Углерод и его соединения Углерод

Углерод и его соединения

Углерод – основа органических, биоорганических соединений и многих полимеров. Большинство соединений углерода относятся к органическим веществам, но в этой работе мы уделим внимание, так называемым, неорганическим соединениям углерода.

Углерод встречается в природе в виде различных аллотропных видоизменений: алмаз, графит, уголь. Также он входит в состав известняка, мрамора, мела, малахита, каменного угля, нефти, природного газа. Углерод является основной частью всех органических веществ, в воздухе в виде углекислого газа.

Особенности строения атомов углерода Разнообразие и многочисленность соединений углерода объясняется строением его атома. В атоме углерода на его внешних четырех атомных орбиталях имеется четыре электрона. И все четыре атомные орбитали принимают участие в образовании химических связей.

Аллотропные видоизменения. АЛМАЗ ГРАФИТ

В частности графит и алмаз – аллотропные модификации с атомными кристаллическими решетками, которые различны по своей структуре. Отсюда различия физических и химических свойств. В алмазе каждый атом углерода связан с четырьмя другими атомами. В пространстве эти атомы располагаются в центре и углах тетраэдров, соединенных своими вершинами. Это очень симметричная и прочная решетка.

В графите соединены между собой три атома, лежащие в одной плоскости. Следовательно, образование этих связей происходит с участием трех атомных орбиталей с тремя электронами. Каждый атом соединен с тремя другими, лежащими в той же плоскости. На образование этих связей затрачивается по три АО с тремя электронами. Четвертая орбиталь с одним электроном располагается перпендикулярно плоскости. Эти оставшиеся атомные орбитали всей сетки перекрываются между собой, образуя зону молекулярных орбиталей. Эта зона занята наполовину, что обеспечивает графиту, в отличие от алмаза, хорошую металлическую

уголь

Также он встречается в составе: известняк МАЛАХИТ

МРАМОР КАМЕННЫЙ УГОЛЬ

нефть

Физические свойства: Алмаз- бесцветное кристаллическое вещество, обладает исключительно твердостью, большой плотностью, используется для резки стекла, бурение горных пород, изготовление бриллиантов, для шлифования материалов. Графит- темно-серое кристаллическое вещество, со слабым металлическим блеском, жирное на ощупь, проводит тепло и электрический ток. Используется в производстве электродов, смазочного материала, в ядерных реакторах.

Тугоплавкость – еще одно уникальное свойство графита, т. к. температура плавления графита пл. выше 3500° С. В природе графит – самое тугоплавкое простое вещество. Большая электрическая проводимость графита объясняется отсутствием на его поверхности какихлибо продуктов взаимодействия с окружающей средой, таких как оксиды на металлах.

Кроме того графит обладает способностью оказывать смазывающее действие на трущиеся поверхности. Объясняется это тем, что в кристалле графита атомы углерода прочно связаны между собой в плоских сетках, а связь между сетками слабая и имеет межмолекулярную природу (как в веществах с молекулярными решетками). Вследствие чего уже небольшие механические усилия вызывают смещение сеток относительно друга. Это обусловливает действие графита, как смазки.

Разновидности угля: А)кокс (используется в металлургии) Б)древесный уголь (используется для получения черного пороха, адсорбент) В)сажа ( используется в производстве резины, черных красок, туши, крема для обуви) Г)ископаемый уголь (каменный, бурый, антрацит)

Химические свойства: 1)взаимодействие с металлами, образуя карбиды 2 4 Al + 3 C Al 4 C 3 - карбид алюминия Ca + C Ca. C 2 - карбид кальция 2) взаимодействие с неметаллами C + O 2 CO 2 2 C + H 2 CH 4 C + 2 S CS 2 - сероуглерод, яд 2 C + N 2 C 2 N 2 - дициан 2 C 2 N 2 + H 2 HNC - синильная кислота , её соли цианиды – сильнейшие яды

3)взаимодействие со сложными веществами 2 Mg. O + C 2 Mg + CO 2 2 Fe 2 O 3 + 3 C 4 Fe + 3 CO 2 4)горение в кислороде C + O 2 CO 2

Получение: Алмаз и графит добывают в природе. Алмаз можно получить из графита. Графит получают из угля и кокса.

Применение: В промышленности углерод (графит) часто используется в качестве смазки. Кроме того на основе графита изготавливают так называемые композиционные материалы, в частности углепластики, в которых волокна графита находятся на матрице из эпоксидной смолы. Коррозионная стойкость графита используется в судостроении.

