Які властивості має вуглець. Вуглець - характеристика елемента та хімічні властивості

Вуглець є шостим елементом періодичної системи Менделєєва. Його атомна вага дорівнює 12.

Вуглець знаходиться у другому періоді системи Менделєєва та у четвертій групі цієї системи.

Номер періоду повідомляє, що шість електронів вуглецю розташовуються на двох енергетичних рівнях.

А четвертий номер гурту каже, що на зовнішньому енергетичному рівніу вуглецю знаходиться чотири електрони. Два з них це спарені s-електрони, а два інші – не спарені р-Електрони.

Структура зовнішнього електронного шару атома вуглецю може бути виражена такими схемами:

Кожен осередок у цих схемах означає окрему електронну орбіталь, стрілка - елетрон, що знаходиться на орбіталі. Дві стрілки всередині одного осередку – це два електрони, що знаходяться на одній орбіталі, але мають протилежно спрямовані спини.

При збудженні атома (при повідомленні йому енергії) один із спарених S-електронів займає р-орбіталь.

Збуджений атом вуглецю може брати участь у освіті чотирьох ковалентних зв'язків. Тому в переважній більшості своїх сполук вуглець виявляє валентність, що дорівнює чотирьом.

Так, найпростіша органічна сполука вуглеводень метан має склад. СН 4. Будова його може бути виражена структурною або електронною формулою:

Електронна формула показує, що атом вуглецю у молекулі метану має стійку восьмиелектронну зовнішню оболонку, а атоми водню – стійку двоелектронну оболонку.

Усі чотири ковалентні зв'язки вуглецю в метані (і в інших подібних сполуках) рівноцінні та симетрично спрямовані у просторі. Атом вуглецю знаходиться як би в центрі тетраедра (правильноїчотирикутної піраміди

), а чотири з'єднані з ним атоми (у разі метану – чотири атоми водню) у вершинах тетраедра.

Кути між напрямками будь-якої пари зв'язків однакові та становлять 109 градусів 28 хвилин. sЦе пояснюється тим, що в атомі вуглецю, коли він утворює ковалентні зв'язки з чотирма іншими атомами, з одного - і трьох p -орбіталей в результаті sp 3 -орбіталей в результаті-гібридизації утворюються чотири симетрично розташовані в просторі гібридні

-орбіталі, витягнуті у напрямку до вершин тетраедра.

Кількість електронів на зовнішньому енергетичному рівні є головним фактором, що визначає Хімічні властивостіелемент.

У лівій частині періодичної системи розташовані елементи з малозаповненим зовнішнім електронним рівнем. У елементів першої групи на зовнішньому рівні один електрон, елементи другої групи – два.

Елементи цих двох груп є металами. Вони легко окислюються, тобто. втрачають свої зовнішні електрони іперетворюються на позитивні іони.

У правій частині періодичної системи, навпаки, знаходяться неметали (окислювачі). У порівнянні з металами вони мають ядро ​​з великим числом протонів. Таке масивне ядро ​​забезпечує набагато сильніше тяжіння своєї електронної хмари.

Такі елементи насилу втрачають свої електрони, зате не проти приєднати себе додаткові електрони інших атомів, тобто. окислити їх, а самим перетворитися на негативний іон.

Металеві властивостіелементів у міру зростання номера групи в періодичній системі послаблюються, які здатність окислювати інші елементи збільшується.

Вуглець перебуває у четвертій групі, тобто. якраз посередині між металами, що легко віддають електрони, і неметалами, легко ці електрони, що приєднують.

З цієї причини вуглець не має яскраво вираженої схильності віддавати або приєднувати електрони.

Вуглецеві ланцюги.

Винятковою властивістю вуглецю, що зумовлює різноманітність органічних сполук, є здатність його атомів з'єднуватись міцними ковалентними зв'язками один з одним, утворюючи вуглецеві схеми практично необмеженої довжини.

Крім вуглецю, ланцюги з однакових атомів утворює його аналог із IV групи – кремній. Проте такі ланцюги містять трохи більше шести атомів Si. Відомі довгі ланцюгиз атомів сірки, але їх сполуки неміцні.

Валентності атомів вуглецю, не задіяні для взаємної сполуки, використовуються для приєднання інших атомів або груп (у вуглеводнях – для приєднання водню).

