Презентация "Углерод и его соединения"

Строение атома углерода

Степени окисления атома углерода — от -4 до +4. Характерные степени окисления -4, 0, +2, +4.

Аллотропные модификации углерода

Алмаз — это модификация углерода с атомной кристаллической решеткой. Алмаз — самое твердое минеральное кристаллическое вещество, прозрачное, плохо проводит электрический ток и тепло. Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии sp3-гибридизации.

Графит — это аллотропная модификация, в которой атомы углерода находятся в состоянии sp2-гибридизации. При этом атомы связаны в плоские слои, состоящие из шестиугольников, как пчелиные соты. Слои удерживаются между собой слабыми связями. Графит — мягкое вещество серо-стального цвета, с металлическим блеском. Хорошо проводит электрический ток. Жирный на ощупь.

Фуллере́ны— молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода. Своим названием эти соединения обязаны инженеру и дизайнеру Ричарду Бакминстеру Фуллеру.

Карбин представляет собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета (плотность 1,9-2 г/см³), обладает полупроводниковыми свойствами. Получен в искусственных условиях из длинных цепочек атомов углерода, уложенных параллельно друг другу. Карбин — линейный полимер углерода.

Кристаллы толщиной в один атом или одну молекулу - графен, созданный Геймом и его коллегами, "тверже и прочнее алмаза, но растягивается на четверть своей длины, точно резина", поясняет ученый. Графен не пропускает газы и жидкости, проводит тепло и электричество лучше, чем медь. Графеновые транзисторы работают быстрее кремниевых.

Химические свойства углерода

При нормальных условиях углерод существует, как правило, в виде атомных кристаллов (алмаз, графит), поэтому химическая активность углерода — невысокая.
Из галогенов углерод при комнатной температуре реагирует с фтором с образованием фторида углерода:
C  +  2F2  → CF4
При сильном нагревании углерод реагирует с серой и кремнием с образованием бинарного соединения сероуглерода и карбида кремния соответственно:
C   +   2S   → CS2
C   +   Si   → SiC
Углерод не взаимодействует с фосфором.

При взаимодействии углерода с водородом образуется метан. Реакция идет в присутствии катализатора (никель) и при нагревании:
С   +   2Н2  →   СН4
С азотом углерод реагирует при действии электрического разряда, образуя дициан:
2С  + N2  →  N≡C–C≡N
В реакциях с активными металлами углерод проявляет свойства окислителя. При этом образуются карбиды:
4C   +   3Al → Al4C3
2C   +   Ca → CaC2

При нагревании с избытком воздуха графит горит, образуя оксид углерода (IV):
C  +   O2  →  CO2
 при недостатке кислорода образуется угарный газ СО:
2C  +   O2  →  2CO

Горение алмаза https://chemege.ru/carbon/

Углерод взаимодействует со сложными веществами:
Раскаленный уголь взаимодействует с водяным паром с образованием угарного газа и водорода:
C0 + H2+O → C+2O + H20
Углерод восстанавливает многие металлы из основных и амфотерных оксидов. При этом образуются металл и угарный газ. Получение металлов из оксидов с помощью углерода и его соединений называют пирометаллургией.
ZnO + C → Zn + CO
Также углерод восстанавливает железо из железной окалины:
4С + Fe3O4 → 3Fe + 4CO

При взаимодействии с оксидами активных металлов углерод образует карбиды.
Например, углерод взаимодействует с оксидом кальция с образованием карбида кальция и угарного газа. Таким образом, углерод диспропорционирует в данной реакции:
3С    +   СаО   →  СаС2   +   СО
9С    +   2Al2O3  →   Al4C3   +   6CO
Концентрированная серная кислота окисляет углерод при нагревании.
C +2H2SO4(конц) → CO2 + 2SO2 + 2H2O
Концентрированная азотная кислотой окисляет углерод также при нагревании.
C +4HNO3(конц) → CO2 + 4NO2 + 2H2O

Углерод проявляет свойства восстановителя и при сплавлении с некоторыми солями, в которых содержатся неметаллы с высокой степенью окисления.
Например, углерод восстанавливает сульфат натрия до сульфида натрия:
4C   +   Na2SO4  →   Na2S   +   4CO

Оксид углерода (II)

Оксид углерода (II) («угарный газ») –  это газ без цвета и запаха. Сильный яд. Небольшая концентрация угарного газа в воздухе может вызвать сонливость и головокружение. Большие концентрации угарного газа вызывают удушье.
Строение молекулы оксида углерода (II) – линейное. Между атомами углерода и кислорода образуется тройная связь, за счет дополнительной донорно-акцепторной связи:

Химические свойства оксида углерода (II)

Оксид углерода (II) –  несолеобразующий оксид. За счет углерода со степенью окисления +2 проявляет восстановительные свойства.
Угарный газ горит в атмосфере кислорода. Пламя окрашено в синий цвет:
2СO +  O2 → 2CO2
Оксид углерода (II) окисляется хлором в присутствии катализатора или под действием света с образованием фосгена. Фосген – ядовитый газ.
CO   +   Cl2 → COCl2

Угарный газ взаимодействует с водородом при повышенном давлении. Смесь угарного газа и водорода называется синтез-газ. В зависимости от условий из синтез-газа можно получить метанол, метан, или другие углеводороды.
Например, под давлением больше 20 атмосфер, при температуре 350°C и под действием катализатора угарный газ реагирует с водородом с образованием метанола:
СО + 2Н2 → СН3ОН
Под давлением оксид углерода (II) реагирует с щелочами. При этом образуется формиат – соль муравьиной кислоты.
CO + NaOH → HCOONa

Оксид углерода (II) восстанавливает металлы из оксидов.
3CO  + Fe2O3  →  2Fe   + 3CO2
СО +  CuO  →  Cu    + CO2
СО +  NiO   →  Ni  + CO2
Угарный газ окисляется и другими сильными окислителями до углекислого газа или карбонатов.
CO   +   Na2O2 → Na2CO3