Эти композиционные материалы широко применяются в авиационной и космической технике. Ведь помимо прочности они легкие. Достаточно сравнить плотность графита, р=2, 3 г/см 3 , с плотностью “легкого” алюминия, р=2, 7 г/см 3, и тем более железа, р=7, 9 г/см 3, чтобы убедиться в ценности этого свойства.

И, конечно, всем известно, что алмазы используются в ювелирной промышленности для изготовления всевозможных украшений, а так же широко применяются в различных отраслях промышленности, где используется их свойство высокой прочности.

Соединения углерода

Оксид углерода является продуктом полного сгорания углерода и содержащих его веществ. В соединениях с кислородом углерод, в зависимости от условий, проявляет валентности +2 и +4. При температуре обычного пламени при горении углеродосодержащих веществ (дрова, уголь, природный газ метан, спирт и др. ) протекает реакция: С + О 2 = СО 2

Оксид углерода (II) СО – угарный газ, без цвета и запаха, не растворяется в воде, не сжижается, сильно ядовит, относится к несолеобразующим оксидам.

Угарный газ поступает в кровь человека в 200 раз быстрее кислорода. Окись углерода «перехватывает инициативу» у кислорода. Он в несколько раз легче и активнее вступает в связь с гемоглобином, переводя его в химический комплекс — карбоксигемоглобин. Гемоглобин в результате этого теряет способность переносить кислород в ткани, особенно в жизненно важные — мозг, легкие, сердце. От недостатка кислорода и наступает удушье.

Симптомы: При содержании 0, 08 % СО во вдыхаемом воздухе человек чувствует головную боль и удушье. При повышении концентрации СО до 0, 32 % возникает паралич и потеря сознания (смерть наступает через 30 минут). При концентрации выше 1, 2 % сознание теряется после 2 -3 вдохов, человек умирает менее чем через 3 минуты.

При лёгком отравлении: появляются головная боль, стук в висках, головокружение, боли в груди, сухой кашель, слезотечение, тошнота, рвота, возможны зрительные и слуховые галлюцинации, покраснение кожных покровов, карминнокрасная окраска слизистых оболочек, тахикардия, повышение артериального давления.

При отравлении средней тяжести: сонливость, возможен двигательный паралич при сохраненном сознании При тяжёлом отравлении: потеря сознания, коматозное состояние судороги, непроизвольное отхождение мочи и кала, нарушение дыхания, которое становится непрерывным, иногда типа Чейна-Стокса, расширение зрачков с ослабленной реакцией на свет, резкий цианоз (посинение) слизистых оболочек и кожи лица. Смерть обычно наступает на месте происшествия в результате остановки дыхания и падения сердечной деятельности.

При выходе из коматозного состояния характерно появление резкого двигательного возбуждения. Возможно повторное развитие комы. Часто отмечаются тяжелые осложнения: нарушение мозгового кровообращения субарахноидальные кровоизлияния полиневриты явления отека мозга нарушение зрения нарушение слуха Возможно развитие инфаркта миокарда Часто наблюдаются кожно-трофические расстройства (пузыри, местные отеки с набуханием и последующим некрозом), миоглобинурийный нефроз. При длительной коме постоянно отмечается тяжелая пневмония.

Первая помощь Убрать пострадавшего из помещения с высоким содержанием угарного газа (заменить дыхательный аппарат). При слабом поверхностном дыхании или его остановке начать искусственное дыхание. Способствуют ликвидации последствий отравления: растирание тела, прикладывание грелки к ногам, кратковременное вдыхание нашатырного спирта (тампон со спиртом должен находиться не ближе, чем 1 см, тампоном нужно помахивать перед носом что очень важно т. к. прикосновении тампона к носу из-за мощного воздействия нашатырного спирта на дыхательный центр может наступить его паралич). Больные с тяжёлым отравлением подлежат госпитализации, так как возможны осложнения со стороны лёгких и нервной системы в более поздние сроки.

