Хімічні властивості карбону.

Карбон і Сіліцій та їх сполуки. Будівельні матеріали.

Головну підгрупу четвертої групи періодичної системи утворюють п'ять елементів — карбон, силіцій, германій, станум і плюмбум.

При переході від карбону до плюмбуму розміри атомів зростають. Тому слід чекати, що здатність до приєднання електронів, а отже, і неметалічні властивості при цьому будуть слабшати, легкість же віддавання електронів - зростатиме. Для елементів даної групи характерні ступені окислення +2 і +4. Сполуки вуглецю і кремнію, в яких ступінь окислення цих елементів дорівнює +2, нечисленні і порівняно малостійкі.

Карбон у природі. Карбон у природі перебуває у вільному стані і у вигляді численних сполук. Вільний карбон трапляється у вигляді алмазу і графіту. Алмази утворюють окремі кристали або невеликого розміру зростки. Маса кристалів звичайно лежить у межах від тисячних до десятих часток грама. Найбільший із знайдених алмазів важив 621, 2 г. Кристали нерідко мають забарвлення, спричинене домішками. Великі родовища алмазів є в Африці (Заір, ПАР), Бразилії, Індії.

Найбільші родовища графіту утворилися внаслідок дії високих температур і тиску на кам'яне вугілля.

Вугілля, яке також складається з карбону, утворюється штучно. Проте в природі є речовини, що наближаються за своїм складом до вугілля. Такими є різні види викопного вугілля, що утворюють у багатьох місцях земної кулі потужні відклади. Деякі з видів викопного вугілля містять до 99% карбону.

Сполуки карбону дуже поширені. Крім кам’яного вугілля, у надрах Землі є великі скупчення нафти, що є складною сумішшю різних сполук, які містять карбон, переважно вуглеводнів. У земній корі трапляються у величезній кількості солі карбоннатної кислоти, особливо карбонат кальцію. У повітрі завжди є діоксид карбону. Нарешті, рослинні і тваринні організми складаються з речовин, з утворенні яких головну участь бере карбон. Отже, цей елемент один з найпоширеніших на Землі, хоча загальний вміст його у земній корі становить лише близько 0, 1% (мас).

Алотропія карбону?

Хімічні властивості карбону.

З Оксигеном Карбон утворює діоксид карбону СО2, який часто також називають вуглекислим газом, і оксид карбону (II) - CO.

При дуже високих температурах Карбон сполучається з Гідрогеном, Сульфуром, Силіцієм, Бором і багатьма металами; Карбон вступає в реакції легше, ніж графіт, і тим більше, алмаз.

Сполуки Карбону з металами та іншими елементами, які є електропозитивними щодо карбону, називаються карбідами. Вони утворюються при прожарюванні з вугіллям металів або їхніх оксидів.

Карбіди — кристалічні тіла. Природа хімічного зв'язку у них може бути різна. Так, багато карбідів металів головних підгруп І, II і III груп періодичної системи — це солеподібні сполуки з переважанням іонного зв'язку. До них належать карбіди алюмінію А14С3 і кальцію СаС2. Перший з них можна розглядати як продукт заміщення Гідрогену на метал у метані СН4, а другий в ацетилені С2Н2.

Справді, при взаємодії карбіду алюмінію з водою утворюється метан:

А14С3 + 12Н2О = 4А1 (ОН)3 + ЗСН4|,

а при взаємодії з водою карбіду кальцію — ацетилен:

СаС2 + 2Н2О = Са (ОН)2 + С2Н2|.

У карбідах силіцію SiC і бору В4С зв'язок між атомами ковалентний. Ці речовини характеризуються високою твердістю, тугоплавкістю, хімічною інертністю.

Діоксид карбону. Діоксид карбону СО2 весь час утворюється в природі при окисленні органічних речовин (гниття рослинних і тваринних залишків, дихання, згоряння палива). У великій кількості СО2 виділяється з вулканічних тріщин і з води мінеральних джерел.

