всем сторонам за счет оя-связей (вр 2– гибридизация). Реагирует с водяным паром, кислотами-окислителями. Типичный восстановитель при сплавлении, реагирует с кислородом, оксидами металлов и солями. Восстанавливается водородом и металлами.
Для графита характерно образование множества карбидов – солеобразных (СаС 2, Al 4С 3), ковалентных (карборундSiC), металлоподобных (имеющих нестехиометрический состав, например цементитFe 3C). Солеобразные карбиды полностью гидролизуются в воде.
Применяется как конструкционный материал, основа угольных электродов, замедлитель нейтронов в ядерных реакторах, кокс – восстановитель в металлургии и химической технологии, сажа – наполнитель резины.
Алмаз содержит в узлах кристаллической решетки атомы С с тетраэдрическим окружением (sр 3– гибридизация, р 3,52 г/см 3). Благородный камень, имеет наибольшую твердость среди природных веществ. Химическая активность ниже, чем у графита. Выше 1200 °C переходит в графит. В чистом состоянии алмазы – прозрачные бесцветные кристаллы с сильным преломляющим эффектом. После обработки природных алмазов (огранка, шлифовка) получают ювелирные драгоценные камни — бриллианты.Менее чистые алмазы обычно окрашенные и мутные, например серо-голубой и черный (карбонадо).
В промышленности из графита при 2000 °C под очень высоким давлением получают мелкие кристаллы искусственных алмазов. Применяются они для изготовления режущих инструментов и точных измерительных приборов.
Карбинсостоит из линейных макромолекул (С 2) nсо строением —CC– или =C=C= (sр-гибридизация, 3,27 г/см 3). Химически менее активен, чем графит. При 2300 °C переходит в графит. Прозрачен и бесцветен, полупроводник. Широкого применения не имеет, очень редко встречается в природе.
Фуллеренсостоит из молекул C 60или C 70(полые сферы; sр 2– гибридизация, 1,7 г/см 3, температура плавления 500–600 °C для С 60), термически устойчив до 900– 1000 °C.
Темноокрашенный порошок, растворим в гексане (темно-красный раствор для С 60темно-оранжевый для С 70), полупроводник. Химические свойства изучены мало. Получают фуллерен, испаряя графит в атмосфере гелия при пониженном давлении. Обнаружен в природе. Возможное использование в будущем – основа сверхпроводящих материалов.
Ниже рассматриваются свойства графитакак самой распространенной и химически активной формы углерода.
Уравнения важнейших реакций:
Получение:искусственные формы графита — кокси сажаобразуются при пиролизе каменного угля и углеводородов.
7.5.2. Оксиды углерода
Монооксид углеродаСО.Несолеобразующий оксид. Бесцветный газ, без запаха, легче воздуха. Молекула слабополярна, содержит ковалентную тройную -связь [:CO;], изоэлектронна молекуле N 2. Термически устойчив. Малорастворим в воде и не реагирует с ней. Химически пассивен в обычных условиях, не реагирует с кислотами и щелочами. Сильный восстановитель при высокой температуре и при наличии катализаторов. Вступает в реакции присоединения с кислородом и пероксидом натрия. С переходными металлами образует комплексные соединения без внешней сферы ( карбонилы). Количественно реагирует с I 2O 5.
Качественная реакция– помутнение раствора хлорида палладия(II).
Применяется как реагент в органическом синтезе, промышленно важный восстановитель металлов из их руд.
Чрезвычайно ядовит, загрязняет атмосферу городов (продукт неполного сгорания моторного топлива). По тому же механизму, что и кислород, СО присоединяется к атому железа в гемоглобине крови, причем связывается более прочно и тем самым блокирует перенос кислорода в организме, вызывая сильное отравление и остановку дыхания; отсюда тривиальное название СО — угарный газ.
Уравнения важнейших реакций:
Получениев промышленности: сжигание кокса (см.) при недостатке кислорода, восстановление раскаленным коксом углекислого газа и водяного пара:
Диоксид углеродаСO 2.Кислотный оксид. Техническое название — углекислый газ.Бесцветный газ, без запаха, в 1,5 раза тяжелее воздуха (можно «переливать» из сосуда в сосуд). Молекула неполярна, имеет линейное строение [С(O) 2] (sр-гибридизация), содержит ковалентные -связи С=O. Термически устойчив до температуры красного каления. При сжатии (давление = 50 атм) и охлаждении легко переходит в жидкое и твердое («сухой лед») состояния.
Твердый СO 2возгоняется уже при низких температурах. Мало растворим в воде (O,88 л/1 л Н 2O при 20 °C); образует моногидрат, который медленно изомеризуется (на 0,4 %) в угольную кислоту. Реагирует со щелочами. Восстанавливается магнием и кальцием. Из воздуха удаляется при контакте с пероксидом натрия (одновременно регенерируется кислород).
Простейшая качественная реакция– угасание горящей древесной лучинки в атмосфере СO 2.
Применяется в многотоннажных производствах соды, сахара и карбамида, в пищевой промышленности для газирования безалкогольных напитков и как хладагент.
Содержится в воздухе (0,03 % по объему), воде минеральных источников. Не поддерживает горение и дыхание. Ассимилируется зелеными растениями при фотосинтезе (с помощью хлорофилла и под воздействием солнечных лучей). Ядовит при содержании в воздухе свыше 15 % по объему.
Уравнения важнейших реакций: