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:

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:

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:

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:

Углерод — химический элемент № (6). Он расположен в IVА группе Периодической системы.

C6+6)2e)4e

На внешнем слое атома углерода содержатся четыре валентных электрона, и до его завершения не хватает четырёх электронов. Поэтому в соединениях с металлами углероду характерна степень окисления (–4), а при взаимодействии с более электроотрицательными неметаллами он проявляет положительные степени окисления: ( +2) или (+4).

В природе углерод встречается как в виде простых веществ, так и в виде соединений. В воздухе содержится углекислый газ. В земной коре распространены карбонаты (например, CaCO3 образует мел, мрамор, известняк). Горючие ископаемые (уголь, торф, нефть, природный газ) состоят из органических соединений, главным элементом которых является углерод. 

Углерод относится к жизненно важным элементам, так как входит в состав молекул всех органических веществ.

Углерод образует несколько аллотропных видоизменений, из которых наиболее известны алмаз и графит.

Алмаз имеет атомную кристаллическую решётку. Каждый атом углерода в алмазе связан четырьмя прочными ковалентными связями с соседними атомами, расположенными в вершинах тетраэдра.

Благодаря такому строению алмаз — самое твёрдое из известных природных веществ. Все четыре валентных электрона каждого атома углерода участвуют в образовании связей, поэтому алмаз не проводит электрический ток. Это бесцветное прозрачное кристаллическое вещество, хорошо преломляющее свет.

Графит тоже имеет атомную кристаллическую решётку, но устроена она иначе. Решётка графита слоистая. Каждый атом углерода соединён прочными ковалентными связями с тремя соседними атомами. Образуются плоские слои из шестиугольников, которые между собой связаны слабо. Один валентный электрон у атома углерода остаётся свободным.

Графит представляет собой тёмно-серое вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь. В отличие от алмаза графит непрозрачный, проводит электрический ток и оставляет серый след на бумаге. У графита очень высокая температура плавления ((3700) °С).

Алмаз и графит взаимопревращаемы. При сильном нагревании без доступа воздуха алмаз чернеет и превращается в графит. Графит можно превратить в алмаз при высокой температуре и большом давлении.

Из мельчайших частиц графита состоят сажа, древесный уголь и кокс. Сажа образуется при неполном сгорании топлива. Древесный уголь получают при нагревании древесины без доступа воздуха, а кокс — переработкой каменного угля.

Древесный уголь имеет пористое строение и обладает способностью поглощать газы и растворённые вещества. Такое свойство называется адсорбцией.

Аллотропные модификации углерода в химических реакциях могут проявлять и окислительные, и восстановительные свойства. Окислительные свойства углерода выражены слабее, чем у других неметаллов второго периода (азота, кислорода и фтора).

• Взаимодействие с металлами.

Углерод реагирует с металлами при высокой температуре с образованием карбидов:

4Al0+3C0=tAl+34C−43.

В этой реакции углерод выступает как окислитель.

• Взаимодействие с водородом.

Реакция происходит при сильном нагревании. Образуется метан. Углерод — окислитель.

C0+2H02=tC−4H+14.

• Взаимодействие с кислородом.

Углерод горит в кислороде с образованием углекислого газа и проявляет в этой реакции восстановительные свойства:

C0+O02=tC+4O−22.

• Взаимодействие с оксидами металлов.

Углерод способен восстанавливать металлы из их оксидов:

2Cu+2O+C0=t2Cu0+C+4O2. 

Применение простых веществ

 Алмаз применяется:

• для обработки твёрдых поверхностей;
• для резки стекла;
• для изготовления буров и свёрл;
• для изготовления ювелирных украшений.

Графит используется:

• при изготовлении карандашей;
• как твёрдая смазка в подшипниках;
• для изготовления электродов;
• в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах;
• для получения искусственных алмазов.

Сажа:

• входит в состав типографской краски, крема для обуви;
• используется как наполнитель для производства резины.

Уголь используется:

• в противогазах, промышленных и бытовых фильтрах;
• для очистки сахарного сиропа, спирта и т. д.;
• в медицине.

Кокс применяется в металлургической промышленности.

Химия
9 класс

Строение и свойства атомов. Углерод С — первый элемент главной подгруппы IV группы Периодической системы Д. И. Менделеева. Его атомы содержат на внешнем энергетическом уровне четыре электрона, поэтому они могут принимать четыре электрона, приобретая при этом степень окисления -4, т. е. проявлять окислительные свойства и отдавать свои электроны более электроотрицательным элементам, т. е. проявлять восстановительные свойства, приобретая при этом степень окисления +4.

Углерод — простое вещество. Вы уже знаете, что углерод образует аллотропные модификации — алмаз и графит.

Алмаз — прозрачное кристаллическое вещество, самое твёрдое из всех природных веществ. Он служит эталоном твёрдости, которая по десятибалльной системе оценивается высшим баллом 10. Такая твёрдость алмаза обусловлена особой структурой его атомной кристаллической решётки (рис. 142). В ней каждый атом углерода окружён такими же атомами, расположенными в вершинах правильного тетраэдра.