Так вуглеводні етан ( З 2 Н 6) та пропан ( З 3 Н 8) містять ланцюги відповідно з двох та трьох атомів вуглецю. Будова їх виражають такі структурні та електронні формули:

Відомі сполуки, що містять у ланцюгах сотні та більше атомів вуглецю.

Внаслідок тетраедричної спрямованості зв'язків вуглецю, його атоми, що входять у ланцюг, розташовуються не на прямій, а зигзагоподібно. Причому завдяки можливості обертання атомів навколо осі зв'язку ланцюг у просторі може приймати. різні форми(Конформації):

Така структура ланцюгів дає можливість зближуватися кінцевим чи іншим суміжним атомам вуглецю. Внаслідок виникнення зв'язку між цими атомами вуглецеві ланцюги можуть замикатися в кільця (цикли), наприклад:

Таким чином, різноманітність органічних сполук визначається і тим, що при однаковій кількості атомів вуглецю в молекулі можливі сполуки з відкритим незамкненим ланцюгом вуглецевих атомів, а також речовини, молекули яких містять цикли.

Прості та кратні зв'язки.

Ковалентні зв'язки між атомами вуглецю, утворені однією парою узагальнених електронів, називаються простими зв'язками.

Зв'язок між атомами вуглецю може здійснюватися не однією, а двома чи трьома загальними парами електронів. Тоді виходять ланцюги з кратними – подвійними чи потрійними зв'язками. Ці зв'язки можна зобразити так:

Найпростіші сполуки, що містять кратні зв'язки – вуглеводні етилен(з подвійним зв'язком) та ацетилен(з потрійним зв'язком):

Вуглеводні з кратними зв'язками називаються ненасиченими або ненасиченими. Етилен та ацетилен – перші представники двох гомологічних рядів– етиленових та ацетиленових вуглеводнів.

Органічна хімія – хімія атома вуглецю. Число органічних сполук у десятки разів більше, ніж неорганічних, що може бути пояснено тільки особливостями атома вуглецю :

а) він знаходиться в середині шкали електронегативності і другого періоду, тому йому невигідно віддавати свої та приймати чужі електрони та набувати позитивного чи негативного заряду;

б) особлива будова електронної оболонки - немає електронних пар і вільних орбіталей (є ще один атом з подібною будовою - водень, ймовірно, тому вуглець з воднем утворює так багато сполук - вуглеводнів).

Електронна будова атома вуглецю

С – 1s 2 2s 2 2p 2 або 1s 2 2s 2 2p x 1 2p y 1 2p z 0

У графічному вигляді:

Атом вуглецю в збудженому стані має таку електронну формулу:

*С – 1s 2 2s 1 2p 3 або 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1

У вигляді осередків:

Форма s-і p - орбіталей

Атомна орбіталь - Область простору, де з найбільшою ймовірністю можна виявити електрон, з квантовими числами.

Вона є тривимірною електронною «контурною картою», в якій хвильова функція визначає відносну ймовірність знаходження електрона в даній точці орбіталі.

Відносні розміри атомних орбіталей збільшуються зі зростанням їх енергій ( головне квантове число- n), які форма і орієнтація у просторі визначається – квантовими числами l і m. Електрони на орбіталях характеризуються спіновим квантовим числом. На кожній орбіталі можуть бути не більше 2 електронів з протилежними спинами.

При утворенні зв'язків з іншими атомами атом вуглецю перетворює свою електронну оболонку так, щоб утворилися найбільш міцні зв'язки, а отже, виділилося якнайбільше енергії, і система набула найбільшої стійкості.

Для зміни електронної оболонки атома потрібна енергія, яка потім компенсується за рахунок утворення міцніших зв'язків.

Перетворення електронної оболонки (гібридизація) можливо, переважно, 3 типів, залежно від кількості атомів, із якими атом вуглецю утворює зв'язку.

Види гібридизації:

sp 3 – атом утворює зв'язки із 4 сусідніми атомами (тетраедрична гібридизація):

Електронна формула sp 3 – гібридного атома вуглецю:

*С –1s 2 2(sp 3) 4 у вигляді осередків

Валентний кут між гібридними орбіталями ~109 °.

