С какими веществами углерод проявляет восстановительные свойства

Óãëåðîä (Ñ) íàõîäèòñÿ â IV ïîäãðóïïå ïåðèîäè÷åñêîé òàáëèöû Ä.È. Ìåíäåëååâà. Íà âíåøíåì óðîâíå 4 íåñïàðåííûõ ýëåêòðîíà. Óãëåðîä – íåìåòàëë. Îáëàäàåò âîññòàíîâèòåëüíûìè ñâîéñòâàìè.

Àëëîòðîïèÿ óãëåðîäà.

Óãëåðîä ñóùåñòâóåò â íåñêîëüêèõ àëëîòðîïíûõ ìîäèôèêàöèÿõ:

— ãðàôèò (èìååò ñëîèñòóþ ñòðóêòóðó, î÷åíü ïëàñòè÷åí),

— àëìàç (ñàìîå òâåðäîå ñîåäèíåíèå),

— Ñ60 (ôóëëåðåí).

Èç ãðàôèòà ìîæíî ïîëó÷èòü àëìàç ïóòåì äëèòåëüíîãî íàãðåâà ïðè âûñîêèì äàâëåíèåì. È àëìàç è ãðàôèò èìåþò ðàçëè÷íûå êðèñòàëëè÷åñêèå ðåøåòêè, âñëåäñòâèå ÷åãî íàáëþäàþòñÿ ðàçëè÷èÿ â ñâîéñòâàõ.

Õèìè÷åñêèå ñâîéñòâà óãëåðîäà.

1. Âçàèìîäåéñòâèå ñ êèñëîðîäîì:

Ñ + Î2 + ÑÎ2,

 íåäîñòàòêå êèñëîðîäà îáðàçóþòñÿ ìîíîîêñèäû:
 

2Ñ +Î2 = 2ÑÎ,

2. Ñî ñëîæíûìè âåùåñòâàìè:
 

Ñ + Î2 = 2ÑÎ,

Ñ + ÑÎ2 = 2ÑÎ,

3. Ïðè îáû÷íîé òåìïåðàòóðå âçàèìîäåéñòâóåò ñî ôòîðîì, ïðè íàãðåâàíèè – ñ õëîðîì, ñåðîé è àçîòîì:

4C + S8 = 4CS2,

2C + N2 = C2N2,

Ñ êðåìíèåì óãëåðîä îáðàçóåò êàáðîðóíä – ñîåäèíåíèå ïî òâåðäîñòè ñðàâíèìîå ñ àëìàçîì:

Si + C = SiC,

4. Ðàçáàâëåííûå êèñëîòû íå äåéñòâóþò íà óãëåðîä, à êîíöåíòðèðîâàííûå îêèñëÿþò:

C + 2H2SO4 = CO2 + 2SO2 + 2H2O,

5. Óãëåðîä ó÷àñòâóåò â ðåàêöèÿõ â êà÷åñòâå âîññòàíîâèòåëÿ:
 

CuO + C = C + CO,

6. Ïðè íàãðåâå âçàèìîäåéñòâóåò ñ îêñèäàìè àêòèâíûõ ìåòàëëîâ, îáðàçóÿ êàðáèäû:
 

CaO + 3C = CaC2 + CO,

7. Ïðè âçàèìîäåéñòâèè ñ ìåòàëëàìè óãëåðîä âûñòóïàåò â êà÷åñòâå îêèñëèòåëÿ:

Ca + 2C = CaC2.

Углерод (химический символ — C) — химический элемент 4-ой группы главной подгруппы 2-го периода периодической системы Менделеева, порядковый номер 6, атомная масса природной смеси изотопов 12,0107 г/моль.

При обычных температурах углерод химически инертен, при достаточно высоких соединяется со многими элементами, проявляет сильные восстановительные свойства. Химическая активность разных форм углерода убывает в ряду: аморфный углерод, графит, алмаз, на воздухе они воспламеняются при температурах соответственно выше 300—500 °C, 600—700 °C и 850—1000 °C.

