В какой реакции углерод проявляет восстановительные свойства в реакции
Химические свойства углерода
Углерод способен образовывать несколько аллотропных модификаций. Это алмаз (наиболее инертная аллотропная модификация), графит, фуллерен и карбин.
Древесный уголь и сажа представляют собой аморфный углерод. Углерод в таком состоянии не имеет упорядоченной структуры и фактически состоит из мельчайших фрагментов слоев графита. Аморфный углерод, обработанный горячим водяным паром, называют активированным углем. 1 грамм активированного угля из-за наличия в нем множества пор имеет общую поверхность более трехсот квадратных метров! Благодаря своей способности поглощать различные вещества активированный уголь находит широкое применение как наполнитель фильтров, а также как энтеросорбент при различных видах отравлений.
С химической точки зрения аморфный углерод является наиболее активной его формой, графит проявляет среднюю активность, а алмаз является крайне инертным веществом. По этой причине, рассматриваемые ниже химические свойства углерода следует прежде всего относить к аморфному углероду.
Восстановительные свойства углерода
Как восстановитель углерод реагирует с такими неметаллами как, например, кислород, галогены, сера.
В зависимости от избытка или недостатка кислорода при горении угля возможно образование угарного газа CO или углекислого газа CO2:
При взаимодействии углерода со фтором образуется тетрафторид углерода:
При нагревании углерода с серой образуется сероуглерод CS2:
Углерод способен восстанавливать металлы после алюминия в ряду активности из их оксидов. Например:
Также углерод реагирует и с оксидами активных металлов, однако в этом случае наблюдается, как правило, не восстановление металла, а образование его карбида:
Взаимодействие углерода с оксидами неметаллов
Углерод вступает в реакцию сопропорционирования с углекислым газом CO2:
Одним из наиболее важных с промышленной точки зрения процессов является так называемая паровая конверсия угля. Процесс проводят, пропуская водяной пар через раскаленный уголь. При этом протекает следующая реакция:
При высокой температуре углерод способен восстанавливать даже такое инертное соединение как диоксид кремния. При этом в зависимости от условия возможно образование кремния или карбида кремния (карборунда):
Также углерод как восстановитель реагирует с кислотами окислителями, в частности, концентрированными серной и азотной кислотами:
Окислительные свойства углерода
Химический элемент углерод не отличается высокой электроотрицательностью, поэтому образуемые им простые вещества редко проявляют окислительные свойства по отношению к другим неметаллам.
Примером таких реакций является взаимодействие аморфного углерода с водородом при нагревании в присутствии катализатора:
а также с кремнием при температуре 1200-1300 оС:
Окислительные свойства углерод проявляет по отношению к металлам. Углерод способен реагировать с активными металлами и некоторыми металлами средней активности. Реакции протекают при нагревании:
Карбиды активных металлов гидролизуются водой:
а также растворами кислот-неокислителей:
При этом образуются углеводороды, содержащие углерод в той же степени окисления, что и в исходном карбиде.
Химические свойства кремния
Кремний может существовать, как и углерод в кристаллическом и аморфном состоянии и, также, как и в случае углерода, аморфный кремний существенно более химически активен, чем кристаллический.
Иногда аморфный и кристаллический кремний, называют его аллотропными модификациями, что, строго говоря, не совсем верно. Аморфный кремний представляет собой по сути конгломерат беспорядочно расположенных друг относительно друга мельчайших частиц кристаллического кремния.
Взаимодействие кремния с простыми веществами
неметаллами
При обычных условиях кремний ввиду своей инертности реагирует только со фтором:
С хлором, бромом и йодом кремний реагирует только при нагревании. При этом характерно, что в зависимости от активности галогена, требуется и соответственно различная температура:
Так с хлором реакция протекает при 340-420 оС:
С бромом – 620-700 оС:
С йодом – 750-810 оС:
Все галогениды кремния легко гидролизуются водой:
а также растворами щелочей:
Реакция кремния с кислородом протекает, однако требует очень сильного нагревания (1200-1300оС) ввиду того, что прочная оксидная пленка затрудняет взаимодействие:
При температуре 1200-1500 оС кремний медленно взаимодействует с углеродом в виде графита с образованием карборунда SiC – вещества с атомной кристаллической решеткой подобной алмазу и почти не уступающего ему в прочности:
С водородом кремний не реагирует.