Стереохімічна формула атома вуглецю:

sp 2 - Гібридизація (валентний стан)– атом утворює зв'язки із 3 сусідніми атомами (тригональна гібридизація):

Електронна формула sp 2 – гібридного атома вуглецю:

*С –1s 2 2(sp 2) 3 2p 1 у вигляді осередків

Валентний кут між гібридними орбіталями ~120 °.

Стереохімічна формула sp 2 – гібридного атома вуглецю:

sp- Гібридизація (валентний стан) - атом утворює зв'язки з 2 сусідніми атомами (лінійна гібридизація):

Електронна формула sp – гібридного атома вуглецю:

*С –1s 2 2(sp) 2 2p 2 у вигляді осередків

Валентний кут між гібридними орбіталями ~180 °.

Стереохімічна формула:

У всіх видах гібридизації бере участь s-орбіталь, т.к. вона має мінімум енергії.

Перебудова електронної хмари дозволяє утворювати максимально міцні зв'язки та мінімальну взаємодію атомів у молекулі, що утворюється. При цьому гібридні орбіталі можуть бути не ідентичні, а валентні кути – різні, наприклад, СН 2 Cl 2 і СCl 4

2. Ковалентні зв'язки у сполуках вуглецю

Ковалентні зв'язки, якості, методи та причини освіти – шкільна програма.

Нагадаю, щойно:

1. Освіта зв'язку між атомами можна як результат перекриття їх атомних орбіталей, у своїй, що його ефективніше (більше інтеграл перекриття), тим міцніше зв'язок.

Згідно з розрахунковими даними, відносні ефективності перекриття атомних орбіталей S отн зростають наступним чином:

Отже, використання гібридних орбіталей, наприклад sp 3 -орбіталей вуглецю в утворенні зв'язків з чотирма атомами водню, призводить до виникнення більш міцних зв'язків.

2. Ковалентні зв'язки в сполуках вуглецю утворюються двома способами:

а)Якщо дві атомні орбіталі перекриваються вздовж їхніх головних осей, то зв'язок, що утворюється - σ-зв'язком.

Геометрія.Так, при утворенні зв'язків з атомами водню в метані чотири гібридні sр 3 ~орбіталі атома вуглецю перекриваються з s-орбіталями чотирьох атомів водню, утворюючи чотири ідентичні міцні σ-зв'язки, що розташовуються під кутом 109°28" один до одного (стандартний тетраедричний кут) . Схожа строго симетрична тетраедрична структура виникає також, наприклад, при утворенні ССl 4 ; .

Довжина σ-зв'язкуміж атомами вуглецю залежить від гібридизації атомів та зменшується при переході від sр 3 – гібридизації до sр. Це тим, що s – орбіталь перебуває ближчі один до ядру, ніж р-орбиталь, тому, що більше її частка у гібридної орбіталі, то вона коротше, отже, коротше і утворюється зв'язок

Б) Якщо дві атомні - і трьох -орбіталі, розташовані паралельно один одному, здійснюють бічне перекриття над і під площиною, де розташовані атоми, то зв'язок, що утворюється - π (пі) -зв'язком

Бокове перекриванняатомних орбіталей менш ефективно, ніж перекриття вздовж головної осі, тому π -зв'язки менш міцні, ніж σ -зв'язку. Це проявляється, зокрема, у тому, що енергія подвійного вуглець-вуглецевого зв'язку перевищує енергію одинарного зв'язку менш ніж у два рази. Так, енергія зв'язку С-С в етані дорівнює 347 кДж/моль, тоді як енергія зв'язку С = С в етені становить лише 598 кДж/моль, а не ~ 700 кДж/моль.

Ступінь бокового перекривання двох атомних 2р-орбіталей , а отже, і міцність π -зв'язку максимальна, якщо два атоми вуглецю і чотири пов'язані з ними атоми розташовані строго в одній площині, тобто якщо вони копланарні оскільки тільки в цьому випадку атомні 2р-орбіталі точно паралельні одна одній і тому здатні до максимального перекривання. Будь-яке відхилення від копланарного стану внаслідок повороту навколо σ -зв'язку, що з'єднує два атоми вуглецю, призведе до зменшення ступеня перекривання і відповідно до зниження міцності π -зв'язку, який, таким чином, сприяє збереженню площинності молекули

обертаннянавколо подвійний вуглець-вуглецевий зв'язок неможливо.