Изотопы:
Природный углерод состоит из двух стабильных изотопов — 12С (98,892 %) и 13С (1,108 %) и одного радиоактивного изотопа 14С (β-излучатель, Т½= 5730 лет) , сосредоточенного в атмосфере и верхней части земной коры. Он постоянно образуется в нижних слоях стратосферы в результате воздействия нейтронов космического излучения на ядра азота по реакции: 14N (n, p) 14C, а также, с середины 1950-х годов, как техногенный продукт работы АЭС и в результате испытания водородных бомб.
На образовании и распаде 14С основан метод радиоуглеродного датирования, широко применяющийся в четвертичной геологии и археологии.

Аллотропия:
Электронные орбитали атома углерода могут иметь различную геометрию, в зависимости от степени гибридизации его электронных орбиталей. Существует три основных геометрии атома углерода.

— тетраэдрическая, образуется при смешении одного s- и трех p-электронов (sp3-гибридизация) . Атом углерода находится в центре тетраэдра, связан четырьмя эквивалентными σ-связями с атомами углерода или иными в вершинах тетраэдра. Такой геометрии атома углерода соответствуют аллотропные модификации углерода алмаз и лонсдейлит. Такой гибридизацией обладает углерод, например, в метане и других углеводородах.

— тригональная, образуется при смешении одной s- и двух p-электронных орбиталей (sp²-гибридизация) . Атом углерода имеет три равноценные σ-связи, расположенные в одной плоскости под углом 120° друг к другу. Не участвующая в гибридизации p-орбиталь, расположенная перпендикулярно плоскости σ-связей, используется для образования π-связи с другими атомами. Такая геометрия углерода характерна для графита, фенола и др.
— дигональная, образуется при смешении одного s- и одного p-электронов (sp-гибридизация) . При этом два электронных облака вытянуты вдоль одного направления и имеют вид несимметричных гантелей. Два других р-электрона дают π-связи. Углерод с такой геометрией атома образует особую аллотропную модификацию — карбин.

Степени окисления +4, −4, редко +2 (СО, карбиды металлов) , +3 (C2N2, галогенцианы) ; сродство к электрону 1,27 эВ; энергия ионизации при последовательном переходе от С0 к С4+ соответственно 11,2604, 24,383, 47,871 и 64,19 эВ.

Химические свойства углерода
Взаимодействие с фтором
Углерод обладает низкой реакционной способностью, из галогенов реагирует только с фтором:

С + 2F2 = CF4.

Взаимодействие с кислородом
При нагревании взаимодействует с кислородом:

2С + О2 = 2СО,

С + О2 = СО2,

образуя оксиды СО и СО2.

Взаимодействие с другими неметаллами
Реагирует с серой:

С + 2S = CS2.

не взаимодействует с азотом и фосфором.

Реагирует с водородом в присутствии никелевого катализатора, образуя метан:

C + 2H2 = CH4.

Взаимодействие с металлами
Способен взаимодействовать с металлами, образуя карбиды:
Ca + 2C = CaC2.

Взаимодействие с водой
При пропускании водяных паров через раскаленный уголь образуется оксид углерода (II) и водород:
C + H2O = CO + H2.

Восстановительные свойства
Углерод способен восстанавливать многие металлы из их оксидов:
2ZnO + C = 2Zn + CO2.

Концентрированные серная и азотная кислоты при нагревании окисляют углерод до оксида углерода (IV):

C + 2H2SO4 = CO2 + 2SO2 + 2H2O;
C + 4HNO3 = CO2 + 4NO2 + 2H2O.

IIA группа содержит только металлы – Be (бериллий), Mg (магний), Ca (кальций), Sr (стронций), Ba (барий) и Ra (радий). Химические свойства первого представителя этой группы — бериллия — наиболее сильно отличаются от химических свойств остальных элементов данной группы. Его химические свойства во многом даже более схожи с алюминием, чем с остальными металлами IIA группы (так называемое «диагональное сходство»). Магний же по химическим свойствами тоже заметно отличается от Ca, Sr, Ba и Ra, но все же имеет с ними намного больше сходных химических свойств, чем с бериллием. В связи со значительным сходством химических свойств кальция, стронция, бария и радия их объединяют в одно семейство, называемое щелочноземельными металлами.

