Підготовка до ЗНО з хімії

Карбон – перший елемент IVА підгрупи. Проста речовина існує у формі кількох алотропних модифікацій: алмаз, графіт, карбін.

Алмаз – прозора кристалічна речовина. У кристалічній гратці алмазу (рис. 19.1, а) атомні орбіталі Карбону перебувають у стані sp³-гібридизації і утворюють чотири міцні ковалентні зв’язки. Така будова зумовлює високу твердість і хімічну стійкість алмазу. Алмаз не проводить електричний стум.

При нагріванні до 800 ⁰С в атмосфері кисню алмаз згорає до СО₂. Спаливши алмаз, А. Лавуазьє (Англія) у 1772 р. довів, що алмаз складається з Карбону.

Без доступу повітря утворює іншу алотропну модифікацію Карбону – графіт.

Рис. 19.1. Кристалічні гратки алмазу (а) і графіту (б).

Графіт – сіро-чорна речовина з металічним блиском. Дуже м`який, добре проводить електричний струм, тугоплавкий, хімічно інертний матеріал. У графіту шарувата кристалічна гратка (рис. 19.1, б). Зв’язки між атомами Карбону в межах одного шару міцні, між шарами – слабкі. Гібридизація атомів карбону у молекулі графіту sp².

Карбін – чорна дрібнокристалічна речовина, в природі не існує, її штучно одержують при дегідратації ацетилену НC≡CH при 1000 ⁰С у присутності Cu²⁺. Атоми Карбону перебувають у стані sp-гібридизації. Це – напівпровідник.

Існують α-карбін або поліїн зі структурою –C≡C–C≡C– та β‑карбін (полікумулен), його структура =С=С=С=С=.

Нещодавно відкрита ще одна модифікація Карбону – фулерен – сферичні поверхні, що містять від 60 до 84 атомів Карбону.

Поширення у природі.

У природі у вільному стані Карбон зустрічається у формі алмазу та графіту. Вугілля, сажа, кокс – форми існування графіту.

У мінералах Карбон міститься у складі кальциту СаСО₃, доломіту CaCO₃×MgCO₃ і магнезиті MgCO₃.

Карбон входить до складу живої матерії, як основний структурний елемент усіх органічних речовин.

Фізичні властивості.

У будь-якій алотропній формі вуглець не має смаку і запаху, тугоплавкий і нерозчинний у воді та органічних розчинниках (крім фулеренів).

Графіт у формі вугілля завдяки пористій будові має високу адсорбційну здатність.

Адсорбція – концентрування різних речовин на поверхні поділу фаз (тверда-рідка, тверда-газова, рідка-газова, рідка-рідка).

Речовина, яка утримує на своїй поверхні частинки називається адсорбентом, речовина, яка утримується – адсорбатом.

Найвищу адсорбційну здатність має активоване вугілля, в якому спеціально очищають пори. Активоване вугілля використовують для очистки повітря в протигазах, видалення отруйних речовин з організму людини, очищення води тощо.

Хімічні властивості Карбону розглянемо на прикладі графіту.

За звичайної температури графіт хімічно інертний. При нагріванні реагує з неметалами (H₂, F₂, O₂, N, S), металами, оксидами, кислотами.

І. З простими речовинами:

1.  Безпосередньо реагує лише з фтором (з іншими галогенами не реагує):

C + 2F₂ = CF₄.

2. У реакції з киснем можливе утворення двох оксидів.

При нестачі кисню утворюється карбон (IІ) оксид:

2C + O₂ = 2CO₂,

який згоряє у надлишку кисню:

2CO + O₂ = 2CO.

3. З сіркою реакція відбувається при 1000 ⁰С:

C + 2S = CS₂.

Сірковуглець CS₂ розчиняє багатьох речовин.

4. При дії електричного розряду на суміш графіту та азоту утворюється диціан (CN)₂ або C₂N₂:

2C + N₂ = C₂N₂    (N≡C–C≡N).

Диціан називають псевдогалогеном. При взаємодії з воднем  утворюється ціановодень (водні розчини – синильна кислота):

(CN)₂ + Н₂О = НCN.

Синильна кислота та її солі – ціаніди – сильні отрути.

5. За високої температури або наявності каталізатора (Ni/Pt) реагує з воднем з утворенням вуглеводнів:

C + 2H₂ = CH₄         (600 – 1000⁰C),

2C + H₂ = C₂H₂       (1500 – 2000⁰C),

Ці сполуки розглянуто в розд. Органічна хімія.

6. З кремнієм при нагріванні утворюється карбід силіцію:

C + Si = SiC.

7. З металами при нагріванні утворює карбіди:

3C + 4Al = Al₄C₃,                   C + 3Fe = Fe₃C,             2C + Ca = CaC₂.

Карбіди бувають солеподібні (типу метану (Al₄C₃, Be₂C) і типу ацетилену (CaC₂)), ковалентні (SiC, B₄C₃) і металоподібні (Fe₃C тощо).

При дії води або кислот на карбіди типу метану виділяється метан:

Al₄C₃ + 12H₂O = 4Al(OH)₃ + 3CH₄,          Al₄C₃ + 12HCl = 4AlCl₃ + 3CH₄.

Карбіди типу ацетилену утворюють ацетилен:

CaC₂ + 2H₂O = Ca(OH)₂ + C₂H₂,               CaC₂ + 2HCl = CaCl₂ + C₂H₂.

Ковалентні карбіди – хімічно інертні, дуже тверді речовини.

Металоподібні карбіди – тверді жаростійкі речовини, під дією кислот утворюють метан і водень:

Fe₃C + 6HCl = 3FeCl₂ + CH₄ + H₂.

ІІ. Зі складними речовинами.

1. Окиснюється концентрованою сульфатною або нітратною кислотами при 100 ⁰С до СО₂:

C + 2H₂SO_4к. = CO₂ + 2SO₂ + 2H₂O,

C + 4HNO_3к. = CO₂ + 4NO₂ + 2H₂O.

2. Відновлює оксиди металів і неметалів:

FeO + C = Fe + CO,                SiO₂ + 2C = Si + 2CO.

Іноді при цьому утворюються карбіди:

2Al₂O₃ + 9C = Al₄C₃ + 6CO,            SiO₂ + 3C = SiC + 2CO.

Метод відновлення оксидів вугіллям у металургії називають карботермією (див. Добування металів).

3. Розпечений до червоного кольору вуглець реагує з парою води:

C + H₂O = CO + H₂.

Утворюється водяний газ.

Застосування.

Алмаз застосовують у виготовленні шліфувальних матеріалів, прикрас, для різання скла, виготовлення прикрас – діамантів. Графіт застосовують для виготовлення графітових стержнів олівців, змазок і мастил завдяки легкості його розшарування. Графіт, будучи електропровідним, є хорошим матеріалом для виготовлення електродів.

Кам’яне вугілля використовують як паливо, адсорбент, відновник при виробництві фосфору з фосфориту, чорного пороху, у металургії (карботермія).