Розподіл π -електронів над та під площиною молекули означає існування області негативного зарядуготової до взаємодії з будь-якими електронодефіцитними реагентами

Атоми кисню, азоту та ін також мають різні валентні стани (гібридизації), при цьому їх електронні пари можуть знаходитися як на гібридних, так і p-орбіталях.

Розглядають як хімію сполук вуглецю, але, віддаючи шану історії, як і раніше, продовжують називати її органічною хімією. Тому так важливо детальніше розглянути будову атома цього елемента, характер і просторовий напрямок утворених ним хімічних зв'язків.

Валентність хімічного елементанайчастіше визначається числом неспарених електронів. Атом вуглецю, як видно з електронно-графічної формули, має два неспарені електрони, тому за їх участю можуть утворитися дві електронні пари, що здійснюють два ковалентні зв'язки. Однак у органічні сполукивуглець не двох-, а завжди чотиривалентний. Це можна пояснити тим, що в збудженому (який отримав додаткову енергію) атомі відбувається розпарювання 2-електронів і перехід одного з них на 2р-орбіталь:

Такий атом має чотири неспарені електрони і може брати участь у створенні чотирьох ковалентних зв'язків.

Для утворення ковалентного зв'язку необхідно, щоб орбіталь одного атома перекривалася з орбіталлю іншого. При цьому чим більше перекривання, тим міцніший зв'язок.

У молекулі водню Н 2 освіта ковалентного зв'язку відбувається за рахунок перекривання s-орбіталей (рис. 3).

Відстань між ядрами атомів водню, чи довжина зв'язку, становить 7,4 * 10 -2 нм, та її міцність - 435 кДж/моль.

Для порівняння: у молекулі фтору F 2 ковалентний зв'язок утворюється за рахунок перекривання двох р-орбіталей.

Довжина зв'язку фтор-фтор дорівнює 14,2 10 -2 нм, а міцність (енергія) зв'язку - 154 кДж/моль.

Хімічні зв'язки, що утворюються в результаті перекриття електронних орбіталей вздовж лінії зв'язку, називаються зв'язками (сигма-зв'язками).

Лінія зв'язку – пряма, що з'єднує ядра атомів. Для орбіталей можливий лише єдиний спосіб перекривання - з утворенням а-зв'язків.

р-орбіталі можуть перекриватися з утворенням а-зв'язків, а також можуть перекриватися у двох областях, утворюючи ковалентний зв'язок іншого виду - за рахунок «бічного» перекривання:

Хімічні зв'язки, що утворюються в результаті «бічного» перекривання електронних орбіталей поза лінією зв'язку, тобто у двох областях, називаються п-зв'язками (пі-зв'язками).

Розглянутий вид зв'язку характерний для молекул етилену С2Н4 ацетилену С2Н2. Але про це детальніше ви дізнаєтеся з наступного параграфа.

1. Запишіть електронну формулу атома вуглецю. Поясніть значення кожного символу в ній.

Які електронні формули атомів бору, берилію та літію?

Складіть електронно-графічні формули, які відповідають атомам цих елементів.

2. Запишіть електронні формули:

а) атома натрію та катіону Nа +;

б) атома магнію та катіону Мg 2+ ;

в) атома фтору та аніону F - ;

г) атома кисню та аніону Про 2-;

д) атома водню та іонів Н + та Н - .

Складіть електронно-графічні формули розподілу електронів орбіталями у цих частках.

3. Тому якому хімічному елементу відповідає електронна формула 1s 2 2s 2 2р 6 ?

Які катіони та аніони мають таку саму електронну формулу? Складіть електронно-графічну формулу атома та цих іонів.

4. Порівняйте довжини зв'язків у молекулах водню та фтору. Чим викликана їхня відмінність?

5. Молекули азоту та фтору двоатомні. Порівняйте числа та характер хімічних зв'язків між атомами в них.