металлами
Ввиду своей низкой электроотрицательности кремний может проявлять окислительные свойства лишь по отношению к металлам. Из металлов кремний реагирует с активными (щелочными и щелочноземельными), а также многими металлами средней активности. В результате такого взаимодействия образуются силициды:
Силициды активных металлов легко гидролизуются водой или разбавленными растворами кислот-неокислителей:
При этом образуется газ силан SiH4 – аналог метана CH4.
Взаимодействие кремния со сложными веществами
С водой кремний не реагирует даже при кипячении, однако аморфный кремний взаимодействует с перегретым водяным паром при температуре около 400-500оС. При этом образуется водород и диоксид кремния:
Из всех кислот кремний (в аморфном состоянии) реагирует только с концентрированной плавиковой кислотой:
Кремний растворяется в концентрированных растворах щелочей. Реакция сопровождается выделением водорода:
Источник
Углерод
Углерод – неметаллический элемент IV группы периодической таблицы Д.И. Менделеева, является важнейшей частью всех органических
веществ в природе.
Общая характеристика элементов IVa группы
От C к Pb (сверху вниз в периодической таблице) происходит увеличение: атомного радиуса, металлических, основных, восстановительных свойств.
Уменьшается электроотрицательность, энергия ионизация, сродство к электрону.
Из элементов IVа группы углерод и кремний относятся к неметаллам, германий, олово и свинец – металлы.
Электронные конфигурации у данных элементов схожи, так как они находятся в одной группе (главной подгруппе!), общая формула ns2np2:
- C – 2s22p2
- Si – 3s23p2
- Ge – 4s24p2
- Sn – 5s25p2
- Pb – 6s26p2
Природные соединения
В природе углерод встречается в виде следующих соединений:
- Аллотропных модификаций – графит, алмаз, фуллерен
- MgCO3 – магнезит
- CaCO3 – кальцит (мел, мрамор)
- CaCO3*MgCO3 – доломит
Получение
Углерод получают в ходе пиролиза углеводородов (пиролиз – нагревание без доступа кислорода). Также применяется получение углеродистых соединений:
древесины и каменного угля.
C2H6 → (t) C + H2 (пиролиз этана)
Химические свойства
- Реакции с неметаллами
- Реакции с металлами
- Восстановительные свойства
- Реакция с водой
- Реакции с кислотами
При нагревании углерод реагирует со многими неметаллами: водородом, кислородом, фтором.
C + H2 → (t) CH4 (метан)
2С + O2 → (t) 2CO (угарный газ – продукт неполного окисления углерода, образуется при недостатке кислорода)
С + O2 → (t) CO2 (углекислый газ – продукт полного окисления углерода, образуется при достаточном количестве кислорода)
С + F2 → (t) CF4
При нагревании углерод реагирует с металлами, проявляя свои окислительные свойства. Напомню, что металлы могут принимать только положительные
степени окисления.
Ca + C → CaC2 (карбид кальция, СО углерода = -1)
Al + C → Al4C3 (карбид алюминий, СО углерода -4)
Очевидно, что степень окисления углерода в соединении с различными металлами может отличаться.
Углерод – хороший восстановитель. С помощью него металлургическая промышленность справляется с задачей получения чистых металлов из их
оксидов:
Fe2O3 + C → Fe + CO2
ZnO + C → Zn + CO
FeO + C → Fe + CO
Углерод восстанавливает не только металлы из их оксидов, но и неметаллы подобным образом:
SiO2 + C → (t) Si + CO
Может восстановить и собственный оксид:
CO2 + C → CO
Известная реакция взаимодействия угля с водяным паром, называемая также газификацией угля, торфа, сланца – крайне важна в промышленности:
C + H2O → CO↑ + H2↑
В реакциях с кислотами углерод проявляет себя как восстановитель:
C + HNO 3(конц.) → (t) CO2 + NO2 + H2
C + HNO3 → CO2 + NO + H2O
C + H2SO4(конц.) → CO2 + SO2 + H2O
Оксид углерода II – СO
Оксид углерода II – продукт неполного окисления углерода. Несолеобразующий оксид. Это чрезвычайно опасное вещество часто образуется
при пожарах в замкнутых помещениях, при прогревании машины в гараже.