У лабораторіях діоксид карбону звичайно добувають, діючи на мармур СаСО3 хлоридною кислотою в апараті Кіппа:

СаСО3 + 2НС1 = СаС12 + Н2О + C02

У промисловості велику кількість діоксиду карбону добувають при випалюванні вапна:

СаСО3 = СаО + СО2

Діоксид карбону за звичайних умов — безбарвний газ, приблизно в 1, 5 раза важчий за повітря, завдяки чому його можна переливати як рідину, з однієї посудини в іншу. Маса 1 л СО2 за нормальних умов становить 1, 98 г. Розчинність діоксиду карбону у воді невелика: 1 об'єм води при 20° С розчиняє 0, 88 об'єму СО2, а при 0° С — 1, 7 об'єму. Застосовується діоксид карбону у виробництві соди за аміачнохлоридним способом, для синтезу карбаміду, добування солей карбонатної кислоти, а також газування фруктових і мінеральних вод та інших напоїв.

Під тиском близько 0, 6 МПа діоксид карбону при кімнатній температурі перетворюється в рідину. Рідкий діоксид карбону зберігають у стальних балонах. При швидкому виливанні його з балона, внаслідок випаровування вбирається так багато теплоти, що СО2 перетворюється на тверду білу снігоподібну масу, яка, не розтоплюючись, сублімується при —78, 5° С. Твердий діоксид карбону під назвою «сухий лід» застосовують для охолодження продуктів, що швидко псуються, для виробництва і зберігання морозива, а також у багатьох інших випадках, коли потрібна низька температура.

Розчин СО2 у воді має кислуватий смак і виявляє слабкокислу реакцію, зумовлену наявністю в розчині невеликої кількості карбонатної кислоти Н2СО3, що утворюється за такою оборотною реакцією:

СО2 + Н2 О = Н2СО3.

Отже, діоксид карбону є ангідридом карбонатної кислоти.

Рівновага цієї реакції дуже зміщена вліво, тому лише незначна кількість розчиненого СО2 перетворюється на карбонатну кислоту.

Важлива для практичних потреб сполука — карбамід, або сечовина, CO(NH2)2 утворюється при взаємодії діоксиду карбону з аміаком під тиском:

СО2 + 2NH3 = CO (NH2)2+ Н2О.

Вуглекислий газ, незважаючи на незначний вміст в атмосфері, стримує потік теплової енергії з поверхні нашої планети у космічний простір. Таке явище називається парниковим ефектом. Значна кількість СО2, що виділяється тепловими електростанціями, автотранспортом, промисловістю, поглинається рослинами при фотосинтезі, розчиняється у природних водах. Проте вміст вуглекислого газу в атмосфері все ж неухильно зростає. Це, на думку вчених, може призвести до загального потепління на кілька градусів, що викличе інтенсивне танення льодовиків Арктики й Антарктиди, підвищення рівня світового океану, затоплення багатьох територій. Щоб цього не сталося, потрібно поступово замінювати теплову енергетику іншою, ширше використовувати для вироблення різних видів енергії електричний струм замість спалювання палива і пального, а також зберігати і збільшувати зелений покрив планети.

Оксид карбону (II). Оксид карбону (II), або окис карбону, CO— безбарвний, отруйний газ, що конденсується в рідину лише при —192° С і твердне при —205° С. У воді оксид карбону розчиняється дуже мало і не вступає з нею в хімічну взаємодію. Шість валентних електронів атомів карбону і кисню розміщуються на трьох зв’язуючих молекулярних орбіталях, утворюючи потрійний зв'язок; цей зв'язок має високу міцність (1076 кДж/моль).

Структуру молекули CO можна подати схемою: С=О.

У лабораторіях оксид карбону (II) звичайно добувають, добавляючи відбирає від оцтової кислоти воду, виділяючи оксид карбону (ІІ):

НСООН = CO + Н2О.

NaOH + CO = HCOONa.

На повітрі оксид карбону горить голубуватим полум'ям з виділенням великої кількості теплоти, перетворюючись в СО2:

2СО + О2 = 2СО2 + 566 кДж.

При підвищеній температурі оксид карбону (II) — добрий відновник, що відіграє важливу роль у металургії при відновленні металів з їхніх оксидів. Його використовують також як газоподібне паливо. Крім того, CO є однією з вихідних речовин у виробництві ряду органічних сполук.

Оксид карбону дуже отруйний і особливо небезпечний тим, що не має запаху; тому отруєння ним може статися непомітно. Отруйна дія оксиду карбону, відома під назвою чаду, пояснюється тим, що CO легко сполучається з гемоглобіном крові і робить його нездатним переносити кисень від легень до тканин. Якщо вдихати свіже повітря, то утворена сполука (карбоксигемоглобін) поступово руйнується, і гемоглобін відновлює здатність вбирати кисень.