Зміст уроку конспект уроку опорний каркаспрезентація уроку акселеративні методи інтерактивні технології Практика завдання та вправи самоперевірка практикуми, тренінги, кейси, квести домашні завдання риторичні питання від учнів Ілюстрації аудіо-, відеокліпи та мультимедіафотографії, картинки графіки, таблиці, схеми гумор, анекдоти, приколи, комікси притчі, приказки, кросворди, цитати Додатки рефератистатті фішки для допитливих шпаргалки підручники основні та додаткові словник термінів інші Удосконалення підручників та уроківвиправлення помилок у підручникуоновлення фрагмента у підручнику елементи новаторства на уроці заміна застарілих знань новими Тільки для вчителів ідеальні урокикалендарний план на рік методичні рекомендаціїпрограми обговорення Інтегровані уроки

МОУ «Нікіфорівська середня загальноосвітня школа№1»

Вуглець та його основні неорганічні сполуки

Реферат

Виконав: учень 9В класу

Сидоров Олександр

Вчитель: Сахарова Л.М.

Дмитрівка 2009

Вступ

Глава I. Все про вуглець

1.1. Вуглець у природі

1.2. Алотропні модифікації вуглецю

1.3. Хімічні властивості вуглецю

1.4. Застосування вуглецю

Розділ II. Неорганічні сполуки вуглецю

Висновок

Література

Вступ

Вуглець (лат. Carboneum) С – хімічний елемент IV групи періодичної системи Менделєєва: атомний номер 6, атомна маса 12,011 (1). Розглянемо будову атома вуглецю. На зовнішньому енергетичному рівні атома вуглецю знаходяться чотири електрони. Зобразимо графічно:

Вуглець був відомий з давніх-давен, і ім'я першовідкривача цього елемента невідоме.

Наприкінці XVII ст. флорентійські вчені Аверані та Тарджоні намагалися сплавити кілька дрібних алмазів в один великий і нагріли їх за допомогою запального скла сонячним промінням. Алмази зникли, згорівши на повітрі. У 1772 р. французький хімік А. Лавуазьє показав, що при згорянні алмазу утворюється СО2. Лише у 1797 р. англійський вчений С. Теннант довів ідентичність природи графіту та вугілля. Після згоряння рівних кількостей вугілля та алмазу обсяги оксиду вуглецю (IV) виявилися однаковими.

Різноманітність сполук вуглецю, що пояснюється здатністю його атомів з'єднуватися один з одним та атомами інших елементів у різний спосіб, обумовлює особливе становище вуглецю серед інших елементів.

Глава I . Все про вуглецю

1.1. Вуглець у природі

Вуглець знаходиться в природі як у вільному стані, так і у вигляді сполук.

Вільний вуглець зустрічається у вигляді алмазу, графіту та карбину.

Алмази дуже рідкісні. Найбільший із відомих алмазів – «Куллінан» був знайдений у 1905 р. в Південній Африці, важив 621,2 г і мав розміри 10 6,5 5 см. В Алмазному фонді в Москві зберігається один з найбільших і найкрасивіших алмазів у світі - Орлов (37,92 г).

Свою назву алмаз отримав від грецьк. "Адамас" - непереможний, незламний. Найзначніші родовища алмазів перебувають у Південній Африці, Бразилії, Якутії.

Великі поклади графіту перебувають у ФРН, Шрі-Ланці, Сибіру, ​​Алтаї.

Головними вуглецевими мінералами є: магнезит МgСО 3 , кальцит (вапняний шпат, вапняк, мармур, крейда) СаСО 3 , доломіт СаМg(СО 3) 2 та ін.

Усі горючі копалини – нафта, газ, торф, кам'яні та бурі вугілля, сланці – побудовані на вуглецевій основі. Близькі за складом до вуглецю деякі викопні вугілля, що містять до 99%.

Перед вуглецю припадає 0,1% земної кори.

У вигляді оксиду вуглецю (IV) 2 вуглець входить до складу атмосфери. У гідросфері розчинено велика кількість 2 .

1.2. Алотропні модифікації вуглецю

Елементарний вуглець утворює три алотропні модифікації: алмаз, графіт, карбін.

1. Алмаз – безбарвна, прозора кристалічна речовина, що надзвичайно сильно заломлює промені світла. Атоми вуглецю в алмазі перебувають у стані sр 3 -гібридизації. У збудженому стані відбувається розпарювання валентних електронів в атомах вуглецю та утворення чотирьох неспарених електронів. При утворенні хімічних зв'язків електронні хмари набувають однакової витягнуту формуі розташовуються у просторі отже їх осі виявляються спрямованими до вершин тетраедра. При перекриванні вершин цих хмар з хмарами інших атомів вуглецю виникають ковалентні зв'язки під кутом 109°28", і утворюється атомна кристалічна решітка, характерна для алмазу.