Химические свойства: 1)взаимодействие с кислородом 2 СО + О 2 2 СО 2 2)является хорошим восстановителем Fe 2 О 3 + 3 СО 2 Fe + 3 CO 2 3)на свету взаимодействие с хлором СО + Сl 2 COCl 2 – фосген очень сильный яд с характерным запахом, тяжелее воздуха в 4, 5 раза

Получение: В лаборатории: 1)разложение муравьиной кислоты t HCOOH CO + H 2 O 2)взаимодействие угарного газа с раскаленным углем t CO 2 + C 2 CO 3)взаимодействие угля с парами воды t C + H 2 O CO + H 2

Долина смерти На западном склоне вулкана Кихпиныч, где начинаются истоки Гейзерной, расположены Кихпинычевские горячие источники фумарольного типа. Их небольшие термальные площадки прорезаны овражками, на склонах и на дне которых выбиваются слабые струйки кислой горячей воды, пара и газов. Самая нижняя из площадок приобрела зловещую репутацию и название «Долина Смерти» За 5 лет тут погибли 13 медведей, 9 лисиц, 3 росомахи, масса мышей и несколько десятков крупных и мелких птиц. Анализы выходящих из земли газов установили присутствие в них углекислого газа и сероводорода.

Оксид углерода (IV) СО 2 - газ без цвета и запаха, растворяется в воде , легко сжижается, при t – 56 С затвердевает.

Химические свойства: 1)взаимодействие с водой H 2 O + CO 2 H 2 CO 3 – обратимая 2)взаимодействие с растворами щелочей CO 2 + 2 KOH K 2 CO 3 + H 2 O CO 2 + KOH KHCO 3

3)взаимодействие с основным и амфотерным оксидами CO 2 + Ca. O Ca. CO 3 3 CO 2 + Al 2 O 3 Al 2 (CO 3)3 4)CO 2 + 2 Mg. O + C

П олучение: В лабораториях: Ca. CO 3 + 2 HCl Ca. Cl 2 + H 2 O + CO 2

Получение двуокиси углерода В промышленности углекислый газ получают из печных газов, из продуктов разложения природных карбонатов (известняк, доломит). Смесь газов промывают раствором карбоната калия, который поглощает углекислый газ, переходя в гидрокарбонат. Раствор гидрокарбоната при нагревании разлагается, высвобождая углекислоту. При промышленном производстве газ закачивается в баллоны.

Угольная кислота. H 2 CO 3

Слабая двухосновная кислота, которая образуется при растворении оксида углерода СО 2 в воде. Угольная кислота дает два ряда солей: - водорастворимые гидрокарбонаты (Na. HCO 3 – питьевая сода, Na 2 CO 3 – сода, K 2 CO 3 – поташ), - нерастворимые (Mg. CO 3, Ca. CO 3). Реакции образования гидрокарбонатов и карбонатов: CO 2+Na. OH=Na. HCO 3 CO 2+2 Na. OH=Na 2 CO 3+H 2 O

Соли угольной кислоты подвергаются гидролизу. Угольная кислота вытесняется из солей более сильными кислотами: Ca. CO 3+2 HCI=Ca. CI 2+CO 2+H 2 O

Обменные реакции в водном растворе Сода питьевая превращается в "стиральную" - кальцинированную: 2 Na. HCO 3 Na 2 CO 3 + CO 2↑ + H 2 O Уксусная кислота вызывает разрушение карбоната натрия и выделение углекислого газа. Na 2 CO 3 + 2 CH 3 COOH 2 CH 3 COONa + CO 2↑ + H 2 O В воде карбонаты щелочных металлов подвергаются гидролизу – щелочная реакция Na 2 CO 3 + H 2 O Na. HCO 3 + Na. OH

Получение угольной Углекислый газ CO кислоты растворяется в воде. При растворении 2 происходит его частичное взаимодействие с водой с образованием угольной кислоты. CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3 Чтобы заметить появление кислоты, добавим в стакан с водой лакмус. В нейтральной среде лакмус остается фиолетовым. Углекислый газ получаем действием соляной кислоты на мрамор карбонат кальция. Ca. CO 3 + 2 HCl = Ca. Cl 2 + CO 2↑ + H 2 O Направим углекислый газ в стакан с раствором лакмуса. Фиолетовый лакмус становится красным – в стакане с водой появилась кислота.

Применение Карбонаты кальция, магния, бария и др. применяют в строительном деле, в химической промышленности, оптике и др. В технике, промышленности и быту широко применяется сода (Na 2 CO 3 и Na. HCO 3). Кислые карбонаты выполняют важную физиологическую роль, являясь буферными веществами, регулирующими постоянство реакции крови. Применяется при варке мыла, для производства стекла, в текстильной, нефтяной и лакокрасочной промышленности.