Все элементы IIA группы относятся к s-элементам, т.е. содержат все свои валентные электроны на s-подуровне. Таким образом, электронная конфигурация внешнего электронного слоя всех химических элементов данной группы имеет вид ns2 , где n – номер периода, в котором находится элемент.

Вследствие особенностей электронного строения металлов IIA группы, данные элементы, помимо нуля, способны иметь только одну единственную степень окисления, равную +2. Простые вещества, образованные элементами IIA группы, при участии в любых химических реакциях способны только окисляться, т.е. отдавать электроны:

Ме0 – 2e— → Ме+2

Кальций, стронций, барий и радий обладают крайне высокой химической активностью. Простые вещества, образованные ими, являются очень сильными восстановителями. Также сильным восстановителем является магний. Восстановительная активность металлов подчиняется общим закономерностям периодического закона Д.И. Менделеева и увеличивается вниз по подгруппе.

Взаимодействие с простыми веществами

с кислородом

Без нагревания бериллий и магний не реагируют ни с кислородом воздуха, ни с чистым кислородом ввиду того, что покрыты тонкими защитными пленками, состоящими соответственно из оксидов BeO и MgO. Их хранение не требует каких-либо особых способов защиты от воздуха и влаги, в отличие от щелочноземельных металлов, которые хранят под слоем инертной по отношению к ним жидкости, чаще всего керосина.

Be, Mg, Ca, Sr при горении в кислороде образуют оксиды состава MeO, а Ba – смесь оксида бария (BaO) и пероксида бария (BaO2):

2Mg + O2 = 2MgO

2Ca + O2 = 2CaO

2Ba + O2 = 2BaO

Ba + O2 = BaO2

Следует отметить, что при горении щелочноземельных металлов и магния на воздухе побочно протекает также реакция этих металлов с азотом воздуха, в результате которой, помимо соединений металлов с кислородом, образуются также нитриды c общей формулой Me3N2.

с галогенами

Бериллий реагирует с галогенами только при высоких температурах, а остальные металлы IIA группы — уже при комнатной температуре:

Мg + I2 = MgI2 – иодид магния

Са + Br2 = СаBr2 –  бромид кальция

Ва + Cl2 = ВаCl2 – хлорид бария

с неметаллами IV–VI групп

Все металлы IIA группы реагируют при нагревании со всеми неметаллами IV–VI групп, но в зависимости от положения металла в группе, а также активности неметаллов требуется различная степень нагрева. Поскольку бериллий является среди всех металлов IIA группы наиболее химически инертным, при проведении его реакций с неметаллами требуется существенно большая температура.

Следует отметить, что при реакции металлов с углеродом могут образовываться карбиды разной природы. Различают карбиды, относящиеся к метанидам и условно считающимися производными метана, в котором все атомы водорода замещены на металл. Они так же, как и метан, содержат углерод в степени окисления -4, и при их гидролизе или взаимодействии с кислотами-неокислителями одним из продуктов является метан. Также существует другой тип карбидов – ацетилениды, которые содержат ион C22-, фактически являющийся фрагментом молекулы ацетилена. Карбиды типа ацетиленидов при гидролизе или взаимодействии с кислотами-неокислителями образуют ацетилен как один из продуктов реакции. То, какой тип карбида – метанид или ацетиленид — получится при взаимодействии того или иного металла с углеродом, зависит от размера катиона металла. С ионами металлов, обладающих малым значением радиуса, образуются, как правило, метаниды, с ионами более крупного размера – ацетилениды. В случае металлов второй группы метанид получается при взаимодействии бериллия с углеродом:

Остальные металлы II А группы образуют с углеродом ацетилениды:

С кремнием металлы IIA группы образуют силициды — соединения вида Me2Si, с азотом – нитриды (Me3N2), фосфором – фосфиды (Me3P2):

с водородом

Все щелочноземельные металлы реагируют при нагревании с водородом. Для того чтобы магний прореагировал с водородом, одного нагрева, как в случае со щелочноземельными металлами, недостаточно, требуется, помимо высокой температуры, также и повышенное давление водорода. Бериллий не реагирует с водородом ни при каких условиях.