Кожен атом вуглецю в алмазі оточений чотирма іншими, розташованими від нього у напрямках від центру тетраедрів до вершин. Відстань між атомами в тетраедрах дорівнює 0,154 нм. Міцність всіх зв'язків однакова. Таким чином, атоми в алмазі "упаковані" дуже щільно. При 20°З щільність алмазу становить 3,515 г/см 3 . Цим пояснюється його виняткова твердість. Алмаз погано проводить електричний струм.

У 1961 р. у Радянському Союзі було розпочато промислове виробництвосинтетичних алмазів із графіту.

При промисловому синтезі алмазів використовуються тиски тисячі МПа і температури від 1500 до 3000°С. Процес ведуть у присутності каталізаторів, якими можуть бути деякі метали, наприклад Ni. Основна маса алмазів, що утворюються, - невеликі кристали і алмазний пил.

Діамант при нагріванні без доступу повітря вище 1000°С перетворюється на графіт. При 1750 ° С перетворення алмазу на графіт відбувається швидко.

Структура алмазу

2. Графіт - сіро-чорна кристалічна речовина з металевим блиском, жирна на дотик, по твердості поступається навіть папері.

Атоми вуглецю в кристалах графіту перебувають у стані sр 2 -гібридизації: кожен з них утворює три ковалентні зв'язки з сусідніми атомами. Кути між напрямками зв'язків дорівнюють 120°. В результаті утворюється сітка, що складається з правильних шестикутників. Відстань між сусідніми ядрами атомів вуглецю усередині шару становить 0,142 нм. Четвертий електрон зовнішнього шару кожного атома вуглецю у графіті займає р-орбіталь, що не бере участі в гібридизації.

Негібридні електронні хмари атомів вуглецю орієнтовані перпендикулярно до площини шару, і перекриваючись один з одним, утворюють справакалізовані σ-зв'язки. Сусідні шари в кристалі графіту знаходяться один від одного на відстані 0,335 нм і слабко пов'язані між собою, переважно силами Ван-дер-Ваальса. Тому графіт має низьку механічну міцність і легко розщеплюється на лусочки, які власними силами дуже міцні. Зв'язок між шарами атомів вуглецю у графіті частково має металевий характер. Цим пояснюється той факт, що графіт добре проводить електричний струм, але все ж не так добре, як метали.

Структура графіту

Фізичні властивості у графіті сильно різняться за напрямками – перпендикулярним і паралельним шарам атомів вуглецю.

При нагріванні без доступу повітря графіт не зазнає жодних змін до 3700°С. За вказаної температури він виганяється, не плавлячись.

Штучний графіт отримують з кращих сортів кам'яного вугілляпри 3000°С електричних печахбез доступу повітря.

Графіт термодинамічно стійкий у широкому інтервалі температур і тисків, тому він приймається як стандартний стан вуглецю. Щільність графіту становить 2265 г/см 3 .

3. Карбін - дрібнокристалічний порошок чорного кольору. У його кристалічній структурі атоми вуглецю з'єднані одинарними і потрійними зв'язками, що чергуються, в лінійні ланцюжки.

−С≡С−С≡С−С≡С−

Цю речовину вперше отримано В.В. Коршаком, А.М. Сладковим, В.І. Касаточкіним, Ю.П. Кудрявцевим на початку 60-х років XX ст.

Згодом було показано, що карбін може існувати в різних формахі містить як поліацетиленові, так і полікумуленові ланцюжки, в яких вуглецеві атоми пов'язані подвійними зв'язками:

С=С=С=С=С=С=

Пізніше карбін був знайдений у природі – у метеоритній речовині.

Карбін має напівпровідникові властивості, під дією світла його провідність сильно збільшується. За рахунок існування різних типівзв'язку та різних способів укладання ланцюгів з вуглецевих атомів кристалічні грати Фізичні властивостікарбину можуть змінюватися в широких межах. При нагріванні без доступу повітря вище 2000 С карбін стійкий, при температурах близько 2300 С спостерігається його перехід в графіт.