Растворяясь в крови угарный газ (имеющий в 300 раз большее сродство к гемоглобину, чем кислород) легко выигрывает конкуренцию у кислорода
и занимает его место в эритроцитах. Отравление угарным газом нередко заканчивается летальным исходом.
Получение
В промышленности угарный газ получают восстановлением оксида углерода IV или газификацией угля (t = 1000 °С).
CO2 + C → (t) CO
C + H2O → (t) CO + H2
В лаборатории угарный газ получают при разложении муравьиной кислоты в присутствии серной:
HCOOH → (H2SO4) CO + H2O
Химические свойства
Полностью окисляется до углекислого газа в реакции с кислородом, восстанавливает оксиды металлов.
CO + O2 → CO2
Fe2O3 + CO → Fe + CO2
FeO + CO → Fe + CO2
Образование карбонилов – чрезвычайно токсичных веществ.
Fe + CO → (t) Fe(CO)5
Оксид углерода IV – CO2
Продукт полного окисления углерода. Относится к кислотным оксидам, соответствует угольной кислоте H2CO3. Бесцветный газ,
без запаха.
Получение
В промышленности углекислый газ получают при разложении известняка, в ходе производства алкоголя, при спиртовом брожении глюкозы.
CaCO3 → (t) CaO + CO2↑
C6H12O6 → C2H5OH + CO2↑
В лабораторных условиях используют реакцию мела (мрамора) с соляной кислотой.
CaCO3 + HCl → CaCl2 + H2O + CO2↑
Углекислый газ образуется при горении органических веществ:
C3H8 + O2 → CO2 + H2O
Химические свойства
- Реакция с водой
- Реакции с основными оксидами и основаниями
- Окислительные свойства
В результате реакции с водой образуется нестойкая угольная кислота, которая сразу же распадается на воду и углекислый газ.
CO2 + H2O ⇄ H2CO3
В ходе реакций с основаниями и основными оксидами углекислый газ образует соли угольной кислоты: средние – карбонаты (при избытке основания),
кислые – гидрокарбонаты (при избытке кислотного оксида).
2KOH + CO2 → K2CO3 + H2O (соотношение основание – кислотный оксид 2:1)
KOH + CO2 → KHCO3 (соотношение основание – кислотный оксид 1:1)
Na2O + CO2 → Na2CO3
При нагревании способен окислять металлы до их оксидов.
Zn + CO2 → (t) ZnO + CO
Угольная кислота
Слабая двухосновная кислота, существующая только в растворах, разлагается на воду и углекислый газ.
Химические свойства
- Качественная реакция
- Средние и кислые соли
- Нагревание солей угольной кислоты
Определить наличие карбонат-иона можно с помощью кислоты: такая реакция сопровождается “закипанием” – появлением пузырьков бесцветного
газа без запаха.
MgCO3 + HCl → MgCl2 + CO2↑ + H2O
Я не раз встречал описание реакций, связанных с этой кислотой, которое заслуживает нашего внимания. В задании было сказано, что
при добавлении к раствору гидроксида кальция углекислого газа осадок появлялся, при дальнейшем пропускании углекислого газа –
помутнение исчезало.
Это можно легко объяснить, вспомнив про способность угольной кислоты образовывать кислые соли, которые растворимы.
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 (осадок выпадает)
CaCO3 + H2O + CO2 → Ca(HCO3)2 (осадок растворяется)
Чтобы сделать из средней соли (карбоната) – кислую соль (гидрокарбонат) нужно добавить угольную кислоту. Однако написать ее формулу
H2CO3 – ошибка. Ее следует записать в виде воды и углекислого газа.
