Органічне життя на Землі представлена сполуками вуглецю. Елемент входить до складу головних компонентів клітинних структур: білків, вуглеводів і жирів, а також складає основу речовини спадковості – дезоксирибонуклеїнової кислоти. В неорганічній природі карбон є одним з найпоширеніших елементів, які утворюють земну кору і атмосферу планети. Органічна хімія як розділ хімічної науки повністю присвячений властивостям хімічного елемента вуглецю і його сполук. Наша стаття розгляне фізико-хімічну характеристику карбону і особливості його властивостей.
Місце елемента в періодичній системі Менделєєва
Підгрупа вуглецю – це головна підгрупа IV групи, в яку, крім карбону, входять також кремній, германій, олово і свинець. Всі перераховані елементи мають однакову будову зовнішнього енергетичного рівня, на якому розташовані чотири електрона. Це обумовлює схожість їх хімічних властивостей. У звичайному стані елементи підгрупи двухвалентны, а коли їх атоми переходять у збуджений стан, вони проявляють валентність дорівнює 4. Фізичні та хімічні властивості вуглецю залежать від стану електронних оболонок його атома. Так, у реакції з киснем елемент, частинки якого знаходяться в збудженому стані, утворює стійкий оксид CO. Атоми ж вуглецю в збудженому стані окислюється до діоксиду вуглецю, який проявляє кислотні властивості.
Форми вуглецю в природі
Алмаз, графіт і карбін – це три аллотропних видозміни вуглецю як простої речовини. Прозорі кристали з високим ступенем заломлення світлових променів, які є найбільш стійкими сполуками в природі – це алмази. Вони погано проводять тепло і є діелектриками. Кристалічна решітка – атомна, дуже міцна. У ній кожен атом елемента оточений чотирма іншими частинками, утворюючи правильний тетраедр.
Зовсім інші фізико-хімічні властивості вуглецю, що утворює графіт. Це жирна на дотик кристалічна речовина темно–сірого кольору. Має пошарову структуру, відстані між шарами атомів досить великі, тоді як їх сили тяжіння слабкі. Тому при натисканні на графітовий стрижень речовина розшаровується на тонкі лусочки. Вони залишають на папері темний слід. Графіт теплопроводен і трохи поступається металів в електропровідності.
Здатність проводити електричний струм пояснюється будовою речовини кристала. В ньому частки карбону зв’язуються з трьома іншими за допомогою міцних ковалентних хімічних зв’язків. Четвертий валентний електрон кожного атома залишається вільним і здатний пересуватися в товщі речовини. Спрямований рух негативно заряджених частинок і обумовлює появу електричного струму. Сфери застосування графіту різноманітні. Так, його використовують для виготовлення електродів в електротехніці і для проведення процесу електролізу, за допомогою якого отримують, наприклад, лужні метали в чистому вигляді. Графіт знайшов застосування в ядерних реакторах для контролю швидкості проходять у них ланцюгових реакцій у якості сповільнювача нейтронів. Відомо застосування речовини як грифельних стрижнів або мастила до тертьових частин механізмів.
Що таке карбін?
Чорний кристалічний порошок зі скляним блиском – це карбін. Він був синтезований в середині XX століття в Росії. Речовина перевершує графіт по твердості, хімічно пасивно, має властивості напівпровідника і є самим стабільним видозміни карбону. З’єднання є більш міцним, ніж графіт. Існують ще й такі форми вуглецю, хімічні властивості яких відрізняються між собою. Це сажа, деревне вугілля і кокс.
Різні характеристики аллотропних модифікацій вуглецю пояснюються будовою їх кристалічних решіток. Він являє собою тугоплавке речовина без кольору і запаху. В органічних розчинниках не розчиняється, зате здатний утворювати тверді розчини – сплави, наприклад, з залізом.