Рис. 142. Строение алмаза

Кристаллы алмаза обычно бесцветные, но бывают синего, голубого, красного и чёрного цветов. Они имеют очень сильный блеск благодаря высокой светопреломляющей и светоотражающей способности.

Алмазы были известны ещё в древности. Само слово «алмаз» происходит или от арабского алмас, что означает «твердейший», или от греческого слова адамас — «несокрушимый, непреодолимый». Массу алмазов измеряют в каратах, 1 карат соответствует 0,2 г. Огранённые прозрачные алмазы называются бриллиантами. Они украшают короны царей бывшей Российской империи, орден Святого Андрея Первозванного1 (рис. 143).

Рис. 143. Орден Святого Андрея Первозванного

1Звезда восьмилучевая, сплошь усыпана бриллиантами различной величины и украшена тринадцатью мелкими сапфирами.

Крупные алмазы (рис. 144) имеют имена и свою биографию. Самый крупный из найденных алмазов — это «Куллинан» из Южной Африки (3025 каратов). В Алмазном фонде России хранится знаменитый алмаз «Шах» в 87 каратов. Им персидское правительство расплатилось за жизнь погибшего в Тегеране в 1829 г. известного российского писателя и дипломата А. С. Грибоедова.

Рис. 144.
Алмаз «Шах»

Алмазы — это не только ювелирные камни. Благодаря исключительно высокой твёрдости алмазы применяют для изготовления буров, свёрл, шлифовальных инструментов, резки стекла.

Крупнейшие месторождения алмазов находятся в Южной Африке. В России алмазы добывают в Якутии.

Графит — тёмно-серое, жирное на ощупь кристаллическое вещество с металлическим блеском. В отличие от алмаза, графит мягкий (оставляет след на бумаге) и непрозрачный, хорошо проводит теплоту и электрический ток. Мягкость графита обусловлена слоистой структурой (рис. 145). В кристаллической решётке графита атомы углерода, лежащие в одной плоскости, прочно связаны в правильные шестиугольники. Связи между слоями малопрочны. Он очень тугоплавок.

Рис. 145.
Строение графита

Из графита изготовляют электроды (вспомните электролитическое получение алюминия), твёрдые смазки, замедлители нейтронов в ядерных реакторах, стержни для карандашей. При высоких температурах и давлениях из графита получают искусственные алмазы, которые широко применяются в технике.

Сходное с графитом строение имеют сажа и древесный уголь. Древесный уголь получают при сухой перегонке древесины. Благодаря своей пористой поверхности он поглощает газы и растворённые вещества. Такое свойство некоторых веществ называется адсорбцией. Чем больше пористость древесного угля, тем эффективнее адсорбция. Чтобы увеличить поглотительную способность, древесный уголь обрабатывают горячим водяным паром. Обработанный таким способом уголь называют активированным (рис. 146). В медицине активированный уголь (карболен) используют в качестве адсорбирующего средства при отравлениях.

Рис. 146.
Пористая структура активированного угля

Как вы уже знаете, активированный уголь — это основной материал для изготовления бытовых фильтров сорбентного типа (почему эти фильтры так называются?).

Если бросить кусочки активированного угля в колбу с бурым газом NO2, то бурая окраска в колбе исчезнет (рис. 147). На поглотительной способности активированного угля основано действие противогазов — устройств для защиты от вредных примесей, имеющихся в воздухе. Первый противогаз был изобретён выдающимся русским химиком Н. Д. Зелинским и спас жизнь тысячам солдат в период Первой мировой войны.

Рис. 147.
Адсорбция оксида азота (IV) активированным углём

Активированный уголь широко применяют в промышленности для очистки многих продуктов, например спирта от сивушных масел, сахарного сиропа от окрашенных веществ, для улавливания бензина из природных газов. Другие области применения углерода (активированного угля, графита, сажи) вы найдёте на рисунке 148.

Рис. 148.
Применение углерода (активированного угля, графита, сажи, кокса):
1 — составная часть крема для обуви;
2 — адсорбент в противогазах; 3 — наполнитель при производстве резины; 4 — в производстве синтетического бензина; 5 — в медицине; 6 — для получения карбида кальция; 7 — для получения искусственных алмазов; 8 — в металлургии; 9 — для очистки этилового спирта; 10 — для приготовления чёрной краски (картриджи, типографская краска)

Химические свойства углерода. Алмаз и графит соединяются с кислородом при очень высокой температуре. Сажа и уголь взаимодействуют с кислородом гораздо легче, сгорая в нём. Но в любом случае результат такого взаимодействия один — образуется углекислый газ:

С + O2 = СO2

(какие свойства — восстановительные или окислительные — проявляет в этой реакции углерод?).

С металлами углерод при нагревании образует карбиды, например:

(какие свойства проявляет углерод в этой реакции?).