Li2CO3 + CO2 + H2O → LiHCO3 (средняя соль + кислота = кислая соль)
Чтобы вернуть среднюю соль, следует добавить к кислой соли щелочь.
LiHCO3 + LiOH → Li2CO3 + H2O
При нагревании карбонаты распадаются на соответствующий оксид металла и углекислый газ, гидрокарбонаты – на карбонат металла, углекислый газ и воду.
MgCO3 → (t) MgO + CO2
KHCO3 → (t) K2CO3 + CO2↑ + H2O
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2020
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение
(в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов
без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования,
обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Источник
Характеристика углерода. Свойства простых веществ и соединений
Углерод (С) – типичный неметалл; в периодической системе находится в 2-м периоде IV группе, главной подгруппе. Порядковый номер 6, Ar = 12,011 а.е.м., заряд ядра +6.
Физические свойства: углерод образует множество аллотропных модификаций: алмаз – одно из самых твердых веществ, графит, уголь, сажа.
Атом углерода имеет 6 электронов: 1s22s22p2. Последние два электрона располагаются на отдельных р-орбиталях и являются неспаренными. В принципе, эта пара могла бы занимать одну орбиталь, но в таком случае сильно возрастает межэлектронное отталкивание. По этой причине один из них занимает 2рх, а другой, либо 2ру, либо 2рz-орбитали.
Различие энергии s- и р-подуровней внешнего слоя невелико, поэтому атом довольно легко переходит в возбужденное состояние, при котором один из двух электронов с 2s-орбитали переходит на свободную 2р. Возникает валентное состояние, имеющее конфигурацию 1s22s12px12py12pz1. Именно такое состояние атома углерода характерно для решетки алмаза — тетраэдрическое пространственное расположение гибридных орбиталей, одинаковая длина и энергия связей.
Это явление, как известно, называют sp3-гибридизацией, а возникающие функции – sp3-гибридными. Образование четырех sp3-cвязeй обеспечивает атому углерода более устойчивое состояние, чем три р—р- и одна s—s-связи. Помимо sp3-гибридизации у атома углерода наблюдается также sp2— и sp-гибридизация. В первом случае возникает взаимное наложение s- и двух р-орбиталей. Образуются три равнозначные sp2— гибридных орбитали, расположенные в одной плоскости под углом 120° друг к другу. Третья орбиталь р неизменна и направлена перпендикулярно плоскости sp2.
При sp-гибридизации происходит наложение орбиталей s и р. Между двумя образующимися равноценными гибридными орбиталями возникает угол 180°, при этом две р-орбитали у каждого из атомов остаются неизменными.
Аллотрорпия углерода. Алмаз и графит
В кристалле графита атомы углерода расположены в параллельных плоскостях, занимая в них вершины правильных шестиугольников. Каждый из атомов углерода связан с тремя соседними sp2-гибридными связями. Между параллельными плоскостями связь осуществляется за счет ван-дер-ваальсовых сил. Свободные р-орбитали каждого из атомов направлены перпендикулярно плоскостям ковалентных связей. Их перекрыванием объясняется дополнительная π-связь между атомами углерода. Таким образом, от валентного состояния, в котором находятся атомы углерода в веществе, зависят свойства этого вещества.
Химические свойства углерода
Наиболее характерные степени окисления: +4, +2.
При низких температурах углерод инертен, но при нагревании его активность возрастает.
Углерод как восстановитель:
— с кислородом
C0 + O2 –t°= CO2 углекислый газ
при недостатке кислорода — неполное сгорание:
2C0 + O2 –t°= 2C+2O угарный газ
— со фтором
С + 2F2 = CF4
— с водяным паром
C0 + H2O –1200°= С+2O + H2 водяной газ
— с оксидами металлов. Таким образом выплавляют металл из руды.
C0 + 2CuO –t°= 2Cu + C+4O2
— с кислотами – окислителями:
C0 + 2H2SO4(конц.) = С+4O2 + 2SO2 + 2H2O
С0 + 4HNO3(конц.) = С+4O2 + 4NO2 + 2H2O
— с серой образует сероуглерод:
С + 2S2 = СS2.