Хімічні властивості вуглецю
В залежності від того, з якою речовиною карбон реагує, він може виявляти суперечливі властивості: як відновника, так і окислювача. Наприклад, сплавляючи кокс з металами, отримують їх з’єднання – карбіди. В реакції з воднем утворюються вуглеводні. Це органічні сполуки, наприклад, метан, етилен, ацетилен, в яких, як і у випадку з металами, карбон має ступінь окислювання, рівну -4. Відновлювальні хімічні реакції вуглецю, властивості якого ми вивчаємо, проявляються під час його взаємодії з киснем, галогенами, водою, основними оксидами.
Оксиди карбону
Спалюючи вугілля на повітрі з низьким вмістом кисню, отримують чадний газ – оксид двовалентного карбону. Він безбарвний, не має запахи і сильно токсичний. З’єднуючись з гемоглобіном крові в процесі дихання, окис вуглецю розноситься по всьому людському організму, викликаючи отруєння, а потім смерть від задухи. У класифікації речовина займає місце байдужих оксидів, не реагує з водою, йому не відповідає ні підстави, ні кислота. Хімічні властивості вуглецю, має валентність, рівну 4, відрізняються від раніше розглянутої характеристики.
Вуглекислий газ
Безбарвне газоподібна речовина при температурі 15 і тиску в одну атмосферу переходить в тверду фазу. Вона називається сухим льодом. Молекули CO2 неполярні, хоча ковалентний зв’язок між атомами кисню і карбону полярна. З’єднання відноситься до кислотних оксидам. Взаємодіючи з водою, воно утворює карбонатну кислоту. Відомі реакції між вуглекислим газом і простими речовинами: металами і неметалами, наприклад, з магнієм, кальцієм або коксом. В них він грає роль окислювача.
Якісна реакція на діоксид карбону
Щоб переконатися, що досліджуваний газ дійсно є окисом вуглецю CO2, неорганічної хімії проводять наступний досвід: речовина пропускають через прозорий розчин вапняної води. Спостереження помутніння розчину внаслідок випадання білого осаду карбонату кальцію підтверджує присутність в суміші реагентів молекул діоксиду карбону. При подальшому пропусканні газу через розчин гідроксиду кальцію осад CaCO3 розчиняється внаслідок його перетворення в гідрокарбонат кальцію – водорозчинну сіль.
Роль вуглецю в доменному процесі
Хімічні властивості вуглецю використовуються у промисловому виробництві заліза з його руд: магнітного, червоного або бурого залізняку. Головними серед них будуть відновлювальні властивості вуглецю і оксидів – чадного та вуглекислого газу. Процеси, що відбуваються в домні, можна представити у вигляді такої послідовності реакцій:
- Спочатку кокс згоряє в потоці повітря, розпеченого до 1 850 °C з утворенням вуглекислого газу: С + О2 = СО2.
- Проходячи через гарячий вуглець, він відновлюється до монооксиду карбону: СО2 + С = 2СО.
- Чадний газ реагує з залізняком, в результаті отримуємо оксид заліза: 3Fe2O3 + ЗІ = 2Fe3O4 + СО2 ↑, fe 3 o 4 + З = 3FeO + СО2 ↑.
- Реакція отримання заліза буде мати наступний вигляд: FeO + ЗІ = Fe + CO2
Розплавлене залізо розчиняє в собі суміш вуглецю і чадного газу, виходить речовина – цементит.
Чавун, виплавлений в домні, крім заліза, містять до 4,5 % вуглецю і інші домішки: марганець, фосфор, сірку. Сталь, яка відрізняється від чавуну рядом ознак, наприклад, здатність до прокатыванию і куванні, має у своєму складі всього від 0,3 до 1,7 % карбону. Сталеві вироби знайшли широке застосування практично у всіх галузях промисловості: машинобудуванні, металургії, медицині.
У нашій статті ми з’ясували, які хімічні властивості вуглецю і його сполук використовуються в різних сферах людської діяльності.
