Карбон - Елементи IV групи - Неметалічні елементи та їх сполуки
РОЗДІЛ II. НЕОРГАНІЧНА ХІМІЯ
9. Неметалічні елементи та їх сполуки. Неметали
9.5. Елементи IVгрупи
Карбон – елемент 2-го періоду, IV групи. 6-й елемент періодичної таблиці (заряд ядра +6. Хімічний символ – С. Відносна атомна маса – 12, молярна маса – 12 г/моль.
Природний Карбон складається з двох стабільних ізотопів – 12 С (98,93 %) та 13 С (1,07 %) та одного радіоактивного – 14 С (10 –10 %), який утворюється в атмосфері (на висоті 12-15 км) . На освіті та розпаді 14 С (Т1/2 = 5700 років) заснований метод радіо-вуглецевого аналізу 1 .
Електронна формула атома Вуглецю - 1 s 2 2 s 2 2 p 2 . У сполуках виявляє валентність II, IV (у більшості сполук), а в молекулі чадного газу СО Карбон є тривалентним (за рахунок донорно-акцепторного зв'язку):
Поширеність у природі
Карбон у природі існує у вільному стані та у вигляді сполук. У вільному стані – це прості речовини алмаз та графіт. У зв'язаному стані (0,1% маси земної кори) – у вигляді карбонатів. Найважливіші з них: кальцій карбонат СаС O 3 який становить основу кальциту, вапняку 2 крейди, мармуру, доломіту СаСО3 · MgCO 3 ; магнезит MgCO 3 малахіт (З uO Н)2С O 3 .
Карбон - основна складова антрациту (94-97 %), кам'яного (76-95 %) і бурого вугілля (64-80 %), горючих сланців (56-78 %), нафти (82-87 %), горючих природних газів (До 99% метану), торфу (53-56%), бітумів та ін.
Сучасна атмосфера містить 0,03% (за обсягом) вуглекислого газу З O 2 , а в Світовому океані - у 60 разів більше (у розчиненому стані та у вигляді карбонатів та гідрогенкарбонатів, що зумовлює тимчасову жорсткість води). Атмосфера Венери складається на 97% з карбон(ІV) оксиду.
Цей елемент завдяки здатності утворювати хімічні зв'язки різного типу (одинарні, подвійні, потрійні) та стабільності його сполук становить основу живої природи: атоми Вуглецю входять до складу всіх органічних речовин. Карбон становить близько 18% маси рослин та тварин. В організмі людини масова частка Карбону – 21 % (становить % маси м'язів та Уз маси кісткової тканини). Карбонати Кальція та Магнію є основою зовнішнього та внутрішнього скелета багатьох видів тварин.
Фізичні властивості простих речовин
Існує кілька простих речовин, що складаються з атомів Карбону. їхня загальна хімічна назва - вуглець.
Карбон має властивість утворювати ланцюги, цикли, сітки, складні просторові фігури. Завдяки цьому Карбон – елемент з найбільшою кількістю алотропічних модифікацій: алмаз, лондедейліт, графіт, карбін, фулерен, нанотрубка та нановолокно, нанопіна тощо.
Алмаз – прозорий безбарвний (іноді з жовтим, коричневим, червоним, зеленим, синім відтінком, навіть до чорноти; штучний алмаз має чорний колір) дуже твердий кристал. Алмаз - найтвердіша 3 природна речовина (до 1966 p.). Виняткова твердість алмазу пояснюється будовою його кристалічних ґрат: всі 4 електрони кожного атома Вуглецю в алмазі утворюють міцні ковалентні зв'язки з іншими атомами Вуглецю. Осередок атомних кристалічних грат має тетраедричну структуру. Відстані між атомами Вуглецю однакові. Діамант не проводить електричного струму, оскільки в його кристалічних решітках немає вільних електронів. Ограновані та відшліфовані кристали алмазу називають діамантами. При температурі 1000 °С, якщо немає кисню, поступово перетворюється на графіт.
На малюнку зображено кристалічні структури алотропнихмодифікацій Вуглецю: а) алмазу; б) графіту; в) лонсдейліту; г) карбіну; т) фулерену С60; д) аморфного вуглецю;
Лонсдейліт (гексагональний алмаз) – алотропічна модифікація Вуглецю, відкрита у 1966 році. Дещо відрізняється будовою від алмазу і на 58% твердіше за нього (№ 11 за шкалою Моосу).
Графіт - мінерал із класу самородних елементів, темно-сіра кристалічна тугоплавка речовина з металевим блиском, має складну шарувату (лускоподібну) структуру. Зв'язки між атомами Вуглецю в одному шарі значно міцніші, ніж між атомами в різних шарах. Кожен атом вуглецю в кристалічних ґратах утворює три міцні ковалентні зв'язки з іншими атомами, які розміщені в тому ж шарі. Четвертий електрон кожного атома Вуглецю, що не бере участі в утворенні цих зв'язків, залишається вільним та обумовлює електропровідність графіту (напівметал, неметал). Відстань між шарами значно більша, ніж відстань між атомами Вуглецю, які розміщуються в одному шарі.
Карбін - дрібнокристалічний порошок чорного кольору, за своїми властивостями подібний до графіту. Природний полімер (зустрічається у вигляді мінералу чаоїту) з довгими лінійними молекулами. Ланцюжки з атомів Вуглецю складаються з фрагментів з подвійним (=С=С=С=С=) або потрійним (-С≡С-С≡С - ) зв'язком. Напівпровідник, провідність збільшується під час освітлення.