Углерод как окислитель:
— с некоторыми металлами образует карбиды
4Al + 3C0 = Al4C3
Ca + 2C0 = CaC2-4
— с водородом — метан (а также огромное количество органических соединений)
C0 + 2H2 = CH4
— с кремнием, образует карборунд (при 2000 °C в электропечи):
Si + C = SiC.
Нахождение углерода в природе
Ссвободный углерод встречается в виде алмаза и графита. В виде соединений углерод находится в составе минералов: мела, мрамора, известняка – СаСО3, доломита – MgCO3*CaCO3; гидрокарбонатов – Mg(НCO3)2 и Са(НCO3)2, СО2 входит в состав воздуха; углерод является главной составной частью природных органических соединений – газа, нефти, каменного угля, торфа, входит в состав органических веществ, белков, жиров, углеводов, аминокислот, входящих в состав живых организмов.
Неорганические соединения углерода
Ни ионы С4+ , ни С4- ‑ ни при каких обычных химических процессах не образуются: в соединениях углерода имеются ковалентные связи различной полярности.
Оксид углерода (II) СО
Угарный газ; бесцветный, без запаха, малорастворим в воде, растворим в органических растворителях, ядовит, t°кип = -192°C; t пл. = -205°C.
Получение
1) В промышленности (в газогенераторах):
C + O2 = CO2
CO2 + C = 2CO
2) В лаборатории — термическим разложением муравьиной или щавелевой кислоты в присутствии H2SO4(конц.):
HCOOH = H2O + CO
H2C2O4 = CO + CO2 + H2O
Химические свойства
При обычных условиях CO инертен; при нагревании – восстановитель; несолеобразующий оксид.
1) с кислородом
2C+2O + O2 = 2C+4O2
2) с оксидами металлов
C+2O + CuO = Сu + C+4O2
3) с хлором (на свету)
CO + Cl2 –hn= COCl2(фосген)
4) реагирует с расплавами щелочей (под давлением)
CO + NaOH = HCOONa (формиат натрия)
5) с переходными металлами образует карбонилы
Ni + 4CO –t°= Ni(CO)4
Fe + 5CO –t°= Fe(CO)5
Оксид углерода (IV) СO2
Углекислый газ, бесцветный, без запаха, растворимость в воде — в 1V H2O растворяется 0,9V CO2 (при нормальных условиях); тяжелее воздуха; t°пл.= -78,5°C (твёрдый CO2 называется «сухой лёд»); не поддерживает горение.
Получение
- Термическим разложением солей угольной кислоты (карбонатов). Обжиг известняка:
CaCO3 –t°= CaO + CO2
- Действием сильных кислот на карбонаты и гидрокарбонаты:
CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2
NaHCO3 + HCl = NaCl + H2O + CO2
Химические свойства СO2
Кислотный оксид: реагирует с основными оксидами и основаниями, образуя соли угольной кислоты
Na2O + CO2 = Na2CO3
2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O
NaOH + CO2 = NaHCO3
При повышенной температуре может проявлять окислительные свойства
С+4O2 + 2Mg –t°= 2Mg+2O + C0
Качественная реакция
Помутнение известковой воды:
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3¯(белый осадок) + H2O
Оно исчезает при длительном пропускании CO2 через известковую воду, т.к. нерастворимый карбонат кальция переходит в растворимый гидрокарбонат:
CaCO3 + H2O + CO2 = Сa(HCO3)2
Угольная кислота и её соли
H2CO3 — Кислота слабая, существует только в водном растворе:
CO2 + H2O ↔ H2CO3
Двухосновная:
H2CO3 ↔ H+ + HCO3— Кислые соли — бикарбонаты, гидрокарбонаты
HCO3— ↔ H+ + CO32- Cредние соли — карбонаты
Характерны все свойства кислот.