Карбид алюминия — светло-жёлтые прозрачные кристаллы. Вам более известен карбид кальция СаС2 в виде кусков серого цвета. Его применяют газосварщики для получения ацетилена С2Н2:

СаС2 + 2Н2O = Са(ОН)2 + С2Н2↑.

Ацетилен используют для резки и сварки металлов, сжигая его с помощью кислорода в специальных горелках.

Если водой подействовать на карбид алюминия, то получится другой газ — метан СН4:

Аl4С3 + 12Н2O = 4Аl(ОН)3 + ЗСН4↑.

Метан можно получить также синтезом из углерода и водорода при нагревании.

Лабораторный опыт № 36
Горение угля в кислороде

Поместите в ложечку для сжигания веществ кусочек древесного угля и раскалите его на пламени спиртовки. Внесите ложечку с раскалённым углём в колбу с кислородом (с этой целью получите его из пероксида водорода, используя оксид марганца (IV)). Каков характер пламени горящего угля? Запишите уравнение реакции, рассмотрите окислительно-восстановительные процессы.

Если в пробирке прокалить смесь чёрного порошка оксида меди (II) с порошком древесного угля, смесь приобретает красный цвет из-за образовавшейся в результате реакции меди:

(какие свойства проявляет углерод в этой реакции?).

Круговорот углерода в природе. В природе углерод встречается в свободном состоянии (алмаз, графит) и в форме соединений, главным образом карбонатов. Основным карбонатным минералом является кальцит СаСO3, который образует известняк, мел и мрамор.

В атмосфере содержится оксид углерода (IV) СO2 — углекислый газ. Это соединение образуется при дыхании и сгорании топлива, а также при тлении и гниении органических веществ. Поэтому в городской местности, вблизи заводов, фабрик и транспортных магистралей концентрация углекислого газа в воздухе конечно же выше, чем в сельской местности.

Гораздо больше, чем в воздухе, углекислого газа содержится в водах морей и океанов.

Углерод — основная составная часть каменного угля (до 99%), бурого угля (до 72%), а также торфа (до 57%) (рис. 149). Теперь вам очевидно происхождение названия «углерод», т. е. «рождающий уголь». Аналогично и латинское название карбонеум в основе содержит корень карбо — «уголь».

Рис. 149.
Углерод — составная часть:
а — каменного угля; б — бурого угля; в — торфа

Нефть (рис. 150) является смесью соединений углерода, главным образом с водородом. Их так и называют — углеводороды. Понятно, что это в основном жидкие углеводороды.

Рис. 150.
Нефть

Однако в нефти растворены также газообразные и твёрдые углеводороды. Углеводороды являются главной составной частью природного газа.

Углерод — это особый химический элемент. Он основа многообразия органических соединений, из которых построены все живые организмы на нашей планете.

Все перечисленные источники углерода участвуют в круговороте его в природе (рис. 151). Из атмосферы и природных вод углекислый газ поглощается зелёными растениями (фотосинтез), а образующийся в результате дыхания, брожения, гниения СO2 снова поступает в атмосферу и воды морей и океанов.

Рис. 151.
Круговорот углерода в природе

Добываемые из недр земли уголь, нефть и другие углеродсодержащие горючие ископаемые при сжигании выделяют СO2, поступающий в атмосферу. При разрушении горных пород содержащиеся в них металлы при действии атмосферного СO2 образуют осаждающиеся карбонаты.

Большие количества СO2 выделяются при извержении вулканов.

Новые слова и понятия

1. Строение атома и степени окисления углерода —4, +4.
2. Аллотропия углерода: алмаз и графит.
3. Древесный и активированный уголь.
4. Адсорбция, её применение.
5. Химические свойства углерода: взаимодействие с кислородом, металлами, водородом, оксидами металлов.
6. Карбиды кальция и алюминия.
7. Ацетилен и метан.
8. Круговорот углерода в природе.

Задания для самостоятельной работы

1. Сравните строение алмаза и графита и их физические свойства: твёрдость, оптические свойства, электропроводность.
2. Напишите уравнения реакций с участием углерода, которые характеризуют отдельно его восстановительные и окислительные свойства. Рассмотрите окислительно-восстановительные процессы для них.
3. Вспомните из курса биологии, какой период в истории Земли носит название каменноугольного, или карбона. Каково происхождение каменного угля?
4. Почему в домашние холодильники рекомендуют помещать по нескольку таблеток карболена?
5. Напишите уравнения реакций взаимодействия угля с оксидом железа (III) и оксидом олова (IV). Рассмотрите окислительно-восстановительные процессы.
6. При сжигании 8 г угля было получено 10,64 л (н. у.) углекислого газа, что составляет 95% от теоретически возможного. Вычислите массовую долю примесей в угле.
7. При недостатке кислорода углерод взаимодействует с углекислым газом согласно уравнению: С + СO2 = 2СО. Какая форма существования элемента углерода проявляет в этой реакции окислительные свойства, а какая — восстановительные?
8. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

   

   Рассмотрите окислительно-восстановительные процессы.