Природний вуглець складається із двох ізотопів

(98,892%) та (1,108%). Крім того, в атмосфері виявлені незначні домішки радіоактивного ізотопу, який одержують штучним шляхом.

Раніше вважали, що деревне вугілля, Сажа і кокс близькі за складом чистого вуглецю і відрізняються за властивостями від алмазу і графіту, представляють самостійну модифікацію алотропную вуглецю («аморфний вуглець»). Однак було встановлено, що ці речовини складаються з найдрібніших кристалічних частинок, в яких атоми вуглецю пов'язані так само, як у графіті.

4. Вугілля – тонко подрібнений графіт. Утворюється при термічному розкладанні вуглецевмісних сполук без доступу повітря. Вугілля істотно різняться за властивостями залежно від речовини, з якої вони отримані та способу отримання. Вони завжди містять домішки, що впливають на їх властивості. Найважливіші сорти вугілля – кокс, деревне вугілля, сажа.

Кокс виходить під час нагрівання кам'яного вугілля без доступу повітря.

Деревне вугілля утворюється при нагріванні дерева без доступу повітря.

Сажа дуже дрібний графітовий кристалічний порошок. Утворюється при спалюванні вуглеводнів ( природного газу, ацетилену, скипидару та ін.) при обмеженому доступі повітря.

Активне вугілля - пористі промислові адсорбенти, що складаються переважно з вуглецю. Адсорбцією називають поглинання поверхнею твердих речовингазів та розчинених речовин. Активне вугілля отримують з твердого палива(торфу, бурого та кам'яного вугілля, антрациту), дерева та продуктів його переробки (деревного вугілля, тирси, відходів паперового виробництва), відходів шкіряної промисловості, матеріалів тваринного походження, наприклад кісток. Вугілля, що відрізняється високим механічною міцністю, Виробляють із шкаралупи кокосових та інших горіхів, з кісточок плодів. Структура вугілля представлена ​​порами всіх розмірів, проте адсорбційна ємність та швидкість адсорбції визначаються вмістом мікропор в одиниці маси або об'єму гранул. При виробництві активного вугілля спочатку вихідний матеріалпіддають термічної обробкибез доступу повітря, внаслідок якої з нього видаляється волога та частково смоли. При цьому утворюється крупнопориста структура вугілля. Для отримання мікропористої структури активацію роблять або окисленням газом або парою, або обробкою хімічними реагентами.

ВИЗНАЧЕННЯ

Вуглець- Шостий елемент Періодичної таблиці. Позначення – С від латинського «carboneum». Розташований у другому періоді, IVА групі. Належить до неметалів. Заряд ядра дорівнює 6.

Вуглець знаходиться в природі як у вільному стані, так і у вигляді численних сполук. Вільний вуглець зустрічається у вигляді алмазу та графіту. Крім викопного вугілля, у надрах Землі знаходяться великі скупченнянафти. У земної коризустрічаються у величезних кількостях солі вугільної кислоти, особливо карбонат кальцію. У повітрі завжди є діоксид вуглецю. Нарешті, рослинні та тваринні організми складаються з речовин, в освіті яких бере участь вуглець. Таким чином, цей елемент - один із поширених на Землі, хоча загальний його вміст у земній корі становить лише близько 0,1% (мас.).

Атомна та молекулярна маса вуглецю

Відносна молекулярна маса речовини (M r) - це число, що показує, у скільки разів маса даної молекули більша за 1/12 маси атома вуглецю, а відносна атомна маса елемента (A r) — у скільки разів середня маса атомів хімічного елемента більша за 1/12 маси атома вуглецю.

Оскільки у вільному стані вуглець існує у вигляді одноатомних молекул С, значення його атомної та молекулярної масзбігаються. Вони дорівнюють 12,0064.

Алотропія та алотропні модифікації вуглецю

У вільному стані вуглець існує у вигляді алмазу, що кристалізується в кубічній та гексагональній (лонсдейліт) системі, та графіту, що належить до гексагональної системи (рис. 1). Такі форми вуглецю, як деревне вугілля, кокс чи сажа мають невпорядковану структуру. Також є алотропні модифікації, отримані синтетичним шляхом - це карбін і полікумулен - різновиди вуглецю, побудовані з лінійних ланцюгових полімерів типу -C=C або C=C=.

Мал. 1. Алотропні модифікації вуглецю.

