Главная Войти О сайте

Свойства углерода как химического элемента

Кроме углерода, в главную подгруппу IV группы входят также кремний, германий, олово и свинец. Размеры атомов сверху вниз в подгруппе увеличиваются, притяжение валентных электронов ослабляется, поэтому усиливаются металлические свойства и ослабевают неметаллические. Углерод и кремний – неметаллы, остальные элементы – металлы.Свойства углерода как химического элемента

На внешнем электронном слое углерод, как и другие элементы его подгруппы, имеет 4 электрона. Конфигурация внешнего электронного слоя выражается формулой 2s(2)2p(2). Благодаря двум неспаренным электронам углерод может проявлять валентность II. В возбужденном состоянии один электрон переходит с s-подуровня на p-подуровень, и валентность возрастает до IV.

Летучее водородное соединение углерода – метан CH4, единственное устойчивое соединение среди всей подгруппы (в отличие от SiH4, GeH4, SnH4 и PbH4). Низший оксид углерода CO – несолеобразующий оксид, а высший оксид CO2 – кислотный. Ему соответствует слабая угольная кислота H2CO3.

Поскольку углерод относится к неметаллам, в соединениях с другими элементами он может проявлять как положительные, так и отрицательные степени окисления. Так, в соединениях с более электроотрицательными элементами, такими как кислород, хлор, его степень окисления положительна: CO (+2), CO2 (+4), CCl4 (+4), а с менее электроотрицательными – к примеру, водородом и металлами – отрицательна: CH4 (-4), Mg2C (-4).

В периодической системе элементов Менделеева углерод находится под порядковым номером 6, во втором периоде. Он имеет относительную атомную массу 12. Его электронная формула – 1s(2)2s(2)2p(2).

Чаще всего углерод проявляет валентность, равную IV. Из-за высокой энергии ионизации и низкой энергии сродства к электрону образование ионов, положительных или отрицательных, для него нехарактерно. Обычно углерод образует ковалентные связи. Атомы углерода способны также соединяться между собой с образованием длинных углеродных цепей, линейных и разветвленных.

В природе углерод может находиться как в свободном виде, так и в виде соединений. Известны две аллотропные модификации свободного углерода – алмаз и графит. Известняк, мел и мрамор имеют формулу CaCO3, доломит – CaCO3∙MgCO3. Углеродные соединения являются основными компонентами природного газа и нефти. Все органические вещества также строятся на основе этого элемента, а в виде углекислого газа CO2 углерод находится в атмосфере Земли.

Алмаз и графит, аллотропные модификации углерода, сильно отличаются друг от друга по своим физическим свойствам. Так, алмаз – это прозрачные, очень твердые и прочные кристаллы, кристаллическая решетка имеет тетраэдрическое строение. В ней нет свободных электронов, поэтому алмаз не проводит электрический ток. Графит – темно-серое мягкое вещество с металлическим блеском. Его кристаллическая решетка имеет сложное слоистое строение, а наличие в ней свободных электронов обусловливает электропроводность графита.

При обычных условиях углерод химически малоактивен, но при нагревании он вступает в реакцию со многими простыми и сложными веществами, проявляя свойства как восстановителя, так и окислителя. Как восстановитель он взаимодействует с кислородом, серой и галогенами:

C+O2=CO2 (избыток кислорода),

2C+O2=2CO (недостаток кислорода),

C+2S=CS2 (сероуглерод),

C+2Cl2=CCl4 (четыреххлористый углерод).

Углерод восстанавливает металлы и неметаллы из их оксидов, что активно используется в металлургии:

C+CuO=Cu+CO,

2C+PbO2=Pb+2CO.

Водяной пар, пропущенный через раскаленный уголь, дает водяной газ – смесь водорода и оксида углерода(II):

C+H2O=CO+H2.

Этот газ используют для синтеза таких веществ, как метанол.

Окислительные свойства углерода проявляются в реакциях с металлами и водородом. В результате образуются карбиды металлов и метан:

4Al+3C=Al4C3 (карбид алюминия),

Ca+2C=CaC2 (карбид кальция),

C+2H2↔CH4.


CompleteRepair.Ru