Карбон може утворювати кластери - структури, складніші за формою, ніж ланцюжки, цикли або тетраєдричний кристал: фулерени, графені, нанотрубки та астралені.
Фулерени були відкриті в 1985 році. Молекули цієї речовини можуть складатися із 60, 70, 80, 90, 100 і більше атомів Вуглецю (С6в, С70, С8в-.-)> мають сферичну форму (нагадають формою футбольний м'яч). Фулерит-60 - молекулярний кристал,вузлах його ґрат знаходяться молекули фулерену-60, майже вдвічі твердіше алмазу (№ 12 за шкалою Моосу).
Графен - штучно отримана гексагональна модифікація (2004) з одноатомного шару Вуглецю. Його міцність на порядок вища за міцність будь-якої відомої науці речовини. Має надзвичайну електропровідність.
Аморфний вуглець - суміш дрібних, безладно розташованих кристалів графіту, з якого складаються технічний вуглець, сажа, кокс, викопне вугілля і деревне.
Технічний вуглець - чорний жирний на дотик порошок. Це продукт, який видобувають у промислових умовах за термічного розкладання вуглеводнів. Сажа утворюється при неконтрольованому згорянні органічних речовин (технологічно шкідливий побічний продукт).
Кокс - продукт коксування (нагрівання до температури 950-1100 ° С без доступу повітря) кам'яного вугілля. Містить 96-98% Карбону.
Деревне вугілля - тверда пориста речовина, продукт нагрівання (піролізу, 450-500 °С) деревини без доступу повітря. Щоб збільшити кількість пор (і відповідно збільшити поверхню поглинання), деревне вугілля обробляють гарячою водяною парою. Отримане в такий спосіб вугілля називають активованим. Залежно від вихідної речовини отримують тонко (до 2 нм) або пористий продукт (2-50 нм і більше). У пори можуть потрапляти молекули різних речовин і там утримуватися: у малі пори - малі молекули, у великі - великі молекули.
Здатність однієї речовини утримувати на своїй поверхні атоми, молекули, іони другої речовини називаю! адсорбцією. Речовину (тверду або рідку), яка здатна утримувати на своїй поверхні інші речовини (рідкі або газоподібні), називають адсорбентом.
Хімічні властивості вуглецю
Хімічна активність різнихалотропних модифікацій неоднакова. За нормальних умов вуглець малоактивний. Діамант і графіт можуть реагувати тільки з чистим киснем за дуже високої температури. Всі реакції за участю вуглецю є окислювально-відновними, в яких Карбон може виявляти властивості як відновника (характерніші), так і окисника.
Як відновник вуглець реагує з простими речовинами неметалами (киснем, галогенами, сіркою), а також із складними речовинами (вуглекислим газом, оксидами металевих елементів, водяними парами та кислотами-окислювачами):
а) із простими речовинами:
• вуглець горить на повітрі, виділяючи велику кількість теплоти:
За умови нестачі кисню утворюється чадний газ:
• з'єднується із сіркою, хлором:
б) зі складними речовинами:
• з водяною парою (при температурі 1200 °С утворюється водяний газ - суміш чадного газу з воднем):
• з оксидами металевих та деяких неметалевих елементів:
• з іншими речовинами:
• при нагріванні взаємодіє з простими речовинами (металами), утворюючи карбіди:
Карбіди розкладаються водою та мінеральними кислотами:
• з деякими неметалами:
При взаємодії вуглецю з силіцієм утворюється кремній(ІV) карбід. За твердістю він наближається до алмазу:
Алмаз використовують для виготовлення дорогих ювелірних прикрас (діамантів), штучні алмази – у промисловості для виготовлення абразивних та ріжучих інструментів, при бурінні свердловин.
Графіт застосовують у електротехніці для виготовлення електродів та електричних контактів; з нього роблять грифелі для олівців; подрібнений графіт вводять до складу фарб; в суміші з мінеральним маслом використовують для виготовлення маселмашин. Графітові стрижні застосовують як сповільнювач нейтронів атомних реакторах.
Активоване вугілля використовують як адсорбент у медицині (при отруєннях), у харчовій промисловості, для очищення води, у протигазах.
Технічний вуглець застосовують для гуми, інших пластичних мас, вводять до складу друкарської фарби, копіювального паперу.
Кокс використовують у металургії як відновник.
Копалини вугілля застосовують в теплоенергетиці, для вилучення водяного газу (суміші СО і Н2), коксу.
Карбін використовують у фотоелементах.
Дослідження простих речовин Вуглецю продовжуються, це одна з найперспективніших галузей хімічної науки (а згодом і техніки).
1 Запропоновано 1946 р. американським фізико-хіміком Віллардом Ліббі (1908-1980), лауреатом Нобелівської премії з хімії у 1960 р. Межа достовірності методу – близько 2000р.
2 Вапняк, що складається з раковин відмерлих молюсків, називають ракушняком.
3 Шкалу Мооса (мінералогічну шкалу твердості) запропонував 1811 німецький мінералог Ф. Моос. За зразки взято е 10 природних мінералів, які розташовані в послідовності збільшення твердості від тальку (1) до алмазу (10).