Взаимодействие со сложными веществами

с водой

Все щелочноземельные металлы активно реагируют с водой с образованием щелочей (растворимых гидроксидов металлов) и водорода. Магний реагирует с водой лишь при кипячении вследствие того, что при нагревании в воде растворяется защитная оксидная пленка MgO. В случае бериллия защитная оксидная пленка очень стойкая: с ним вода не реагирует ни при кипячении, ни даже при температуре красного каления:

c кислотами-неокислителями

Все металлы главной подгруппы II группы реагируют с кислотами-неокислителями, поскольку находятся в ряду активности левее водорода. При этом образуются соль соответствующей кислоты и водород. Примеры реакций:

Ве + Н2SO4(разб.) = BeSO4 + H2↑

Mg + 2HBr = MgBr2 + H2↑

Ca + 2CH3COOH = (CH3COO)2Ca + H2↑

c кислотами-окислителями

− разбавленной азотной кислотой

С разбавленной азотной кислотой реагируют все металлы IIA группы. При этом продуктами восстановления вместо водорода (как в случае кислот-неокислителей) являются оксиды азота, преимущественно оксид азота (I) (N2O), а в случае сильно разбавленной азотной кислоты – нитрат аммония (NH4NO3):

4Ca + 10HNO3(разб.) = 4Ca(NO3)2 + N2O↑ + 5H2O

4Mg + 10HNO3(сильно разб.) = 4Mg(NO3)2 + NН4NO3 + 3H2O

− концентрированной азотной кислотой

Концентрированная азотная кислота при обычной (или низкой) температуре пассивирует бериллий, т.е. в реакцию с ним не вступает. При кипячении реакция возможна и протекает преимущественно в соответствии с уравнением:

Магний и щелочноземельные металлы реагируют с концентрированной азотной кислотой с образованием большого спектра различных продуктов восстановления азота.

− концентрированной серной кислотой

Бериллий пассивируется концентрированной серной кислотой, т.е. не реагирует с ней в обычных условиях, однако реакция протекает при кипячении и приводит к образованию сульфата бериллия, диоксида серы и воды:

Be + 2H2SO4 → BeSO4 + SO2↑+ 2H2O

Барий также пассивируется концентрированной серной кислотой вследствие образования нерастворимого сульфата бария, но реагирует с ней при нагревании, сульфат бария растворяется при нагревании в концентрированной серной кислоте благодаря его превращению в гидросульфат бария.

Остальные металлы главной IIA группы реагируют с концентрированной серной кислотой при любых условиях, в том числе на холоду. Восстановление серы происходит преимущественно до сероводорода:

4Mg + 5H2SO4(конц.) = 4MgSO4 + H2S↑ + 4H2O

с щелочами

Магний и щелочноземельные металлы со щелочами не взаимодействуют, а бериллий легко реагирует как растворами щелочей, так и с безводными щелочами при сплавлении. При этом при осуществлении реакции в водном растворе в реакции участвует также и вода, а продуктами являются тетрагидроксобериллаты щелочных или щелочноземельных металлов и газообразный водород:

Be + 2KOH + 2H2O = H2↑ + K2[Be(OH)4] — тетрагидроксобериллат калия

При осуществлении реакции с твердой щелочью при сплавлении образуются бериллаты щелочных или щелочноземельных металлов и водород

Be + 2KOH = H2↑+ K2BeO2 — бериллат калия

с оксидами

Щелочноземельные металлы, а также магний могут восстанавливать менее активные металлы и некоторые неметаллы из их оксидов при нагревании, например:

Метод восстановления металлов из их оксидов магнием называют магниетермией.