Карбонаты и гидрокарбонаты могут превращаться друг в друга:
2NaHCO3 –t°= Na2CO3 + H2O + CO2
Na2CO3 + H2O + CO2 = 2NaHCO3
Карбонаты металлов (кроме щелочных металлов) при нагревании декарбоксилируются с образованием оксида:
CuCO3 –t°= CuO + CO2
Качественная реакция — «вскипание» при действии сильной кислоты:
Na2CO3 + 2HCl = 2NaCl + H2O + CO2
CO32- + 2H+ = H2O + CO2
Карбиды
Карбид кальция:
CaO + 3 C = CaC2 + CO
CaC2 + 2 H2O = Ca(OH)2 + C2H2 .
Ацетилен выделяется при реакции с водой карбидов цинка, кадмия, лантана и церия:
2 LaC2 + 6 H2O = 2La(OH)3 + 2 C2H2 + H2.
Be2C и Al4C3 разлагаются водой с образованием метана:
Al4C3 + 12 H2O = 4 Al(OH)3 = 3 CH4.
В технике применяют карбиды титана TiC, вольфрама W2C (твердые сплавы), кремния SiC (карборунд – в качестве абразива и материала для нагревателей).
Цианиды
получают при нагревании соды в атмосфере аммиака и угарного газа:
Na2CO3 + 2 NH3 + 3 CO = 2 NaCN + 2 H2O + H2 + 2 CO2
Синильная кислота HCN – важный продукт химической промышленности, широко применяется в органическом синтезе. Ее мировое производство достигает 200 тыс. т в год. Электронное строение цианид-аниона аналогично оксиду углерода (II), такие частицы называют изоэлектронными:
C=O: [:C=N:]–
Цианиды (0,1-0,2%-ный водный раствор) применяют при добыче золота:
2 Au + 4 KCN + H2O + 0,5 O2 = 2 K[Au(CN)2] + 2 KOH.
При кипячении растворов цианидов с серой или сплавлении твердых веществ образуются роданиды:
KCN + S = KSCN.
При нагревании цианидов малоактивных металлов получается дициан: Hg(CN)2 = Hg + (CN)2. Растворы цианидов окисляются до цианатов:
2 KCN + O2 = 2 KOCN.
Циановая кислота существует в двух формах:
H-N=C=O; H-O-C=N:
В 1828 г. Фридрих Вёлер (1800-1882) получил из цианата аммония мочевину: NH4OCN = CO(NH2)2 при упаривании водного раствора.
Это событие обычно рассматривается как победа синтетической химии над «виталистической теорией».
Существует изомер циановой кислоты – гремучая кислота
H-O-N=C.
Ее соли (гремучая ртуть Hg(ONC)2) используются в ударных воспламенителях.
Синтез мочевины (карбамида):
CO2 + 2 NH3 = CO(NH2)2 + H2O. При 1300С и 100 атм.
Мочевина является амидом угольной кислоты, существует и ее «азотный аналог» – гуанидин.
Карбонаты
Важнейшие неорганические соединения углерода – соли угольной кислоты (карбонаты). H2CO3 – слабая кислота (К1 =1,3·10-4; К2 =5·10-11). Карбонатный буфер поддерживает углекислотное равновесие в атмосфере. Мировой океан обладает огромной буферной емкостью, потому что он является открытой системой. Основная буферная реакция – равновесие при диссоциации угольной кислоты:
H2CO3 ↔ H+ + HCO3— .
При понижении кислотности происходит дополнительное поглощение углекислого газа из атмосферы с образованием кислоты:
CO2 + H2O ↔ H2CO3 .
При повышении кислотности происходит растворение карбонатных пород (раковины, меловые и известняковые отложения в океане); этим компенсируется убыль гидрокарбонатных ионов:
H+ + CO32-↔ HCO3—
CaCO3(тв.) ↔ Ca2+ + CO32-
Твердые карбонаты переходят в растворимые гидрокарбонаты. Именно этот процесс химического растворения избыточного углекислого газа противодействует «парниковому эффекту» – глобальному потеплению из-за поглощения углекислым газом теплового излучения Земли. Примерно треть мирового производства соды (карбонат натрия Na2CO3) используется в производстве стекла.
Источник