Відомі також алотропні модифікації вуглецю, що мають такі назви: графен, фулерен, нанотрубки, нановолокна, астрален, скловуглець, колосальні нанотрубки; аморфний вуглець, вуглецеві нанопочки та вуглецева нанопена.

Ізотопи вуглецю

У природі вуглець існує у вигляді двох стабільних ізотопів 12 С (98,98%) та 13 С (1,07%). Їхні масові числа рівні 12 і 13 відповідно. Ядро атома ізотопу вуглецю 12 С містить шість протонів і шість нейтронів, а ізотопу 13 С - таку кількість протонів і п'ять нейтронів.

Існує один штучний (радіоактивний) ізотоп вуглецю 14 С з періодом напіврозпаду рівним 5730 років.

Іони вуглецю

На зовнішньому енергетичному рівні атома вуглецю є чотири електрони, які є валентними:

1s 2 2s 2 2p 2 .

Через війну хімічного взаємодії вуглець може втрачати свої валентні електрони, тобто. бути їх донором, і перетворюватися на позитивно заряджені іони чи приймати електрони іншого атома, тобто. бути їх акцептором, і перетворюватися на негативно заряджені іони:

0 -2e → 2+ ;

0 -4e → 4+ ;

0 +4e → 4- .

Молекула та атом вуглецю

У вільному стані вуглець існує у вигляді одноатомних молекул С. Наведемо деякі властивості, що характеризують атом і молекулу вуглецю:

Сплави вуглецю

Найбільш відомі сплави вуглецю у всьому світі - це сталь та чавун. Сталь - це метал заліза з вуглецем, вміст вуглецю у якому перевищує 2%. У чавуні (теж сплав заліза з вуглецем) вміст вуглецю вище - від 2-х до 4%.

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

Завдання	Який обсяг оксиду вуглецю (IV) виділиться (н.у.) при випаленні 500 г вапняку, що містить 0,1 масову частку домішок.
Рішення	Запишемо рівняння реакції випалу вапняку: CaCO 3 = CaO + CO 2 -. Знайдемо масу чистого вапняку. Для цього спочатку визначимо його масову частку без домішок: w clear (CaCO 3) = 1 - w impurity = 1 - 0,1 = 0,9. m clear (CaCO 3) = m(CaCO 3) xw clear (CaCO 3); m clear (CaCO 3) = 500×0,9 = 450 г. Розрахуємо кількість речовини вапняку: n(CaCO 3) = m clear (CaCO 3) / M(CaCO 3); n(CaCO 3) = 450/100 = 4,5 моль. Відповідно до рівняння реакції n(CaCO 3) :n(CO 2) = 1:1, отже n(CaCO 3) = n(CO 2 ) = 4,5 моль. Тоді, обсяг оксиду вуглецю (IV), що виділився, буде дорівнює: V(CO 2) = n(CO 2) × V m; V(CO 2 ) = 4,5×22,4 = 100,8 л.
Відповідь	100,8 л

ПРИКЛАД 2

Завдання	Скільки потрібно розчину, що містить 0,05 масових часток, або 5% хлороводню, для нейтралізації 11,2 г карбонату кальцію?
Рішення	Запишемо рівняння реакції нейтралізації карбонату кальцію хлороводнем: CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2 -. Знайдемо кількість речовини карбонату кальцію: M(CaCO 3 ) = Ar (Ca) + Ar (C) + 3×A r (O); M(CaCO 3) = 40 + 12 + 3×16 = 52 + 48 = 100 г/моль. n(CaCO 3) = m (CaCO 3) / M(CaCO 3); n(CaCO 3) = 11,2/100 = 0,112 моль. Відповідно до рівняння реакції n(CaCO 3) :n(HCl) = 1:2, отже n(HCl) = 2×n(CaCO 3) = 2×0,224 моль. Визначимо масу речовини хлороводню, що міститься в розчині: M(HCl) = Ar (H) + Ar (Cl) = 1 + 35,5 = 36,5 г/моль. m(HCl) = n(HCl) ×M(HCl) = 0,224 × 36,5 = 8,176 р. Розрахуємо масу розчину хлороводню: m solution (HCl) = m(HCl)× 100 / w(HCl); m solution (HCl) = 8,176 × 100/5 = 163,52 р.
Відповідь	163,52 г